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玻璃砖的建造技术

发布时间:2022-06-15 16:08:19    来源:欧宝彩票 作者:欧宝电竞

  玻璃砖作为一种普通的建筑材料已经被使用了几十年了, 它 最初的使用源于法国设计师皮耶· 夏洛(P.Chareau)设计的“玻 璃之家”。建筑的坚固性由两片浇铸的玻璃融合在一起形成。并 且这个过程形成了一个空腔, 里面的空气可以起到很好的隔音作 用。在建筑中的构造方法是用水泥砂浆连接它们,类似于一般的 砖砌法。 玻璃砖在要求隔音但又要求光线穿透墙壁的时候有非常 显著的功用(虽然直接的视觉接触是不可能的,因为这种玻璃有 一些波纹,是半透明的) 。玻璃砖在建筑上应用有很多优秀的实 例;1936 年在伦敦建造的芬格伯里健康中心(Finsbury Health Centre)就是最好的实例之一,一个更新的例子是伦佐· 皮亚诺 (Renzo Piano)和英国阿鲁普事务所(ARUP)在日本东京为 爱玛仕(Hermes)设计的新店铺,他们用玻璃砖完全包裹了整 座建筑。 国外的玻璃砖在建筑技术中的应用经历了 70 多年的发展, 已经相当成熟。从玻璃之家到爱玛仕旗舰店,我们可以看到各个 时期的代表当时最先进的玻璃砖构造技术。 由于玻璃砖的生产工 艺在 1990 年代才引入中国,所以国内对玻璃砖及其构造技术的 研究和经验相对欠缺, 这种状况导致了国内建筑师在玻璃砖的应 用实践上做的比较少, 并且那些仅有的实例也是大多依照玻璃砖 厂家提供的现成的构造和施工方案。 这些因素导致建筑师在使用 这种材料的时候,很多好的想法都无法实现,影响了设计的最终 表现力。 玻璃之家和爱玛仕东京旗舰店是国外的玻璃砖建筑中最

  具代表性的两个作品。 前者是建筑史上最先把玻璃砖用于建筑外 墙的设计作品, 它在将玻璃砖应用于外部维护结构方面起到了推 动性的作用。当时的评论家曾经形容玻璃之家 “有如被放逐在另 一个星球上,他推翻了当代民众对国内建筑物的传统期待,改以 舒适性及独特性替代,玻璃之家开创出设计的新途径,融合现代 材料创造出别出心裁的构造方式”。夏洛用他自己独创的方法, 创作出夏洛式的“迷人的狂想”。爱玛仕东京旗舰店则是利用当今 先进技术把玻璃砖的应用发挥到了一个新的高度, 在东京创造了 一个玻璃之家的现代译本 。它集结了法国、日本、意大利、瑞 士等 4 国的技术, 代表了当今玻璃砖应用于建筑中最高的技术水 平。 笔者收集了一些关于这两座建筑的资料,通过分析整理,把 它们从方案设计、材料选择到施工过程都详细地记录下来,希望 能够对国内一些关心玻璃砖应用技术的建筑师提供一定的帮助。 玻璃之家——Maison de Verre 法国巴黎圣乔姆街 31 号;1928~1932 年 P.Chareau,B.Bijvoet, L.Dalbet 玻璃之家位于巴黎市中心的圣乔姆街, 是在一幢旧旅馆的基 础上进行的改建工程。它是一幢紧临街道的建筑,背街的部分围 合成一个庭院,是一幢典型的 18 世纪建筑(图 1) 。业主达尔札 斯博士(Dr. Dalsace)是一位著名的妇产科医生。他原本打算完 全买下这幢 4 层(第 4 层是阁楼)的建筑,并希望把它改建成能

  够同时包括诊所、待客空间和居住空间的多功能住所。但是,由 于原本住在 3 楼的一位老妇人拒绝搬迁, 达尔札斯博士只能买下 这幢建筑的一、二层。他请来了设计师皮耶 · 夏洛为这幢建筑进 行改建。夏洛完整的保留了上部的两层而将下部两层全部翻新, 以钢结构代替原有的石构。一、二层原来朝向庭院的厚重石墙则 被改造成了轻盈的玻璃砖墙。 玻璃帷幕在白天提供室内以自然柔 和的光线,而在晚上,则将室内的人工光线发散到户外,形成了 独特的美丽景观(图 2) 。就外观来说,玻璃之家完全打破了当 时的传统住宅形式,夏洛用他自己独创的方法,利用价格低廉的 金属和玻璃的组合,创造了新的住宅模式。

  图2 玻璃之家施工历时 4 年,整个工程的花费大约是 400 万法 国法郎 。

  玻璃之家是夏洛与比沃(B.Bijvoet) 、戴伯特(L.Dalbet)合 作设计完成的。皮耶· 夏洛一生只设计过玻璃之家这一栋建筑。 他的主要职业是室内设计和家俱设计, 因此他几乎没有实际建筑 设计工作的经验,比沃是一位注册建筑师,戴伯特则是一位熟练 的工匠,他们给夏洛提供了工程方面的支持和援助。 夏洛为什么会选择玻璃砖作为外墙的维护材料?这并不是 他的突发奇想, 而是他对基地与环境作了仔细的分析而得出的结 果。这里的基地情况是这样的:建筑朝向庭院一侧的立面正对着 西北方向,太阳光不能直射到室内,采光只能通过周围环境的反 射,所以这面墙的采光要求很高,需要大面积的开窗。此外,庭 院的四面都是住宅,这使得西北方向并没有好的景观,而且庭院 的长宽尺寸是 10m 左右, 住宅之间容易产生对视的问题 (图 3) 。 鉴于这样的状况,比沃向夏洛推荐在外墙使用轻质材料,而不是 当时普遍使用的砖石材料的古典式样。玻璃砖同时具有质地轻、 采光性能强、 不透视这 3 个特点, 而且它还可以形成丰富的光影, 可以使背光面也充满生气,成为夏洛设计时的首选。虽然当时玻 璃砖还是一种全新的建筑材料, 在此之前它仅作为内部墙体材料 在德国艺术作品和工业联合会陈列馆中使用过, 但夏洛最终决定 作一次大胆的尝试。

  图3 玻璃砖砌筑的墙体,长、宽的尺度都因材料的特性而有一定 的限制。 并且, 在此之前玻璃砖仅仅被应用在室内小面积的砌筑。 所以,对于大面积应用玻璃砖墙的设想,还需要设计师自己认真 思考。首先面临的是承载能力问题,为了减少从上层砖块传递来 的荷载,设计者为此设计了新的构造方式——先竖立起钢构架, 然后将玻璃砖作为填充(这也成了现今普遍采用的施工方式之 一) 。在当时,这么大的尺度及新的构造方法没有任何实践的先 例来作为参考, 以致当时法国唯一能够生产玻璃砖的厂家圣哥班 公司(S-Gobain)虽然同意生产和运送玻璃砖,但他们拒绝为 他们的玻璃砖所建成的墙体承担任何责任。 然而最终的成果表明 玻璃之家的整体结构的设计及施工都非常合理。

  图6 施工的过程这样进行:先搭建好钢的框架结构,再拆除原有 的石构,使建筑整体结构保持稳定。钢结构搭建完成后,建筑物 从外表开始建造, 接着再决定内部的平面布臵, 然后再设计细部。 搭建钢结构的时候, 钢柱和混凝土楼板附着在原先存在的石结构 上(这种建造技术是从地铁建造中借鉴来的) 。独立的钢柱 入原有的石构中,石结构体系此时依然保持延续,石结构的延续 性保证了钢骨架的稳定。当竖向的钢柱装配完毕后,短的水平钢 梁入其中构成完整的钢骨架。当钢柱和钢梁都装配完毕时, 石墙就可以被替代了(图 4) 。钢框架被固定在建筑每层的钢梁 上。为了减弱底层的玻璃砖墙的荷载,5 根工字钢柱被额外增加 来作为辅助(图 5) 。玻璃之家被认为是世界上第一个标准化建

  造的建筑。建筑中每一个构件都是预制的,并且没有一个构件经 过再次加工。设计者从勒· 柯布西耶的模数(le modular)概念中 得到启发,构件尺寸的设计都遵循基本模数而定,然后逐一绘制 出详细的材料表单送交工厂定做,最后将制成品运到现场装配。 玻璃砖的选择和钢框架的设计都遵循了这个法则。 夏洛选用了尺 寸规格为 20cm×20cm×4cm 的玻璃砖来实现统一的模数。钢框 架是由若干 90cm×10cm×10cm 的杆件构成。为了慎重起见,夏 洛把玻璃砖与钢框架组合而成的立面也绘制成详细的图纸来保 证施工的准确(图 6) 。玻璃砖以 4 块为一组镶嵌在钢框架中, 加上杆件本身的宽度,一个单元恰好 90cm。由于层高、开窗的 原因,玻璃砖在一些部位有特别的组合,但每一层大体上都是由 若干个 90cm 的单元组成。 材料的模数制实现了材料工厂制作与 现场装配的便捷,这也为干式施工方法 提供了可能性。整个施 工过程中,除了现浇的混凝土楼板以外,其余构件都是在现场装 配的。这使得施工的完成速度和效率有了保证,同时,也没有影 响到周围居民的正常生活。玻璃砖也采用了干式施工方法。 爱玛仕旗舰店——Maison Hermes 日本东京银座街 5-4-1 号;1998~2001 年 Renzo Piano;ARUP;日本竹中工务店 1998 年,法国爱玛仕集团决定在东京建造它在日本的总部 (图 7) 。这座总部大楼位于东京的银座。银座作为东京商业最 繁华的地区,建筑风格极具多样性。每一个商家都希望自己的楼

  宇能够在这纷繁的黄金地段脱颖而出,这也是每个建筑师的期 望。因此,如何设计出一座“地标”性的建筑是这次设计的关键。 建筑师伦佐· 皮亚诺从玻璃之家的设计中得到灵感,决定在东京 尝试创建一个新版本的“玻璃之家”(图 8) 。玻璃之家是 20 世纪 初技术水平的象征,这个新版的“玻璃之家”将在规模、构造、材 料、施工等方面代表 20 世纪末建筑和工业技术的新层次。设计 之初,皮阿诺与其他设计师一起专程去巴黎观摩了玻璃之家,他 们仔细研究了它的构造、空间结构以及其他特点。最终,皮阿诺 把这座爱玛仕总部大楼设计成了一幢巨大的、11 层的、外表面 全部包裹着玻璃砖的立方体。 整个建筑朝向街道的表面总共有大 约 2 600m2 的玻璃砖,是世界上应用玻璃砖面积最大的建筑(玻 璃之家大约是 150 m2,也是当时应用玻璃砖面积最大的建筑) 。 半透明的墙体创造了兼有私密性和开放性的内部空间。在白天, 罩上玻璃砖面纱的立面闪动着光芒。当从建筑物里面朝外看时, 外面嘈杂的街景被玻璃砖传递成了静默而精妙的剪影;在夜晚, 建筑则变成了如皮阿诺所描述的“一只魔幻的灯笼”——它有如一 只巨大的自发光晶体, 笼罩在它自身所散发的光晕中——成为城 市中崭新的公共场所(图 9) 。 这幢建筑施工历时 3 年完成,总造价大约 170 亿日元,约 合 1.4 亿美元 。 担任这个项目结构设计的是久负盛名的英国阿勒普事务所。 他们在钢结构、抗震设计、玻璃构造等方面都具有相当丰富的经

  验。许多著名的玻璃砖建筑都是他们进行的结构设计,例如 Houer-King House、Building B12 和 Mound Stand 等等。他们 用经验与创新为爱玛仕设计了独特的结构与构造, 也使皮阿诺对 玻璃砖幕墙的许多大胆构想最终得以实现。 这时的科学技术水平 已经使皮亚诺不再像夏洛一样在无法准确判断结构的合理性的 情况下,在自己的设计中探索整体的结构和玻璃砖的构造。 爱玛仕大楼的整体结构选型和玻璃之家一样, 也是钢结构的 建筑。13 000 多块玻璃砖组成的幕墙构成了建筑的表皮。但皮 阿诺不希望它像玻璃之家那样,表皮上出现许多构件、接缝、开 窗等因素影响玻璃砖墙的整体性。 他希望材料和构造设计能够最 完美地表现出玻璃砖材料整体的高度透明性。为了达到这个目 标,皮阿诺与结构设计、合作施工单位都付出了很多的劳动。 首先,皮阿诺对玻璃砖的选择是独具匠心。基于钢支撑与抗 震设计的原因,玻璃砖之间需要留有大约 2cm 胶缝。如果是用 普通规格的玻璃砖,接缝的宽度会使视觉效果产生很大的影响, 玻璃砖幕墙整体的透明性也将被大大的削弱。 皮阿诺希望建筑的 表皮最终是高度透明的墙体, 而不是由许多接缝组成的纵横线条 交错的网格。所以,砖的尺寸最终选用了巨大的 428mm×428mm 。 在 转 角 的 部 位 , 则 用 尺 寸 减 半 (214mm×214mcm)的小块玻璃砖拼合成曲面(图 10) 。这种 428mm×428mm 的尺寸是有史以来建筑中使用过的最大的玻璃 砖,它们在意大利浇铸完成。由于铸造过程是纯手工操作,这使

  得每一块砖都具有独立的特质。 这一特质在皮阿诺看来是至关重 要的, 因为这清楚地表明这座由玻璃砖建造起来的建筑是一件独 一无二的艺术品。为了让所有的钢框架都能隐藏起来,使透明性 实现的更加彻底, 皮阿诺还对处于建筑下边缘的玻璃砖做了特殊 设计。 特制的好似残缺的玻璃砖通过铆钉与钢框架连接 (图 11) 。 其次, 玻璃之家甚至现有的所有玻璃砖建筑先例的构造效果 都不能满足皮亚诺的要求。所以,他寄希望于阿勒普为爱玛仕创 造出新的构造方式来实现高度透明性。 为此阿鲁普事务所为大楼 设计了全新的隐藏式玻璃砖支撑系统: 钢柱-楼板-钢扣件-钢 框架-玻璃砖(图 12、13) 。固定玻璃砖的框架使用的是一种可 以使框架隐藏在玻璃砖侧面凹槽中的设计。 这是考虑了玻璃砖墙 外观的整体性的设计。在这里的设计中,每块玻璃砖的侧面都开 有凹槽,两块玻璃砖拼接之后,拼接处由于凹槽的存在而形成了 一个可以容纳框架的暗槽空间,从外表看来,玻璃砖之间是严丝 合缝的,而钢框架被安装在暗槽中。这是一种来源于瑞士的工业 技术。 玻璃砖和嵌在玻璃砖侧面凹槽里的纤细的钢框架之间的结 合也经过了细致的设计。那些隐藏在玻璃砖侧面凹槽中的钢框 架,它们的每一个侧面都被镀上了银,以增加玻璃墙的光感,这 种处理手法减弱了接缝对视觉的影响。 玻璃砖之间则用了密封硅 胶进行接缝。 玻璃之家中的那种外露的钢框架结构在它应用和发 展了 70 年后,终于在爱玛仕大楼的设计中被改进成了隐藏的钢 框架结构,这不啻是一次成功的创新。

  此外,为了保证玻璃砖的透明度,皮阿诺坚持使用干式施工 法来安装玻璃砖。在防火性能上,干式施工法不如湿式施工法, 为了满足防火规范, 皮阿诺最后选用的是欧洲的一种干式防水做 法——橡胶八爪鱼 (图 14) 。这种施工的方法是日本竹中工务 店技术研究所进行了多次开发,历经了 13 次实验之后才通过鉴 定的。此干式施工法后来申请了专利。 另外,日本是多地震国家,建筑规范非常的严格。爱玛仕大 楼作为一个坐落在东京的超大型商业建筑, 与只有几百平方的玻 璃之家相比, 它需要在结构和构造上花很大的精力来解决自身的 抗震问题。 地震发生时会产生强大的扭转力矩和对柱子的冲击力矩, 作 为应付这种巨大破坏力的适应性对策, 建筑的整体结构采用了柔 性结构, 而不是刚性结构。 日本的古代的五重木塔结构设计合理, 有自身的自律性制振结构系统,根据历史资料的记载,在过去的 1 400 年间,全日本仅仅只有两座佛塔在地震中倒塌,其原因被 确认为是层与层间的柱子没有连续性所致。 地震时整个塔可以像 柳条一样的运动。 阿勒普事务所从这种古代东方五重木塔结构中 找到了灵感(图 15) ,设计了一种具有独特抗震系统的钢结构体 系。在爱玛仕大楼中,同样的原理被考虑和研究。玻璃砖表皮由 建筑外侧的钢柱支撑, 每一层外侧的钢柱与楼板交接的地方都设 臵了化纤胶阀门(图 16) 。当钢结构内侧的钢柱被固定在基础之 上,地震时外侧钢柱的提升和扭转能够同时发生,柔性结构允许

  建筑在一定范围内摆动, 地震的能量被关节吸收。 在现代建筑中, 这是第一栋在地震中用柱子提升楼板的建筑 。从这排钢柱结构 铰接点的阀门中悬挑出的楼板来支撑悬浮的玻璃砖表皮, 这样可 以尽可能的限制位移,减少损伤表皮的危险。 爱玛仕大楼中玻璃砖构造方法对于抗震问题的解决也是它 对比于玻璃之家以及后来的玻璃砖建筑的又一个进步。这就是, 爱玛仕大楼是对每块玻璃砖进行单独支撑, 而以前的钢框架支撑 玻璃砖的建筑采用的都是成组支撑的方式。 这种设计充分符合了 日本对抗震设计的严格要求。在地震多发的日本,在一幢建筑的 外表要同时悬挂一万多块玻璃砖,甚至建筑的转角也不例外。这 种对单块玻璃砖进行支撑框架形式对减震起到了很好的作用, 它 利用了砖与砖之间的接缝来缓冲和吸收地震力。 由于采用的干式 施工方法, 这可以使钢架与玻璃砖之间的上下左右每个方向都保 持了大约 4 mm 的空间。这种柔性的处理可以适应地震中的晃 动,这样累积到整幢建筑,每块玻璃砖可上下左右移动 4mm, 整体墙面(从 1~11 层)可移位 45cm(安全设计范围) 。整个 表皮就像活的有机体一样,因此皮阿诺形容它说: “当地震发生 时,这些玻璃砖会像一层有机的皮肤一样在动。” 如果说玻璃之家是第一个标准化建造的建筑, 爱玛仕大楼玻 璃砖墙的施工过程则体现出现代标准化建造的水平。 它的施工步 骤是:玻璃砖在意大利浇铸完成后,运到瑞士后拼装成竖向 9 块 一条的单元,9 块玻璃砖从上到下分别镶嵌在 9 个一组的钢质方

  格框架中(为了让玻璃砖的尺度和建筑的尺度互相吻合,每个单 元高度等于建筑的层高) ,最后运到日本来吊装。每个单元里钢 架,“橡胶八爪鱼”,防火填充材都已组装好,现场吊装后再加补 充钢架、硅胶等。最后这些的单元并列的安装在上下两层楼板处 挑出的圈梁之间,用特殊设计的钢制扣件连接(图 17~20) 。 这是 20 世纪上半叶巴黎“玻璃之家”的形象在 21 世纪初的再 现。从技术上说,玻璃之家和爱玛仕大楼都代表了当时最先进的 玻璃砖构造技术。 所不同的是, 爱玛仕大楼需要考虑更多的材料、 技术及施工问题。因此,爱玛仕大楼最终的玻璃砖构造设计体现 了从玻璃之家以来 70 年间的技术进步。 结束语 70 年前建造的玻璃之家是玻璃砖最初被运用在建筑设计和 施工中的实例,其生产和构造技术都略显原始。玻璃之家为了使 整个建筑的施工都能够符合工业化生产的标准, 选用了当时世界 上唯一可以工业化生产玻璃砖的厂家,这是一种革命性的突破, 此外, 它所采用的钢框架支撑系统也是设计者对于玻璃砖构造的 一次大胆尝试。从玻璃之家的成功开始,钢结构支撑玻璃砖这种 新的构造方式被广泛运用于玻璃砖建筑中,并且在欧洲发展起 来。许多建筑师在自己的设计中把这种构造方式进行改进,许多 玻璃砖厂家也研究出诸多不同的构造大样。 这些尝试都使得许多 新的构造方法应运而生, 而这也正是 70 年之后爱玛仕大楼的 11 层高的玻璃砖墙得以实现的基础。玻璃砖的生产经过了 70 年的

  发展,它的生产工艺已经发展得相当成熟。当皮阿诺决定使用超 大尺寸的玻璃砖时, 情况已经不像夏洛当时面临的只有一家厂家 供选择, 皮阿诺在意大利很容易地找到了他所需要的工艺来完成 自己的设想。 爱玛仕所使用的技术简单归纳起来虽然也是钢结构 支撑玻璃砖的系统, 但是超大尺寸和超大面积的玻璃砖以及严格 的抗震耐火要求需要更多积累的技术经验来实现。 皮阿诺和他的 工作伙伴把瑞士的钢框架技术、“橡胶八爪鱼”防水做法等等技术 都拿来应用,并且自己在施工工艺上也做了很多创新,爱玛仕巨 大的玻璃砖墙就这样被建造起来了。 玻璃之家是工业化生产的最 早尝试,由于许多构造技术都不成熟,所以虽然建筑整体效果很 好,但是一些细部还显得过于粗糙。而爱玛仕大楼的构造设计从 整体到局部都显得非常精确细致。 这并不是夏洛与皮阿诺对于材 料节点要求和控制能力的差异, 而是技术的发展带来了构件和节 点质量上质的飞跃。 建筑艺术与其他纯艺术门类的区别之一, 在于它无法建立在 空想的基础之上, 它必须借助于技术的支撑来达到预期的艺术成 果,技术的发展常常又能够给建筑艺术注入崭新的内容。结构、 材料、产品、施工等技术的发展,给建筑师提供了在艺术上发挥 的空间。西方现代建筑艺术的成就,与西方产业技术的发展有着 密切的关联。从 20 世纪初的玻璃之家,到世纪末的东京爱玛仕 大楼,无不体现了技术对艺术的有力支持,它们已经成为了每个 时代技术和艺术紧密结合的里程碑。 建筑师只有把现代建筑技术

  和艺术结合为一体,才能创造出令人赞颂的设计作品。这种经验 无疑是我们所需要的。

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