这里是芝加哥――如果你想亲身体验一下玻璃在建筑结构上的神奇应用,那就请到芝加哥市中心南瓦克尔大道233号去。更确切地说,是到南瓦克尔上空1353英尺处，即西尔斯大厦的103层。站在那儿,几步之间就可到达西墙,可那儿的外墙已被拆掉。你要再多走一步，就会跨出边缘。
此时你会发现，原来是站在透明的玻璃地板上,它悬空在离地面人行道约四分之一英里的高度上。如果你有恐高症，不敢挪动你的脚步向下张望,那就抬起你的目光向外望――外墙和天花板也都是玻璃的，完全通透。
风格迥异的玻璃建筑
实际上，你已经来到了一个透明的“水晶盒子”里,在大厦的四个角上，各有一个这样的“水晶盒子”。你所在的是四个盒子之一，它吊挂在悬臂式的钢梁上。玻璃墙用不锈钢螺栓同玻璃地板相连接，并固定在梁上。但真正保证你安全的也恰恰是玻璃本身。
这几个才对外开放不久的玻璃盒子,是大厦观景平台的扩展翻修部分,是最新、最风格迥异的采用玻璃为承重部件的工程。但采用全玻璃结构总有点儿大胆,似乎存心要挑战下面这个难题:能否用玻璃来作为建筑物的结构部件?
能﹗我们完全能用玻璃来实现过去只能用钢材和混凝土完成的工程。在材料学家和软件设计师的协助下,建筑师们正在建造几乎全由玻璃构成的高耸的建筑立面、拱形的穹顶和优雅的立体人行天桥和楼梯。他们使用的是由聚合物制造的层压玻璃，能提高横梁和其他构件的强度和安全性――西尔斯大厦的每一块楼板都是五层的三明治式的结构――对每一平方英寸进行了分析测试，以确保负载在精确的限度内。他们正在试验采用新材料和新方法，旨在某一天用玻璃替换金属及其他的材料。
“我们最终的目标是全玻璃结构，”埃克斯利·奥卡拉汉结构设计事务所的设计师詹姆斯·奥卡拉汉（James O’Callaghan）说。他设计了世界上最著名的玻璃建筑之一――Apple专卖店的楼梯成为了一道夺人眼球的靓丽风景线。
清晰地视野：一项新颖的设计可令参观者们从芝加哥西尔斯大厦103层全方位一览无遗，设计人员采用新的材料和方法拓展玻璃在建筑结构中的应用
总之，材料学家已经认识到，“玻璃只不过是另一种建筑材料，”并已存在于我们身边几千年了。尽管有许多种制造玻璃的方法和工艺，以及玻璃有着许多种特定的用途――譬如制成传导光线的光纤,或制成笔记本电脑显示屏中电子电路的衬底――但在建筑物的结构中无一例外使用钠钙玻璃，因为它们大部分是用碳酸钠、石灰石和二氧化硅制备的。
风格迥异的玻璃建筑物
“多年来,钠钙玻璃的基本成分没有发生多大的改变,”位于纽约州的阿尔弗雷德大学的玻璃研究中心负责人哈里·史蒂文斯（Harrie J. Stevens）说。这与你家的窗玻璃、冰箱中的果酱瓶以及古董店淘来的那种炼丹瓶并无大的区别。
这些是基本材料,但远非如此简单。“当然,玻璃是一种不同寻常的材料,”詹姆斯·卡彭特设计公司的詹姆斯·卡彭特（James Carpenter）说,“说它不同寻常，是因为我们并没有真正了解它。”卡彭特专司玻璃立面和其结构的设计，并在1970年代担任玻璃制造商康宁公司的顾问。
改进传统的生产工艺
玻璃究竟是固体还是液体？长久以来一直存在争议。现在我们通常将其称之为非晶态固体，因为没有证据证明它在极其缓慢地、随着时间的流逝而像液体在流动。非晶态结构是在玻璃相变温度下迅速冷却而获得的,对于钠钙品种的玻璃而言，相变温度大约是华氏1000度。
刚成形的玻璃强度非常高，但在成形后就开始失去其在制备时获得的强度。如同一辆新车，因使用过度其价值短时间内会一落千丈。因为玻璃在接触到其他介质，甚至同水汽和二氧化碳相接触，其表面就会形成毛细裂纹。即便你向新出炉的玻璃吹口气,就已经降低了玻璃的强度，甚至一个气体分子也能破坏玻璃中的硅——氧键,产生缺陷。宾夕法尼亚州立大学的材料学教授卡洛·潘塔诺（Carlo G. Pantano）说，虽然玻璃可以承受很大的应力,但张力会使这些细微的龟裂逐渐的扩展。“这就是玻璃破碎的原因，即便玻璃没有破碎也降低了强度。”
涂保护层是避免产生新裂缝的一种解决方法,尽管涂层会影响玻璃的透明度,而透明度正是我们选择使用玻璃的主要原因。史蒂文斯博士说，改变玻璃的配方也能有效阻止裂缝的形成和传播，“我们可以调整玻璃的组成成分以使其更强固。”但这么做也有风险，因为玻璃的其他属性也可能随之改变，并且成本会变得过于昂贵。玻璃建筑的成本本来就不低，西尔斯大厦的玻璃盒子每个耗资平均在4万美元以上。
也可以调整制造工艺,尽可能维持玻璃的原貌。譬如，用于制造笔记本电脑玻璃的技术,是将熔融态玻璃注入一个V形槽内,并从槽的两侧沿槽壁溢出在底部汇合，并在连续不断地流动中逐渐冷却。在这种方法中,玻璃的每一面都是“熔融面”,仅暴露于空气而不与设备的任何部分接触。
为在建筑结构上使用，玻璃常用传统的退火方法进行钢化处理，这种方法令玻璃表面收缩，从而使得裂缝扩展需要更高的张力（平板玻璃最常使用的是热退火方法）。阿尔弗雷德大学的威廉·拉库瑟（William LaCourse）教授认为,这种方法利用了玻璃的一个特性――即玻璃冷却越缓慢，其密度就越大。由于玻璃表面暴露在空气中而快速冷却，因而密度低。但“在内部依然很热，缓慢冷却形成了更致密的结构，这使得表面在收缩。”
而在化学退火方法中，表面的钠离子被尺寸大30%的钾离子置换。这就像提着一只塞满夏天衣服的手提箱，当我们将最上面一层替换成御冬的衣物时，箱子就会难以合上。如果你强行关闭这只箱子，手提箱的接缝处说不定会开裂。玻璃当然不会在接缝处开裂,因而结果就是表面在收缩。
钢化玻璃能保持较长时间的完整,但它依然会碎裂。因为其表面的应力必然会与内部的张力达到平衡,当钢化玻璃破裂时它会形成许多比普通玻璃更小的碎块，是因为更多的裂痕能释放更多的能量。“它越是坚固则碎裂造成的碎片越多,”康宁公司顾问休尔施·古拉蒂（Suresh Gulati）博士说。这一现象的极端例子是所谓的鲁伯特王子的液滴实验(Prince Rupert’s drop)，将熔融状的玻璃滴进水里冷却而形成带有长长尾巴的玻璃小球。你可以用锤子敲击球端，它不易碎，但你剪掉尾巴，则小球会由于张力的释放而炸得粉碎。
座落在东京的透镜般玻璃建筑
创新玻璃建筑连接件
玻璃在建筑结构的应用中,我们当然选择碎得越小越好，因为这能减少造成伤害的机会。但要达此目的，仅仅作退火处理通常是不够的。
我们主要关心的是，当装有玻璃的建筑物一旦构件损坏时会发生什么情况――这就是工程师所谓的“后失效行为”。与钢材和其他材料不同，玻璃不会变形，也不会在失效时出现征兆。如果发生碎裂,最重要的是保持建筑结构的完整，以确保其上或其下人员的安全，因此要采用叠层结构。典型的玻璃板材――西尔斯大厦工程中采用1.5英寸厚――是以薄聚合体夹层粘合。夹层提高了玻璃的强度,万一某层玻璃碎裂,它能使结构保持完整而不会掉落碎片。
但是叠层使得制造用于建筑结构的玻璃非常困难。由于切割钢化玻璃会引起破裂,每一块玻璃板在退火前必须先抛光，并为连接件钻好预留孔。为在组装结构时避免潜在的破坏性应力，所留公差极小。
“这样的要求不难做到，”MTH工业的卢·塞尔尼（Lou Cerny）说。他负责西尔斯大厦的安装工作,那里的公差是十六分之一英寸。“只是没几个人愿意干这个。”难怪那些希望用玻璃建大楼的人期望有一天，他们的建筑结构将不再受金属或其他材料的限制。“我的目标是减少玻璃中连接配件的数量，”奥卡拉汉说。他设计的Apple楼梯用不锈钢，偶尔用钛作为连接玻璃的组件。
某些工程师正在采用不同形状或结构的玻璃来降低对金属的依赖。荷兰代夫特技术大学教授，同时也是比利时ABT商行结构工程师的罗布·尼杰瑟（Rob Nijsse），将大面积波纹玻璃垂直安装于葡萄牙波尔图一座音乐厅的幕墙上和用于比利时安特卫普一座在建的博物馆上。这样的外形有助于玻璃减轻风载。
其他设计者在考虑使用不同种类的玻璃。“有如此多的令人惊奇的玻璃品种可供选择,”卡彭特说。“完全可以将它们的某些特性转为适应建筑的使用需求。”譬如，使用热膨胀系数小的玻璃能将组件焊合，形成事实上连绵不断的玻璃长带。而常规的钠钙玻璃膨胀系数大,焊合会导致引发破坏的应力。代夫特技术大学的研究人员已经对黑玻璃组件进行了实验，但低膨胀玻璃要比钠钙玻璃昂贵许多。
其他工程师们正试图用粘合剂直接将玻璃粘在一起。德国斯图加特的韦纳尔·索贝克工程设计公司的工程师卢西奥·布兰迪尼（Lucio Blandini）在做博士论文设计时，曾在斯图加特一块空地上用粘合剂建造了一个跨度为28英尺的薄玻璃圆屋顶。“我认为粘合剂是最有前途的连接手段,”布兰迪尼说，“它能让玻璃保持其美学的特征。”他的公司正在将粘合剂用到芝加哥大学以及迪拜在建的部分建筑结构中。但粘合剂的长期强度和可靠性尚未得到证明，因此大多数同玻璃打交道的人觉得完全靠粘合做结构还为时尚早。
资料来源 New York Times
责任编辑 则 鸣