不要誤以為我要開始研究玻璃結(jié)構(gòu)了，絕對(duì)沒那個(gè)意思。只是難得去一個(gè)不太常去的城市出差，臨行前一天突然起意，去看看那兒有意思的建筑吧。
首先想到的是曉書館，它所在的建筑是前男神安藤忠雄的作品。雖然在日本看安神的作品看到審美疲勞，但還真沒在國內(nèi)看過他的作品。然而一查地圖，太遠(yuǎn)了，沒時(shí)間去。。。然后想起來幾年前曾擦肩而過的Apple Westlake，也不錯(cuò)呀，是前前前男神Norman Foster的作品，聊勝于無吧。然而上網(wǎng)一查，興趣濃度立即提升一百倍。不是因?yàn)檎⒚娴?1塊大玻璃是從德國運(yùn)來的，每塊價(jià)值60萬美金，蘋果有錢愛zuo跟我沒關(guān)系；而是因?yàn)榫尤挥腥苏f那個(gè)正立面的玻璃幕是承重構(gòu)件，甚至把它稱為玻璃結(jié)構(gòu)！玻璃結(jié)構(gòu)?。。?/p>
因吹絲停！
我對(duì)玻璃結(jié)構(gòu)有這么大的反應(yīng)是有原因的。對(duì)我在地震工程學(xué)術(shù)研究方面有深遠(yuǎn)影響的Master Yoda，哦不，Professor Wada除了給我植入了‘You must study hard’的觀念之外，還植入了一個(gè)更專業(yè)一點(diǎn)兒的觀念：
Glass is the last material you want to use in a structure.
為什么呢？因?yàn)樗?。給學(xué)生們講脆性材料，舉例子，第一是粉筆，第二就是玻璃。這下來了個(gè)玻璃結(jié)構(gòu)，毀三觀了。
脆又怎么樣？杭州那旮沓又沒什么地震，不要滿腦子都是延性呀抗震呀好不好？職業(yè)病好討厭的。
不過這次我還真沒把抗震放在心上。對(duì)于結(jié)構(gòu)而言，脆了為什么不好？從擠奶工的小板凳說起。傳言，小奶凳都是三條腿的，以至于Milking chair在英文中已經(jīng)成為三腿凳的代稱。為什么是三條腿呢？因?yàn)槿c(diǎn)確定一個(gè)平面。
假設(shè)擠奶的小姐姐體重600N，大概120斤吧，是不是有點(diǎn)兒胖了？Milk maid好像普遍都胖。當(dāng)她坐在三腿凳上時(shí)，盡管地面坑坑洼洼不平整，三條腿總會(huì)同時(shí)著地，這樣每條腿承受的重量大約是 600N / 3 = 200N。
如果凳子有四條腿呢？每條腿承受的重量是 600N / 4 = 150N 嗎？或者因?yàn)榈孛娌黄剑挥腥龡l腿同時(shí)著地，所以仍然是 600N / 3 = 200N ？
或許都不是。四腿凳在不平整的地面上容易晃來晃去，同時(shí)著地的經(jīng)常只有兩條腿，這時(shí)每條腿承受的重量是 600N / 2 = 300N，反而比三條腿的時(shí)候受力更大！假設(shè)每條腿的承載力正好是200N，并且是用玻璃做的，那么著地的兩條腿無法承重小姐姐的重量，會(huì)發(fā)生破壞，力又由剩下的兩條腿承擔(dān)，但是它們同樣無法承受600N的小姐姐，于是小姐姐要摔屁股墩兒了。
但是如果凳子腿兒能發(fā)生較大的變形而不喪失承載力，四條腿之間會(huì)發(fā)生內(nèi)力重分配：先著地的兩條腿各承受200N的力并發(fā)生變形（縮短），直到剩下的兩條腿也著地并開始受力，于是形成兩條腿各承受200N的力，另外兩條腿各承受100N的力的局面，凳子沒有被坐塌。
根據(jù)塑性分析理論的下限定理：
對(duì)于一個(gè)結(jié)構(gòu)，任意假設(shè)一種內(nèi)力分布，只要它與外力作用相平衡，并且各處的內(nèi)力均不超過各個(gè)構(gòu)件的承載力，則與之平衡的外力總是小于等于實(shí)際承載力。
在小奶凳的例子里，雖然我們根據(jù)理想平整地面所得到的內(nèi)力分布（下圖左）跟實(shí)際的內(nèi)力分布（下圖右）很不一樣，但因?yàn)榍罢叻舷孪薅ɡ淼臈l件，所以它對(duì)應(yīng)的外力（600N）總是小于等于實(shí)際的承載力（對(duì)于本例，實(shí)際承載力是800N）。
換句話說，結(jié)構(gòu)的塑性變形能力使結(jié)構(gòu)的承載力對(duì)邊界條件不再那么敏感性。然而玻璃很脆，它對(duì)邊界條件太敏感了。
“玻璃結(jié)構(gòu)”是怎么解決這個(gè)問題的呢？在此之前，德國的Geralt Siebert教授承包了我關(guān)于玻璃結(jié)構(gòu)的所有知識(shí)。
去年冬天，Siebert教授帶著他強(qiáng)大的老婆Barbara Siebert來日本玩兒，順便給我們做了個(gè)報(bào)告，題目是“Glass as Structural Element”。我總結(jié)就是兩招：一夾二墊。
夾
你是不是和我一樣以為玻璃結(jié)構(gòu)一定要用鋼化玻璃？其實(shí)鋼不鋼化沒那么重要，重要的是夾膠！先簡(jiǎn)單科普一下玻璃的種類。
最普通的就是浮法玻璃（Float glass）。它的強(qiáng)度其實(shí)也還好，但非常脆，看似光潔平整的表面其實(shí)布滿微裂縫。在外力作用下微裂縫悄無聲息地?cái)U(kuò)展，直到有一天突然破裂，玻璃就碎了。是不是挺像地震的？孕育地震的巖層也像玻璃一樣是脆性材料。
對(duì)玻璃進(jìn)行熱處理可以使玻璃表面具有一定的初始?jí)簯?yīng)力，從而減緩表面微裂縫的擴(kuò)展，于是提高了玻璃的強(qiáng)度。根據(jù)加熱后冷卻速度的不同，以及與之相伴的表面壓應(yīng)力的大小不同，熱處理的玻璃分為鋼化玻璃（thermal-tempered glass, ESG）和半鋼化玻璃（heat strengthened glass, TVG）兩類。別問我為什么是ESG而不是TTG，或者為什么是TVG而不是HSG。那是德語，我不懂。
鋼化玻璃的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于浮法玻璃，半鋼化玻璃介于二者之間。鋼化和半鋼化玻璃破碎的形態(tài)大不一樣。剛化玻璃因?yàn)楸砻娉跏級(jí)簯?yīng)力較大，一旦自平衡的應(yīng)力狀態(tài)被破壞，就立馬碎成小渣渣。半鋼化玻璃則跟浮法玻璃類似，會(huì)碎成尖銳的大玻璃塊，很嚇人。
但有了夾層玻璃，這些都變得不那么重要了。夾層玻璃跟所謂的中空玻璃可不是一回事兒?jiǎn)选Ｋ傅氖嵌嗥Ａㄟ^膠層粘合成一整片。其中的單片玻璃層可以是普通的浮法玻璃，也可以是半鋼化或者鋼化玻璃。膠層也可以有多種選擇。
由于膠層的存在，玻璃即使破碎，也不會(huì)立即四分五裂，而是仍保留在原位且具有一定的剩余承載力。用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的玻璃，一定是夾層玻璃。Apple Westlake也不例外。下圖是它的正立面幕墻玻璃肋的截面。
“層合”真是一個(gè)神奇的存在。Laminated rubber bearing解決了橡膠支座隔震的問題；Cross-laminated timber成了主流的結(jié)構(gòu)木材；Laminated glass又解決了結(jié)構(gòu)玻璃安全性的問題。一招鮮，吃遍天。
墊
鋼化只讓玻璃變得更脆，夾膠其實(shí)也沒有解決玻璃變形能力過小的問題。對(duì)此，Sieber教授的忠告是：
永遠(yuǎn)不要讓玻璃直接與鋼材接觸！
總之所有的連接處，都有墊片。具體怎么墊，就五花八門了。下圖是在福神的網(wǎng)站上找到的Apple Westlake正立面頂部檐口大樣。你們感受下。反正我看不懂。
（Source: www.fosterandpartners.com）
不論是夾層玻璃還是各種墊塊，實(shí)際上并沒有增加結(jié)構(gòu)的塑性變形能力。墊塊當(dāng)然有助于減小玻璃邊緣的應(yīng)力集中，也可以使結(jié)構(gòu)發(fā)生更大的變形，但那也不過是彈性變形能力。仍然不能適用下限定理。
那么，怎么讓玻璃結(jié)構(gòu)戰(zhàn)勝邊界條件的不確定性呢？
目前我能想到的辦法：要么只做靜定結(jié)構(gòu)；要么使用很高很高很高的安全系數(shù)。真想不出別的辦法了，求拯救
最后說一件令人沮喪的事情。費(fèi)了半天勁兒一直在說玻璃結(jié)構(gòu)玻璃結(jié)構(gòu)玻璃結(jié)構(gòu)，但可能它跟Apple Westlake沒什么關(guān)系，因?yàn)樗舅悴簧弦蛔ＡЫY(jié)構(gòu)——價(jià)值660萬美金的玻璃面板并不承重。當(dāng)然啦，那片幕墻還是要承受自身的重量以及風(fēng)荷載的，但是據(jù)目測(cè)，它不承重其他豎向荷載。
從結(jié)構(gòu)的剖面圖上看，銷售大廳頂部的屋面采用了和夾層樓面同樣的做法——鋼結(jié)構(gòu)懸臂出挑。屋面的跨度只比夾層樓面多了2米多。能懸挑出12米的，不在乎再多挑出兩三米。
不過別灰心。通體透明的玻璃結(jié)構(gòu)還是很吸引人的?？纯赐瑯拥腇oster設(shè)計(jì)的位于土耳其伊斯坦布爾的Apple Zorlu Center的玻璃盒子，不要放棄夢(mèng)想。
（Source: www.fosterandpartners.com）
感謝 iStructure 授權(quán)分享
歡迎關(guān)注他們的微信公眾號(hào)
微信號(hào)：iStructure2017