不要誤以為我要開始研究玻璃結構了，絕對沒那個意思。只是難得去一個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，但還真沒在國內看過他的作品。然而一查地圖，太遠了，沒時間去。。。然后想起來幾年前曾擦肩而過的Apple Westlake，也不錯呀，是前前前男神Norman Foster的作品，聊勝于無吧。然而上網一查，興趣濃度立即提升一百倍。不是因為正立面的11塊大玻璃是從德國運來的，每塊價值60萬美金，蘋果有錢愛zuo跟我沒關系；而是因為居然有人說那個正立面的玻璃幕是承重構件，甚至把它稱為玻璃結構！玻璃結構！！！
因吹絲停！
我對玻璃結構有這么大的反應是有原因的。對我在地震工程學術研究方面有深遠影響的Master Yoda，哦不，Professor Wada除了給我植入了‘You must study hard’的觀念之外，還植入了一個更專業一點兒的觀念：
Glass is the last material you want to use in a structure.
為什么呢？因為它脆。給學生們講脆性材料，舉例子，第一是粉筆，第二就是玻璃。這下來了個玻璃結構，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？職業病好討厭的。
不過這次我還真沒把抗震放在心上。對于結構而言，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在英文中已經成為三腿凳的代稱。為什么是三條腿呢？因為三點確定一個平面。
假設擠奶的小姐姐體重600N，大概120斤吧，是不是有點兒胖了？Milk maid好像普遍都胖。當她坐在三腿凳上時，盡管地面坑坑洼洼不平整，三條腿總會同時著地，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？或者因為地面不平，只有三條腿同時著地，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，同時著地的經常只有兩條腿，這時每條腿承受的重量是 600N / 2 = 300N，反而比三條腿的時候受力更大！假設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，會發生破壞，力又由剩下的兩條腿承擔，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生較大的變形而不喪失承載力，四條腿之間會發生內力重分配：先著地的兩條腿各承受200N的力并發生變形（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。
根據塑性分析理論的下限定理：
對于一個結構，任意假設一種內力分布，只要它與外力作用相平衡，并且各處的內力均不超過各個構件的承載力，則與之平衡的外力總是小于等于實際承載力。
在小奶凳的例子里，雖然我們根據理想平整地面所得到的內力分布（下圖左）跟實際的內力分布（下圖右）很不一樣，但因為前者符合下限定理的條件，所以它對應的外力（600N）總是小于等于實際的承載力（對于本例，實際承載力是800N）。
換句話說，結構的塑性變形能力使結構的承載力對邊界條件不再那么敏感性。然而玻璃很脆，它對邊界條件太敏感了。
“玻璃結構”是怎么解決這個問題的呢？在此之前，德國的Geralt Siebert教授承包了我關于玻璃結構的所有知識。
去年冬天，Siebert教授帶著他強大的老婆Barbara Siebert來日本玩兒，順便給我們做了個報告，題目是“Glass as Structural Element”。我總結就是兩招：一夾二墊。
夾
你是不是和我一樣以為玻璃結構一定要用鋼化玻璃？其實鋼不鋼化沒那么重要，重要的是夾膠！先簡單科普一下玻璃的種類。
最普通的就是浮法玻璃（Float glass）。它的強度其實也還好，但非常脆，看似光潔平整的表面其實布滿微裂縫。在外力作用下微裂縫悄無聲息地擴展，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。
對玻璃進行熱處理可以使玻璃表面具有一定的初始壓應力，從而減緩表面微裂縫的擴展，于是提高了玻璃的強度。根據加熱后冷卻速度的不同，以及與之相伴的表面壓應力的大小不同，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。
鋼化玻璃的強度遠高于浮法玻璃，半鋼化玻璃介于二者之間。鋼化和半鋼化玻璃破碎的形態大不一樣。剛化玻璃因為表面初始壓應力較大，一旦自平衡的應力狀態被破壞，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喲。它指的是多片玻璃通過膠層粘合成一整片。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。用于結構構件的玻璃，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成了主流的結構木材；Laminated glass又解決了結構玻璃安全性的問題。一招鮮，吃遍天。
墊
鋼化只讓玻璃變得更脆，夾膠其實也沒有解決玻璃變形能力過小的問題。對此，Sieber教授的忠告是：
永遠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，實際上并沒有增加結構的塑性變形能力。墊塊當然有助于減小玻璃邊緣的應力集中，也可以使結構發生更大的變形，但那也不過是彈性變形能力。仍然不能適用下限定理。
那么，怎么讓玻璃結構戰勝邊界條件的不確定性呢？
目前我能想到的辦法：要么只做靜定結構；要么使用很高很高很高的安全系數。真想不出別的辦法了，求拯救
最后說一件令人沮喪的事情。費了半天勁兒一直在說玻璃結構玻璃結構玻璃結構，但可能它跟Apple Westlake沒什么關系，因為它根本算不上一座玻璃結構——價值660萬美金的玻璃面板并不承重。當然啦，那片幕墻還是要承受自身的重量以及風荷載的，但是據目測，它不承重其他豎向荷載。
從結構的剖面圖上看，銷售大廳頂部的屋面采用了和夾層樓面同樣的做法——鋼結構懸臂出挑。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。通體透明的玻璃結構還是很吸引人的。看看同樣的Foster設計的位于土耳其伊斯坦布爾的Apple Zorlu Center的玻璃盒子，不要放棄夢想。
（Source: www.fosterandpartners.com）
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