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本文摘自：《建筑幕墻創新與發展》未經許可不得轉載
隨著制造工藝的不斷改進，玻璃已經成為一種主承載結構材料，玻璃結構與木結構、磚結構、鋼混結構、鋼結構（詞條“鋼結構”由行業大百科提供）等一樣，作為一種建筑結構，成為現代公共建筑中的一個新亮點。經過多年的研發和嘗試，國外玻璃建筑已在公共領域中嶄露頭角。而在國內，由于對玻璃的結構安全性的了解還不夠充分，因此業主和開發商還處于觀望的態度，設計研發者也因此缺少設計研發的機會。本文試圖通過對國外玻璃結構的歸納介紹，增加公眾對玻璃結構的關注，為國內從業人員提供設計思路和參考，促進國內玻璃結構的發展。
玻璃是沒有屈服階段的脆性材料（詞條“脆性材料”由行業大百科提供），因此玻璃結構的設計理論和方法有別于鋼筋混凝土結構、鋼結構等傳統建筑結構。全玻璃結構的應用經歷了一個試驗階段。在20世紀晚期，荷蘭首先工程師在一個短租地塊上建造玻璃住宅，該建筑物三面為通透的承重全玻璃幕墻，輕型屋面的張弦梁通過螺栓（詞條“螺栓”由行業大百科提供）支承在玻璃肋上。此結構證明了玻璃能成為承重建筑材料，但還未能解決玻璃結構的安生性、防火等問題。隨后英國、法國的工程師也做了不同的嘗試，如榫鍥方式膠接的玻璃結構、十字型玻璃柱等承重結構。國內對此階段的玻璃結構項目有較詳細的介紹，代表作有荷蘭玻璃屋 (House De Fantasie, Almere)，荷蘭Sonsbeek 雕塑亭 ，英國Kingswinford玻璃博物館，荷蘭鹿特丹的玻璃連橋，玻璃柱應用(Saint – Germain – en – Laye辦公室)，東京樂町線出口雨篷 。
到了21世紀初期，全玻璃結構開始在國外廣泛應用到公共領域、商業建筑和私人住宅。其中荷蘭的benthemcrouwel，英國的Dewhurst Macfariane，英國的Eckersley O’Callaghan和意大利的建筑/玻璃設計師組合的Santambrogio等幾個著名的結構設計（詞條“結構設計”由行業大百科提供）事務所的作品舉世矚目，也一定程度反映了玻璃結構的發展過程。
作為美國蘋果公司旗艦店的結構設計單位——英國Eckersley O’Callaghan，該事務所擁有大量有一個設計延續性的玻璃結構的機會。因此，英國Eckersley O’Callaghan對玻璃結構技術發展，作出了重大的貢獻。同時，美國蘋果公司在各地的旗艦店也展示了玻璃結構發展。
在中國，玻璃作為承重材料的應用并不多，主要用作玻璃樓板或樓梯踏板。最令人注目的玻璃結構為蘋果公司在北京、上海和香港等地開的旗艦店里，這些玻璃結構有力的證明了我國玻璃制造和裝配業已經走到了世界的前列。但玻璃結構的設計在我國還基本處于空白。
1 本世紀初全玻璃結構在國外的應用
由英國Brian Eckersley與James O’Callaghan于2004年建立的Eckersley O’Callaghan工作室是目前建筑玻璃結構的領導者。經過多年探索，該工作室已經擁有最嚴謹的玻璃結構設計理論和分析方法，也是多個國家玻璃結構設計標準委員會成員，因此，了解 Eckersley O’Callaghan的玻璃項目，便是了解玻璃結構的簡史，下面將介紹幾個代表性的項目。
2014年開業的美國國家紀念館門前的2.5m懸臂的玻璃墻，此玻璃墻由4層夾膠浮法玻璃組成。玻璃表層的浮雕是通過深酸蝕刻，深雕刻和印刷等工藝制造而成。
圖1 美國國家紀念館的2.5m高玻璃墻
2014年完工的美國費城迪爾沃思公園地下交通樞紐的兩個玻璃亭出口，可能是目前世界最大最高的膠接式全玻璃結構。每個玻璃亭是一個全玻璃結構，由18ft (5.486m)高的玻璃墻和跨度為17 ft(5.182m)的玻璃屋頂組成。玻璃墻面板為5片3/8”(9.525mm)厚SGP夾膠半鋼化玻璃，玻璃屋頂為7片SGP夾膠半鋼華玻璃。整個玻璃亭由鋼梁與混凝土反梁支撐，玻璃墻固接于不銹鋼槽中，從地面向上懸挑。玻璃屋面通過硅酮結構密封膠直接支撐在玻璃墻面上。整個玻璃亭從地面上看，沒有任何的金屬配件。這個項目的成功取決于玻璃結構的地基為全磚石結構。
圖2 迪爾沃思公園的交通樞紐出口
此玻璃亭可視為斜的排架結構，入口處三片大尺寸玻璃組成一個的斜排架，斜排架的一部分重力作用在旁側的尺寸較小排架上，一個較大的排架壓在一個較小排架上，直到玻璃亭的根部，形成一個結構整體。當風荷載（詞條“風荷載”由行業大百科提供）作用下，整個玻璃屋頂對排架結構起到一定的側向支撐作用。大尺寸的屋頂玻璃通過結構膠及玻璃墊片將水平風荷載傳到小尺寸的屋頂玻璃，直到底部基礎。其中，結構膠應為小變形（詞條“變形”由行業大百科提供）的，才能起到水平荷載傳遞作用。在玻璃重力作用下，玻璃與墊片之間通過摩擦力將一部分水平荷載傳遞到屋頂根部。
另外，意大利米蘭的建筑/玻璃設計師組合Santambrogio ( Carlo Santambrogio & Ennio Arosic)也是世界上有名的玻璃結構專家。他們設計并建造了兩套完全由藍色玻璃組成的玻璃屋子[7]。兩間屋子均為框架體系的全玻璃結構，一間為三層玻璃屋，另一間為建于水面長方形吊腳式玻璃屋。
三層玻璃屋的中柱為置于室外的玻璃肋與玻璃墻面板組成的T型截面（詞條“截面”由行業大百科提供）柱，其中玻璃肋由兩片玻璃組成。角柱為轉角玻璃墻面板和與之延伸的玻璃肋結成的十字型截面柱。玻璃梁系為縱橫兩方向玻璃梁，通過螺栓連接而成的網格梁系。網格的每個末端通過螺栓與玻璃柱連接，構成了主體框架。室內的玻璃書架和玻璃廚子與玻璃梁柱連接，成為玻璃屋的次結構，為玻璃屋提供支撐作用。玻璃樓梯安裝在玻璃墻面和室內玻璃廚子之間，由兩邊的玻璃面板支承。
建于水面上的長方形吊腳式玻璃屋，由兩片玻璃組成的玻璃Ⅱ型柱子穿過水面，與地基連接，離水面一定高度處，建立一層梁網格，交接處通過玻璃耳板用螺栓進行連接。玻璃地面鋪在梁網格上面，玻璃屋頂做法與樓板相似。入口樓梯道由兩塊到地基的玻璃面板做為主梁，樓梯踏板與玻璃面板連接，頂部由從屋內延伸出來的玻璃梁作為主支撐架，玻璃墻面板與屋面板與之連接。
圖3 意大利Santambrogio設計的玻璃屋(一)
圖4 意大利Santambrogio設計的玻璃屋(二)
2 蘋果公司的全玻璃結構產品
2001年蘋果公司與建筑師Bohlin Cywinski Jackson、工程結構師Eckersley O'Callaghan等合作，建造出一系列用于共公建筑的玻璃結構作品。他們的作品幾乎都具有繼承和發展特點，使得玻璃結構的發展得到非常大的突破。
2004年開業的位于英國倫敦攝政王街的蘋果旗艦店的玻璃樓梯和玻璃橋，是當時較大跨度的玻璃作品。玻璃樓梯是由起承重作用的夾膠鋼化玻璃墻和玻璃踏板組成，玻璃踏板的跨度為2.4m，由多層夾膠浮法玻璃組成，通過定制的鈦合金（詞條“鈦合金”由行業大百科提供）連接件與玻璃墻連接。其中，鈦合金連接件是在玻璃踏板進行夾層粘結的過程中一同預埋粘結的。
圖5 攝政王街店的玻璃樓梯
圖6 攝政王街店的玻璃樓梯和玻璃橋
2005年開業的日本東京蘋果專賣店的全玻璃樓梯，將玻璃欄河視為樓梯的主承重單跨梁，橫跨在一樓與地面之間。由于受玻璃制造業的限制，玻璃承重欄河需要由三塊等長的玻璃，通過鋼件鉸接起來。玻璃踏板通過金屬件與玻璃欄河連接起來，共同抵抗當地高烈度的地震作用。
圖7 東京店的玻璃樓梯與玻璃橋
2011年開業的德國漢堡蘋果專賣店的玻璃樓梯，12m跨度的承重玻璃欄河為一塊5×12mm厚夾膠半鋼化玻璃，重量超過4噸。另外，玻璃踏板與欄河之間的連接件為背栓式，與欄河玻璃的夾膠層粘結，不再需要穿透欄河玻璃的外層，保持了玻璃外表面的完整性。
圖8 漢堡店玻璃樓梯
2012年倫敦王子街103號的蘋果旗艦店重新裝修，玻璃樓梯重新設計成跨度13m的新一代玻璃樓梯，跨度13m的玻璃欄河為一塊5層夾膠半鋼化玻璃，重量超過2噸。
圖9 倫敦蘋果店13m跨度玻璃樓梯
2004年在日本大阪蘋果專賣店建成的螺旋形玻璃樓梯，由高承受力的夾層化學鋼化圓弧玻璃通過鋼件連接成螺旋形的承載欄河(即樓梯的主梁)，通過鋼索吊掛在上部梁上。玻璃踏面選用浮法玻璃，兩端使用鋼件與玻璃欄河連接，形成一個整體共同抵抗當地多發的高烈度地震作用。
圖10 大阪蘋果店的螺旋形玻璃樓梯
2006年5月開業的位于紐約第五大道的蘋果專賣店里的玻璃圓柱電梯及與之環繞的螺旋形的玻璃樓梯。整個圓柱形玻璃電梯井和玻璃樓梯由地下室底板支承，地面樓板提供側向支撐。電梯井的圓形平面為6塊弧形玻璃，一共3層，其中最底層和最高層開有電梯門，共16塊有玻璃組成。平面間玻璃通過金屬件連接，層間玻璃通過不銹鋼圈連接，形成抗拉環梁。電梯井作為整個玻璃結構的核心承重柱，玻璃樓梯的外圍欄河是樓梯外螺旋形梁承重梁。外螺旋欄河其投影平面為6塊弧形玻璃，底部玻璃與地下室樓板連接，頂部玻璃與一層樓板連接，中間弧形玻璃由倒L型玻璃柱支承。倒L型玻璃柱的另一邊與中心電梯井連接，將荷載傳會中心電梯井。樓梯踏板連接電梯井和外螺旋欄河，起側向連接作用，保證樓梯的穩定性。
圖11 玻璃樓梯
2007年于紐約第十四大道的蘋果專賣店里完成的螺旋玻璃樓梯，首次將螺旋玻璃樓梯技術由單層上升到兩層。
樓梯中心處為圓形核心承重柱，核心承重柱平面為6塊弧形玻璃，豎向有4.5層，共30塊玻璃組成。核心承重柱玻璃間的連接方式，與他其螺旋玻璃樓梯項目一樣，平面間玻璃通過金屬件連接，層間玻璃通過不銹鋼圈連接。核心承重柱由預埋在地面層下面的鋼網格支承，二層、三層的樓板提供側向連接。外圍的玻璃欄河由三層化學鋼化夾膠玻璃組成，作為樓梯外螺旋形梁承重梁，支承于從核心承重柱懸挑的玻璃梁上。
對樓梯穩定性最大的挑戰是，建筑物本身的剛性不大，有一定的側向位移。因此，樓梯與建筑物之間的連接必須有足夠的相對滑動的能力，從而樓梯不會對建筑物起側向加固作用。
圖12 紐約蘋果專賣店的兩層螺旋玻璃樓梯
圖13 2008年波士頓蘋果店的兩層螺旋玻璃樓梯
2006年5月開業的位于紐約第五大道的蘋果專賣店玻璃門廳，這個玻璃屋是長寬高均為32.5ft (約10m)的立方體。這是個玻璃框架結構，屋頂為雙向薄壁玻璃平面網格，通過拼接的玻璃柱進行支撐，其橫向穩定性由玻璃墻面板提供。玻璃網格與玻璃柱均由多層的夾膠玻璃組成，所以玻璃構件之間通過金屬件連接。整個玻璃結構包括106件玻璃面板，和250件玻璃肋(即玻璃網格與玻璃柱)。在屋頂的中部掛著一個8ft (約2.4m)的會發光的蘋果商標。
圖14 紐約蘋果店門廳
此玻璃門廳處于Eckersley O’Callaghan建造玻璃結構的初期，受限于當時的玻璃結構分析水平和玻璃制造能力。所以玻璃構件尺寸相對較小，連接件也相當多。在此后經過多方的努力，玻璃結構的設計方法得到非常大的發展，玻璃制造安裝也得突破。此時，夾膠鋼化玻璃面板的尺寸能做到18m×3.6m。
圖15 改建后的紐約蘋果店門廳
為此，蘋果公司總裁史蒂夫·喬布斯決定重建紐約第五大道的蘋果專賣店玻璃門廳，使得2011年完成的新方案更為通透和簡潔，最新的玻璃結構的設計概念得已展示。改建后的玻璃門廳外觀尺寸不變，玻璃面板減至15塊，玻璃肋減至40塊。新方案中屋頂僅為7塊玻璃肋組成的玻璃網格，其端部與玻璃柱鉸接，玻璃柱由一塊玻璃組成，不再需要拼接。
2010年開業的上海浦東金融國際中心的蘋果專賣店的門廳，為高12.6m，直徑10m的玻璃圓筒。其立面由12塊超大彎鋼化玻璃組成。面板背后的玻璃柱也是一塊12m高、70mm厚的夾膠鋼化玻璃，通過嵌入式的金屬件與玻璃面板連接。屋面由四塊玻璃組成，支承在徑向的玻璃梁上。玻璃梁的外端與玻璃柱連接，內端與中心玻璃環梁連接，形成主承重玻璃框架，其側向穩定由玻璃面板提供。
值得一提，我國的北京北玻安全玻璃有限公司與東金晶科技股份有限公司經過共同研發，將初步方案的三塊4.2m長的彎鋼化玻璃改為一塊12.6m長×2.6m弧長的彎鋼化玻璃。突破了世界紀錄，獲得“中國創造”的美譽。為我國的玻璃結構發展提供了物質基礎。
圖16 上海店門廳
2014年完成的位于土耳其的伊斯坦布爾佐魯中心的蘋果專賣店屋頂玻璃盒子，是最極致的透明度（詞條“透明度”由行業大百科提供）。四面墻均僅為一塊10m 長×3m高、3×12mm厚SGP夾膠鋼化玻璃。屋面為一塊帶反拱碳纖維增強塑料(CRFP)，其中心處比四邊高出210mm，以便排水。屋面板的四邊均為60mm寬的邊緣與玻璃墻面板連接。所有的連接部分都使用硅酮結構膠，沒有任何連接件影響建筑物的完整性和透明度。
圖17 伊斯坦布爾的蘋果專賣店屋頂玻璃盒子
圖18 伊斯坦布爾的蘋果專賣店屋頂玻璃盒子
3 全玻璃結構在我國的概況
在中國玻璃作為承重材料的應用還處于一個相當低級的階段，目前主要的應用是全玻幕墻，玻璃樓板，玻璃樓梯等。但全玻幕墻的設計技術水平與國際相比，也是相對落后的。在杭州的中國美術學院里的一座玻璃橋，盡管其跨度較小，但也是玻璃結構應用的一個嘗試。
圖19 杭州的中國美術學院的玻璃橋
盡管北京、上海和香港的蘋果旗艦店已將玻璃結構帶到中國來，并大大促進了中國玻璃制造的發展，使國內完全有能力生產和安裝全玻璃結構。但是玻璃結構的設計玻璃結構的設計還處于啟步階段，有待嘗試和開發。
4 玻璃承重結構的設計方法
對于傳統的建筑結構，如鋼筋（詞條“鋼筋”由行業大百科提供）混凝土結構和鋼結構等，其結構設計可依據相應的國家規范進行驗算。如果是超規范的設計，就需要進行專家論證，有必要時需要對其中關鍵部位進行實驗。同時，項目的實際應用，也是一個反復調整嘗試和調整的過程。
目前對于玻璃結構，全球還沒有一個國家提出指導性的設計方法或參考標準。由于玻璃材料脆性（詞條“脆性”由行業大百科提供）的特點，結構師們對玻璃結構既充滿期待又心有疑惑。在國外，玻璃結構有近30年的發展史，國外結構師走過了玻璃結構的探索階段基本進入工程應用實踐階段，因為沒有行業性的設計標準，所以對于玻璃結構的研究一直是一個熱門的研究課題，為工程師提供大量的設計參考。但在我國，無論是研究機構還是一線的工程師都極少對玻璃結構設計進行探索或試驗性研發，因此我國的玻璃結構設計基本處于空白。但相信，以玻璃材料夢幻般的通透性，一旦我國結構師撐握玻璃結構的設計方法，玻璃結構建筑會瞬間在全國蔓延起來。
筆者大膽對玻璃結構設計提出一個簡單的思路：力學理論分析——某一構件破壞時，結構的剩余強度設計——對所有玻璃構件進行1:1的仿真實驗——根據實驗、概率論對設計方案進行調整——對玻璃構件添加保護層(防撞擊、防火設計)——玻璃結構實際工程應用。
玻璃結構的力學理論分析是對玻璃結構的初始設想按彈性力學理論進行數值分析，了解玻璃理論上應力或應變分布，為玻璃結構設計提供初始的結構方案。但由于玻璃實際情況受生產和加工的限制，可能出現多種數據分析無法預見的問題，因此力學理論分析得到的結構方案絕對不能作為玻璃結構實際應用的設計依據。
由于玻璃的破碎無法完全避免，必需了解一旦某一玻璃構件損壞失效后，損壞的玻璃構件原承載的荷載能否通過另外路徑分配到其他結構構件中，增加受荷的構件是否因此受損而使建筑結構更加危險。換句話說，就是需要對建筑進行剩余強度設計，當某一玻璃構件破壞后，整體結構不會在采取應急措施前出現進一步的損壞或倒塌。此時沒破壞的玻璃構件所承受的荷載才是玻璃構件的荷載設計值。
1：1的防真實驗是對玻璃構件實際受力情況進行觀察，文獻[26]中，實驗中實際破壞情況與數據分析預期相差較遠，因此，必須對全部玻璃構件進行實驗，以得到真實的構件受力情況。
由于每一個玻璃構件成品都有其獨特性和唯一性，實驗也只能對工程實際情況進行仿真，玻璃構件并不能完全反映玻璃構件在實際應用中的實際情況，所以必須運用統計學概率論對實驗結構進行調整，從而得到一個被認為較為可靠的玻璃構件承載力數據。
最后，還需要考慮玻璃構件的防火和防沖擊問題。當遇到意外事件，在玻璃結構中的所以有人能夠全部安全撤離的時間內，玻璃結構沒有發生倒塌，那么說明玻璃結構是安全的。這個時間取決于玻璃結構的防火(防沖擊)能力、玻璃結構的面積、能容納的人數、玻璃結構所處的位置、及人員撤離的容易程度等。對于提高玻璃結構的防火(防沖擊)能力，目前最常用的方法就是在玻璃構件的外表面增加夾膠玻璃層或在玻璃構件的外圍增加防護套。使玻璃保護層與玻璃受力構件組成完整的玻璃構件系統。
圖20 玻璃柱防護套
圖21 杜邦公司進行的“犧牲層”驗證試驗
在工程實際應用時，一定要保證玻璃構件的公差在設計的允許范圍內。定期對玻璃構件進行觀察檢測，了解玻璃構件在應用過程中的應力和變形情況。并做好防護措施，一旦玻璃出現可見裂痕或破損，馬上提供臨時的支護，為整體結構提供安全保證。
參考文獻
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本文摘自：《建筑幕墻創新與發展》未經許可不得轉載
