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玻璃幕墙前生今世


     建筑是文化与实用需求的有效结合,这种需求要求把不同建筑材料以某种形式组合起来。在二十世纪上半叶,玻璃在其发展的最高水平阶段显示出了其存在的重要意义------大量而且广泛的应用到建筑工程领域,催生了玻璃幕墙的产生。玻璃幕墙的产生与发展,是适应人类实用需求的产物,从而带动了建筑科技与技术的进步,导致了建筑材料的飞跃发展。

  在阐述玻璃幕墙的起源与发展前,首先应明确建筑幕墙与玻璃幕墙的概念,依据《建筑幕墙(GB/T21086-2007)》的定义,建筑幕墙是由面板与支承结构体系(支承装置与支承结构)组成的、可相对主体结构有一定位移能力或自身有一定变形能力、不承担主体结构所受作用的建筑外维护墙。玻璃幕墙为面板材料是玻璃的建筑幕墙。由此,必须具备以下特征才能称之为玻璃幕墙:

  a.具有玻璃面板和支承玻璃面板的结构体系(支承装置与支承结构);

  b.相对与主体结构有一定位移能力或自身有一定变形能力;

  c.不承担主体结构所受作用。

  1.玻璃幕墙的起源与发展

  玻璃幕墙的发展是随着建筑工程技术的不断发展和进步而产生的,最主要的原因是高层建筑技术的发展和人民对生活的美好追求。玻璃制造技术的不断进步,促进了建筑玻璃向前发展并形成了多个发展的重要时期,这些重要时期以玻璃制造技术的巨大进步和伟大建筑的出现为代表。

  玻璃幕墙的发展路径与轨迹为:人类活动早期住宅的窗、哥特式教堂建筑时期及其后继时期、植物花园温室及商业街廊、工业建筑的启蒙式应用、办公及写字楼大面积的普及。

  点支式玻璃幕墙的发展是随着玻璃生产与加工工艺不断提高与改善和建筑玻璃与玻璃结构的发展与进步而产生的。它的发展路径与轨迹为:全玻璃橱窗、落地式玻璃肋全玻璃幕墙、点支式玻璃幕墙、索结构幕墙等各种新型点支式玻璃幕墙形式。

  玻璃幕墙最早起源于美国,点支式玻璃幕墙最早起源于欧洲。

  2.玻璃起源及制造技术发展阶段

  在人类懂得建筑之后的几千年里,不得不努力满足互相矛盾的两个建筑需求:一方面为了满足遮风挡雨、免受侵袭、提供私人空间的要求,要建造密封式的建筑;而另一方面,为了照明以及满足视觉上要求,要把光线引入室内。如今人们对建筑的需求及自有的沟通欲望在这里汇合了,玻璃以其独特的方式融入到建筑历史当中并且形成了自己的历史。

  2.1玻璃起源

  迄今为止,我们仍然无法确定世界上第一块玻璃发明的具体时间和地点。一般认为,玻璃诞生于大约5000年前的美索不达米亚平原,随后经过阿拉伯传播到了世界各地。

    公元前5世纪,在美索不达米亚(Mesopotamia)地区(对幼发拉底河和底格里斯河两河流域的称谓,意为两条河之间的地方,大体位于现今的伊拉克),已经可以找到玻璃存在的证据。公元前4世纪,在埃及法老陵墓打开时发现了公元前3500年前左右的绿莹莹的玻璃念珠,这标志着玻璃制造技术的开端。到公元前1500年,压制和模制的玻璃器皿在埃及已经相当普遍,并且玻璃制造技术已经传播到现代威尼斯和奥地利的霍尔

  2.2玻璃制造技术发展阶段

  2.2.1早期阶段

  叙利亚人对玻璃制造技术发展的影响不能被低估。早在公元前200年左右,西顿(Sidon)的叙利亚工匠们发明了用铁管吹制玻璃的技术,使生产各种不同形状的薄壁容器成为可能,这就是玻璃制造技术早期发展阶段---吹制技术(图1):玻璃吹制工在长度为1.5m左右的空心铁棒杆子未端蘸取玻璃液,然后把它吹成一个薄壁容器。相较于之前的铸制拉延法,玻璃在厚度、透光上都有显著的进步。

  公元8世纪,叙利亚的旋转制盘术被证明对北方玻璃制造业的发展起过极其重要的作用。在公元1000年左右,威尼斯人已经会用旋转法制作厚薄不均的平板玻璃,北欧的制作者们将吹制法和旋转法这两种技术完美的加以统一,建立了相当规模的玻璃工业,这一创造迎来了哥特式建筑时代。

  2.2.2工业化时期

  十九世纪,在工业化时期的欧洲,玻璃生产在所有领域都取得了重要进步:

  a.1839年钱斯(Chance)兄弟成功改进了吹制圆柱玻璃的切割、打磨和抛光,同时改进了表面抛光工艺,降低了玻璃断裂度,提高了生产效率,才能在1850~1851年短短几个月为英国水晶宫(CrystalPalace)的建造提供大量平板玻璃;

  b.1856年弗雷德里克·西门子(FriedrichSiemens)改进了熔炉专利,使操作流程更加合理及燃料减半,玻璃价格大幅下降;

  c.19世纪末20世纪初,美国约翰·H·吕贝尔斯(John·H·Lubbers)研究出一种机械工艺,将吹制和拉延两种方法结合起来,能生产出12米长,直径800mm的玻璃。

  2.2.3二十世纪

  1902年埃米尔·弗克(EmileFourcault)成功发明了将玻璃熔融物直接拉延的工艺(垂直法),出现了机器生产光亮的玻璃板;

  1906年利比·欧文斯(LibbeyOwens)发明了水平法玻璃生产工艺:缓慢地用一个抛光的镍合金辊轴把玻璃熔液牵引成一个水平的平面,在一个60米长的冷却槽内冷却至手能触及的温度,然后按尺寸切割。这为拉伸法浮法玻璃的生产提供了重要的理论和实践基础。

  玻璃在建筑中得到大量的应用,与20世纪中叶两个基本前提有密切关系:

  前提一:法国圣戈班(Saint-Gobain)公司利用爱德华·贝内迪克特斯(EdwardBenediktys)于1909年获得的专利制造夹胶玻璃;以及从1929年就开始实践的,利用预压玻璃方法形成坚韧的安全玻璃。

  前提二:1955年阿拉斯泰尔·皮尔金顿(AlastairPikington)爵士发明了浮法工艺:利用熔融玻璃液漂浮在锡液表面上形成平整的玻璃板。这种方法对制造优质大规格玻璃是革命性的。

  3.玻璃应用建筑的重要发展阶段

  考古发现,在罗马时代的庞培(Pompei)和赫库兰尼姆(Herculaneum)两地的别墅和公共浴室,首次将玻璃应用到建筑的围护结构中。这些玻璃面板有些无框,有些放置在钢框或木框里,规格大致为300mm×500mm,厚度在30~60mm之间。这些窗户用玻璃面板采用铸制拉延法生产:将粘稠的玻璃液先泼到装有沙子的框架桌面上,然后用铁钩拉延伸展。

  3.1哥特式建筑时期

  北欧哥特式建筑时期是第一个真正意义上的玻璃建筑时代,最明显的建筑风格就是高耸入云的尖顶及窗户上巨大斑斓的玻璃画,基督大教堂是哥特式建筑的代表(图2)。哥特式建筑都具有较为统一的基本特征:石头框架、扶壁、拱顶和彩色玻璃。在哥特式建筑中,石头框架只存在压力,材料受拉情况很少出现;拱顶和扶壁带给人们对于环形空间的全新感受;巨大的玻璃窗子全是装配而成的,小块的玻璃靠金属制成的框格将他们组合在一起,形成一面彩色玻璃墙。阳光透过窗户的彩色玻璃射入屋内,显得神圣而美丽,玻璃窗成为内部与外部、上帝与人的过滤器。花窗玻璃造就了教堂内部神秘灿烂的景象,从而改变了建筑因采光不足而沉闷压抑的感觉,并表达了人们向往天国的内心理想。米兰大教堂

  3.2巴洛克式建筑时期

  巴洛克式建筑所关注的是空间的韵律和生动的画面并可将其扩展至无限,光在这方面起了一个十分特殊的作用(图4)。透过宽敞的窗户和门的开口进入的明亮太阳光取代了哥特式教堂内分散的神秘光源(图5),光不但产生空间,还成为取消空间界限的手段。空间失去了它的物质特征:取消了空间的限制,用于分隔内部与外部厚重墙壁消失在背景中,墙壁变成了大的连续的金属框架,使建筑物与自然、内部与外部融为一体。这些结果表明巴洛克式建筑将会获得越来越重大的意义,开放式建筑的日益增加的趋势会导致对玻璃的巨大需求必然会促进玻璃制造技术的进步。圣卡罗教堂及其宽敞的窗户

  值得特别说明的是,在英国都铎建筑时期,建筑师罗伯特·史密斯松设计的哈德维克办公厅(图)和沃克索普宅邸建筑(图),是首个“玻璃比墙还多的建筑”:建筑立面上布置了比率极高的窗子,主立面大部分都是巨大的玻璃窗组成,巨大的玻璃窗被轻便的石头窗棂分成若干块。玻璃窗外形既有平面的也有曲面的,而且大部分玻璃窗并没有可见的支撑构件。

  

哈德维克办公厅

  


  3.3温室建筑时期

  温室建筑的发展从16世纪末延续到19世纪中叶,在建筑发展的历史中占据着重要地位,它没有任何希腊式建筑或者哥特式建筑的痕迹。劳顿(Lawton)在1832年出版的《村舍、农庄和别墅建筑百科全书》对温室建筑设计原理的关键内容作了如下描述:温室上除了普通的熟铁窗格条以外,没有任何其它的主、次梁来加固屋顶,在安装玻璃以前,一丝微风都会整个结构从头到脚的晃动起来,一旦装上了玻璃,整个建筑就会变得足够坚固了。由此看出:看似易碎的透明玻璃面板实际上重要的受力原件,它加强了整个结构的刚度和稳定性。

  在建筑发展历史中,由约瑟夫·帕克斯顿设计、于1851年建于伦敦海德公园的博览会建筑---英国水晶宫(CystalPalace)占据了中心地位,显示了建筑形式和风格上的超前思想。英国水晶宫

  3.4工(商)业建筑的启蒙式应用

  从19世纪中期开始,商业街廊逐渐流行起来:它并不具有玻璃屋顶的建筑内部,实际上是有遮蔽的内部街道,沿着街道两边是真正建筑的商业门面。玻璃和钢铁的绝妙组合而成的玻璃屋顶可以保护人们免受风雨的侵袭。由朱塞佩·门戈尼(GiuseppeMengoni)于1861年设计、修建于1865年到1877年之间的维多利奥·玛努埃莱二世街廊(VittorioEmanueleⅡ)是现代密封玻璃购物中心的先祖(图9),它采用19世纪流行的商场设计,顶部覆盖着拱形的玻璃和铸铁屋顶,两条玻璃拱顶的走廊交汇于中部的八角形空间。维多利奥·玛努埃莱二世街廊

  工业革命期间,钢铁作为建筑材料的出现以及铁框架的发明为建筑物的外观设计开创了一个全新的天地。在这期间,建筑外墙大大降低了其承重功能,框架结构能将楼板承受的荷载直接传递给梁柱,使进一步开放外墙构造成为可能,直至最后仅用玻璃围护结构悬挂在框架结构外面,作为建筑物内部与外部的分界。1848年工程师詹姆斯·博加德斯(JamesBogardus)用预制的柱子和铸铁制造的窗格取代了五层楼的工厂的砖石建筑外墙,这种预制的系统为建筑外墙设计开创了一个新的领域。

  科学研究发现空气、阳光对身心健康有积极影响,将它应用于工厂建筑,有助于提高生产力,这一理论大大促进了全玻璃建筑物出现在工业建筑的正立面。1903~1911年,在德国Giengen的玛格丽特·斯蒂夫股份有限公司工厂东部的建筑正立面(图),由延展到有三层楼高的半透明玻璃板构成。

  1911年,沃尔特·格罗皮厄斯(WalterGropius)在德国莱内河畔艾尔弗雷德的一座工业建筑德国法古斯鞋楦厂部采用了一片玻璃墙,它采用了薄而透明的玻璃材料,突出于砖砌的梁柱表面,没有任何承重功能。斯蒂夫工厂和法古斯鞋楦厂

  4.玻璃幕墙的出现与发展

  被国际公认的最早应用玻璃幕墙的建筑是由威利斯·杰斐逊·波尔克(WillisJeffersonPolk)设计、于1918年建成的美国旧金山哈里德(Hallidie)大楼(图),它采用钢筋混凝土结构,玻璃幕墙挂在伸出外墙轴线3英尺的悬臂水泥板上,它具备了现代建筑幕墙的所有特征:具有玻璃面板和支承玻璃面板的结构体系、相对与主体结构有一定变形能力、不承担主体结构所受作用。

    在20世纪50年代,由于高层建筑的发展,玻璃幕墙作为外维护结构在美国得到了长足的发展。由彼德罗·贝鲁奇(PietroBelluschi)设计、于1947年建成的美国波特兰市的公平储贷大厦(TheEquitableBuilding)是世界上第一个采用玻璃幕墙的高层建筑(图)。由SOM公司设计、于1952年建成的美国纽约利弗大厦(TheLeverBuilding)是世界第一个最具完整意义采用玻璃幕墙的高层建筑(图):a.玻璃和不锈钢框架安装在建筑物的正立面;b.与主体结构脱开,悬挂在主体结构上。

    5.玻璃幕墙发展史上的历史人物

  作为二十世纪中期世界上最著名的四位现代建筑大师之一,密斯·凡德罗(Miesvanderrohe)和沃尔特·格罗庇乌斯(WalterGropius)对世界建筑幕墙的发展作出了巨大的贡献。

  密斯·凡德罗坚持“少就是多”建筑设计哲学,它的贡献在于通过对钢框架结构和玻璃在建筑中应用的探索,影响了全世界。其早在1919年就完整的提出玻璃幕墙摩天大楼建筑方案(图16),开创了人类用玻璃作幕墙的先例。全球第一栋高层玻璃帷幕大楼西格兰姆大楼便是出自密斯·凡德罗之手。

  密斯·凡德罗被誉为钢铁和玻璃建筑结构之父,玻璃幕墙的缔造者。

  沃尔特·格罗庇乌斯崇尚混凝土、钢铁和玻璃简约建筑风格,是现代主义建筑学派的倡导人之一,他令20世纪的建筑设计挣脱了19世纪各种主义和流派的束缚,开始遵从科学的进步与民众的要求,并实现了大规模的工业化生产。其于1911完成的法古斯鞋楦厂,不但开创了现代主义建筑显赫,同时具有鲜明的现代建筑幕墙特点,被誉为玻璃幕墙的开创者。“萨克森—安哈尔特州德绍包豪斯建筑(图19)”,它建于1925—1926年,主张并倡导“机械化大量生产建筑构件和预制装配”的建筑方法。

  6.点支式玻璃幕墙发展简史

  6.1理论初现

  20世纪50年代期间,德国著名的科学家奥托·哈恩(OttoHahn)研究出一种将玻璃悬挂起来的形式,避免玻璃由于自重产生过大的变形,历史上称呼其为“哈恩玻璃悬挂系统”。1956年他为戴姆勒股份有限公司在维也纳的汽车展览室提出了类似的设计方案,然而由于种种原因没有实现。

  1964年,建筑师亨利·伯纳德(HenriBemard)设计并建造完成的巴黎广播大楼,约4米高的玻璃面板由黏结在后面的玻璃肋支撑,具有较强的抗弯能力。安装在铰接轴承上的夹具夹住玻璃,确保荷载由独立的悬挂点分担。这是世界上第一个吊挂式玻璃幕墙,也是点支式玻璃幕墙萌芽的开始。

  6.2玻璃与金属连接构造技术进程

  点支式玻璃幕墙,最重要的是要解决玻璃与金属连接的构造问题。到今天,玻璃与金属连接构造经历了六种连接形式。

     第一种:标准螺栓式

  a.玻璃的重量全部由玻璃开孔的周边来承受;b.不允许玻璃与主体结构存在任何位移。

  第二种:连接夹板式

  a.玻璃的重量由玻璃与夹板间的黏结物及其摩擦力承受;b.不允许玻璃与主体结构存在任何位移。

  第三种:沉头螺栓式

  a.玻璃的重量和荷载由沉头孔周围区域承受;b.不允许玻璃有位移,对玻璃钻孔精度要求较高。

  第四种:栓板组合式

  a.玻璃的重量由柱栓承受,其它荷载由沉头孔周围承受;b.为了获得所需位移,可以将该构件与铰接装置耦合在一起。

  第五种:皮尔金顿平式体系

  a.支撑点连接部位采用柔性垫圈,允许支撑点与结构有一定的相对位移;b.使弯曲玻璃和螺栓可以平移。

  第六种:铰接螺栓式

  这是目前点支式玻璃幕墙中广泛采用的球铰连接方式,与前五种连接方式比起来具有革命式的进步,它解决了玻璃不承受弯曲荷载和扭曲荷载的问题。

  6.3理论及支撑体系技术进程

  吊挂式玻璃幕墙在1971~1975年经历了更一步的发展,建筑师诺曼?福斯特(NormanFoster)与玻璃制造商皮尔金顿合作,1975年在英国伊普斯威奇(Ipswich)建成的威利斯?费伯?杜马斯大楼(WillisFaber&Dumas),采用了半肋夹板连接的方式,三层楼高的玻璃面板从屋面顶部一直悬垂下来,玻璃肋悬挂于每层楼板,在每层楼中部连接,支撑玻璃面板,承受风荷载,已经具备了现代点支式玻璃幕墙的雏形。威利斯?费伯?杜马斯大楼

  半肋夹板连接采用了栓板组合式,对折线组成的连续玻璃表面也进行了特殊的构造处理,这在吊挂式玻璃幕墙玻璃与金属的连接构造上是一个不小的进步。建筑师诺曼?福斯特(NormanFoster)与玻璃制造商皮尔金顿合作再次合作,于1982年在英国斯温登雷(SwindonRenaultCenter)首次将金属件固在玻璃面内------即皮尔金顿平式体系。

  单层玻璃不是悬挂而是通过螺栓连接在支撑的钢梁柱上,连接采用的皮尔金顿平式体系驳接构造,在点支式玻璃幕墙的发展过程中具有里程碑式的重要意义。可以说是世界上第一点支式玻璃幕墙工程,比我国第一个点支式玻璃幕墙提前了13年。

  建筑师阿德里安(AdrienFainsiber)于1980~1986年完成设计,并于1986年在法国拉维莱特建造的城市科学博物馆(图),是世界上第一个完整意义的点支式幕墙,也是世界上第一个索结构点支式玻璃幕墙。

  采用索桁架结构支撑体系,开创了索结构体系应用于玻璃幕墙的先河。玻璃起到了一定的结构作用,因为索结构支撑体系与其连接后,获得了自身的稳定性。

  玻璃采用12mm单片玻璃,每块约2平方米左右,悬挂在顶部结构预应力弹簧结构上。在玻璃与连接中首次完整、系统的设计并使用了万向球铰,其构造原理一直沿用到今天。

  法国拉维莱特城市科学博物馆比我国第一个索结构支撑体系的玻璃幕墙提前了14年。

  7.我国玻璃幕墙的发展

  改革开放以后,随着与国外交流的日益频繁,国外一些先进的建筑科技和技术逐渐的被引入国内,建筑幕墙技术经过国内的消化、理解和吸收,在我国得到了长足的发展。目前,无论从幕墙规模还是产量,我国正从幕墙大国向幕墙强国迈进。

  1981年,广州广交会展馆落成。在广交会展馆正立面出现了国内第一片玻璃幕墙工程,具备了现代玻璃幕墙的特征,可以作为我国玻璃幕墙时代的开始(图)。

    北京长城饭店是我国首家中外合资五星级饭店,由美国培盖特建筑设计事务所设计,北京市第六建筑工程公司施工总承包,于1981年3月10日开工,1984年6月20日建成投入使用。是我国真正具有代表意义的玻璃幕墙工程,单元式明框

玻璃幕墙,全部从国外进口。

  北京长城饭店是目前国内行业公认的我国最早的应用玻璃幕墙的建筑,但从时间上来看,它比广州广交会展馆投入使用时间要晚。

    正是改革开放的契机,引发了我国一个全新产业建筑幕墙业的诞生。90年底成为发展高峰期,迄今,我国建筑幕墙产业在生产、使用及输出上已经位居世界第一。


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