拓展玻璃在建筑物中的應(yīng)用.doc

拓展玻璃在建筑物中的應(yīng)用馮詩齊/編譯這里是芝加哥如果你想親身體驗(yàn)一下玻璃在建筑結(jié)構(gòu)上的神奇應(yīng)用,那就請(qǐng)到芝加哥市中心南瓦克爾大道233號(hào)去。更確切地說,是到南瓦克爾上空1353英尺處，即西爾斯大廈的103層。站在那兒,幾步之間就可到達(dá)西墻,可那兒的外墻已被拆掉。你要再多走一步，就會(huì)跨出邊緣。此時(shí)你會(huì)發(fā)現(xiàn)，原來是站在透明的玻璃地板上,它懸空在離地面人行道約四分之一英里的高度上。如果你有恐高癥，不敢挪動(dòng)你的腳步向下張望,那就抬起你的目光向外望外墻和天花板也都是玻璃的，完全通透。風(fēng)格迥異的玻璃建筑實(shí)際上，你已經(jīng)來到了一個(gè)透明的“水晶盒子”里,在大廈的四個(gè)角上，各有一個(gè)這樣的“水晶盒子”。你所在的是四個(gè)盒子之一，它吊掛在懸臂式的鋼梁上。玻璃墻用不銹鋼螺栓同玻璃地板相連接，并固定在梁上。但真正保證你安全的也恰恰是玻璃本身。這幾個(gè)才對(duì)外開放不久的玻璃盒子,是大廈觀景平臺(tái)的擴(kuò)展翻修部分,是最新、最風(fēng)格迥異的采用玻璃為承重部件的工程。但采用全玻璃結(jié)構(gòu)總有點(diǎn)兒大膽,似乎存心要挑戰(zhàn)下面這個(gè)難題:能否用玻璃來作為建筑物的結(jié)構(gòu)部件?能我們完全能用玻璃來實(shí)現(xiàn)過去只能用鋼材和混凝土完成的工程。在材料學(xué)家和軟件設(shè)計(jì)師的協(xié)助下,建筑師們正在建造幾乎全由玻璃構(gòu)成的高聳的建筑立面、拱形的穹頂和優(yōu)雅的立體人行天橋和樓梯。他們使用的是由聚合物制造的層壓玻璃，能提高橫梁和其他構(gòu)件的強(qiáng)度和安全性西爾斯大廈的每一塊樓板都是五層的三明治式的結(jié)構(gòu)對(duì)每一平方英寸進(jìn)行了分析測(cè)試，以確保負(fù)載在精確的限度內(nèi)。他們正在試驗(yàn)采用新材料和新方法，旨在某一天用玻璃替換金屬及其他的材料?！拔覀冏罱K的目標(biāo)是全玻璃結(jié)構(gòu)，”埃克斯利奧卡拉漢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事務(wù)所的設(shè)計(jì)師詹姆斯奧卡拉漢（James OCallaghan）說。他設(shè)計(jì)了世界上最著名的玻璃建筑之一Apple專賣店的樓梯成為了一道奪人眼球的靚麗風(fēng)景線。清晰地視野：一項(xiàng)新穎的設(shè)計(jì)可令參觀者們從芝加哥西爾斯大廈103層全方位一覽無遺，設(shè)計(jì)人員采用新的材料和方法拓展玻璃在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用總之，材料學(xué)家已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，“玻璃只不過是另一種建筑材料，”并已存在于我們身邊幾千年了。盡管有許多種制造玻璃的方法和工藝，以及玻璃有著許多種特定的用途譬如制成傳導(dǎo)光線的光纖,或制成筆記本電腦顯示屏中電子電路的襯底但在建筑物的結(jié)構(gòu)中無一例外使用鈉鈣玻璃，因?yàn)樗鼈兇蟛糠质怯锰妓徕c、石灰石和二氧化硅制備的。 風(fēng)格迥異的玻璃建筑物“多年來,鈉鈣玻璃的基本成分沒有發(fā)生多大的改變,”位于紐約州的阿爾弗雷德大學(xué)的玻璃研究中心負(fù)責(zé)人哈里史蒂文斯（Harrie J. Stevens）說。這與你家的窗玻璃、冰箱中的果醬瓶以及古董店淘來的那種煉丹瓶并無大的區(qū)別。這些是基本材料,但遠(yuǎn)非如此簡(jiǎn)單?！爱?dāng)然,玻璃是一種不同尋常的材料,”詹姆斯卡彭特設(shè)計(jì)公司的詹姆斯卡彭特（James Carpenter）說,“說它不同尋常，是因?yàn)槲覀儾]有真正了解它。”卡彭特專司玻璃立面和其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并在1970年代擔(dān)任玻璃制造商康寧公司的顧問。改進(jìn)傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝玻璃究竟是固體還是液體？長(zhǎng)久以來一直存在爭(zhēng)議?，F(xiàn)在我們通常將其稱之為非晶態(tài)固體，因?yàn)闆]有證據(jù)證明它在極其緩慢地、隨著時(shí)間的流逝而像液體在流動(dòng)。非晶態(tài)結(jié)構(gòu)是在玻璃相變溫度下迅速冷卻而獲得的,對(duì)于鈉鈣品種的玻璃而言，相變溫度大約是華氏1000度。剛成形的玻璃強(qiáng)度非常高，但在成形后就開始失去其在制備時(shí)獲得的強(qiáng)度。如同一輛新車，因使用過度其價(jià)值短時(shí)間內(nèi)會(huì)一落千丈。因?yàn)椴Ａг诮佑|到其他介質(zhì)，甚至同水汽和二氧化碳相接觸，其表面就會(huì)形成毛細(xì)裂紋。即便你向新出爐的玻璃吹口氣,就已經(jīng)降低了玻璃的強(qiáng)度，甚至一個(gè)氣體分子也能破壞玻璃中的硅氧鍵,產(chǎn)生缺陷。賓夕法尼亞州立大學(xué)的材料學(xué)教授卡洛潘塔諾（Carlo G. Pantano）說，雖然玻璃可以承受很大的應(yīng)力,但張力會(huì)使這些細(xì)微的龜裂逐漸的擴(kuò)展。“這就是玻璃破碎的原因，即便玻璃沒有破碎也降低了強(qiáng)度?！?涂保護(hù)層是避免產(chǎn)生新裂縫的一種解決方法,盡管涂層會(huì)影響玻璃的透明度,而透明度正是我們選擇使用玻璃的主要原因。史蒂文斯博士說，改變玻璃的配方也能有效阻止裂縫的形成和傳播，“我們可以調(diào)整玻璃的組成成分以使其更強(qiáng)固?！钡@么做也有風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)椴ＡУ钠渌麑傩砸部赡茈S之改變，并且成本會(huì)變得過于昂貴。玻璃建筑的成本本來就不低，西爾斯大廈的玻璃盒子每個(gè)耗資平均在4萬美元以上。也可以調(diào)整制造工藝,盡可能維持玻璃的原貌。譬如，用于制造筆記本電腦玻璃的技術(shù),是將熔融態(tài)玻璃注入一個(gè)V形槽內(nèi),并從槽的兩側(cè)沿槽壁溢出在底部匯合，并在連續(xù)不斷地流動(dòng)中逐漸冷卻。在這種方法中,玻璃的每一面都是“熔融面”,僅暴露于空氣而不與設(shè)備的任何部分接觸。為在建筑結(jié)構(gòu)上使用，玻璃常用傳統(tǒng)的退火方法進(jìn)行鋼化處理，這種方法令玻璃表面收縮，從而使得裂縫擴(kuò)展需要更高的張力（平板玻璃最常使用的是熱退火方法）。阿爾弗雷德大學(xué)的威廉拉庫瑟（William LaCourse）教授認(rèn)為,這種方法利用了玻璃的一個(gè)特性即玻璃冷卻越緩慢，其密度就越大。由于玻璃表面暴露在空氣中而快速冷卻，因而密度低。但“在內(nèi)部依然很熱，緩慢冷卻形成了更致密的結(jié)構(gòu)，這使得表面在收縮?！倍诨瘜W(xué)退火方法中，表面的鈉離子被尺寸大30%的鉀離子置換。這就像提著一只塞滿夏天衣服的手提箱，當(dāng)我們將最上面一層替換成御冬的衣物時(shí)，箱子就會(huì)難以合上。如果你強(qiáng)行關(guān)閉這只箱子，手提箱的接縫處說不定會(huì)開裂。玻璃當(dāng)然不會(huì)在接縫處開裂,因而結(jié)果就是表面在收縮。 鋼化玻璃能保持較長(zhǎng)時(shí)間的完整,但它依然會(huì)碎裂。因?yàn)槠浔砻娴膽?yīng)力必然會(huì)與內(nèi)部的張力達(dá)到平衡,當(dāng)鋼化玻璃破裂時(shí)它會(huì)形成許多比普通玻璃更小的碎塊，是因?yàn)楦嗟牧押勰茚尫鸥嗟哪芰??！八绞菆?jiān)固則碎裂造成的碎片越多,”康寧公司顧問休爾施古拉蒂（Suresh Gulati）博士說。這一現(xiàn)象的極端例子是所謂的魯伯特王子的液滴實(shí)驗(yàn)(Prince Ruperts drop)，將熔融狀的玻璃滴進(jìn)水里冷卻而形成帶有長(zhǎng)長(zhǎng)尾巴的玻璃小球。你可以用錘子敲擊球端，它不易碎，但你剪掉尾巴，則小球會(huì)由于張力的釋放而炸得粉碎。座落在東京的透鏡般玻璃建筑創(chuàng)新玻璃建筑連接件玻璃在建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中,我們當(dāng)然選擇碎得越小越好，因?yàn)檫@能減少造成傷害的機(jī)會(huì)。但要達(dá)此目的，僅僅作退火處理通常是不夠的。 我們主要關(guān)心的是，當(dāng)裝有玻璃的建筑物一旦構(gòu)件損壞時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況這就是工程師所謂的“后失效行為”。與鋼材和其他材料不同，玻璃不會(huì)變形，也不會(huì)在失效時(shí)出現(xiàn)征兆。如果發(fā)生碎裂,最重要的是保持建筑結(jié)構(gòu)的完整，以確保其上或其下人員的安全，因此要采用疊層結(jié)構(gòu)。典型的玻璃板材西爾斯大廈工程中采用1.5英寸厚是以薄聚合體夾層粘合。夾層提高了玻璃的強(qiáng)度,萬一某層玻璃碎裂,它能使結(jié)構(gòu)保持完整而不會(huì)掉落碎片。但是疊層使得制造用于建筑結(jié)構(gòu)的玻璃非常困難。由于切割鋼化玻璃會(huì)引起破裂,每一塊玻璃板在退火前必須先拋光，并為連接件鉆好預(yù)留孔。為在組裝結(jié)構(gòu)時(shí)避免潛在的破壞性應(yīng)力，所留公差極小。“這樣的要求不難做到，”MTH工業(yè)的盧塞爾尼（Lou Cerny）說。他負(fù)責(zé)西爾斯大廈的安裝工作,那里的公差是十六分之一英寸?！爸皇菦]幾個(gè)人愿意干這個(gè)?！彪y怪那些希望用玻璃建大樓的人期望有一天，他們的建筑結(jié)構(gòu)將不再受金屬或其他材料的限制?！拔业哪繕?biāo)是減少玻璃中連接配件的數(shù)量，”奧卡拉漢說。他設(shè)計(jì)的Apple樓梯用不銹鋼，偶爾用鈦?zhàn)鳛檫B接玻璃的組件。某些工程師正在采用不同形狀或結(jié)構(gòu)的玻璃來降低對(duì)金屬的依賴。荷蘭代夫特技術(shù)大學(xué)教授，同時(shí)也是比利時(shí)ABT商行結(jié)構(gòu)工程師的羅布尼杰瑟（Rob Nijsse），將大面積波紋玻璃垂直安裝于葡萄牙波爾圖一座音樂廳的幕墻上和用于比利時(shí)安特衛(wèi)普一座在建的博物館上。這樣的外形有助于玻璃減輕風(fēng)載。其他設(shè)計(jì)者在考慮使用不同種類的玻璃?！坝腥绱硕嗟牧钊梭@奇的玻璃品種可供選擇,”卡彭特說?！巴耆梢詫⑺鼈兊哪承┨匦赞D(zhuǎn)為適應(yīng)建筑的使用需求?！逼┤?，使用熱膨脹系數(shù)小的玻璃能將組件焊合，形成事實(shí)上連綿不斷的玻璃長(zhǎng)帶。而常規(guī)的鈉鈣玻璃膨脹系數(shù)大,焊合會(huì)導(dǎo)致引發(fā)破壞的應(yīng)力。代夫特技術(shù)大學(xué)的研究人員已經(jīng)對(duì)黑玻璃組件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，但低膨脹玻璃要比鈉鈣玻璃昂貴許多。 其他工程師們正試圖用粘合劑直接將玻璃粘在一起。德國(guó)斯圖加特的韋納爾索貝克工程設(shè)計(jì)公司的工程師盧西奧布蘭迪尼（Lucio Blandini）在做博士論文設(shè)計(jì)時(shí)，曾在斯圖