談 結構玻璃 之應用
楊勝德1、邱尚孝2、游其海3、楊文賓4
1建築師/結構技師/土木技師、234楊勝德建築師事務所
前言
建築物空間講求通透明亮時,就會使用大面積開口或玻璃。用大面積玻璃來遮風蔽雨,從背擋玻璃,爪具玻璃到結構玻璃,逐漸演進(圖1、圖2)。
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圖1 爪具玻璃一 | | 圖2 爪具玻璃二 |
結構玻璃最經典作品,為巴黎羅浮宮主要入口之玻璃金字塔,1989年建造完成,非常完美的構造,結構系統利用三度空間桿件與鋼索,構成穩定系統;32年前的作品,工藝的極品,令人讚賞(圖3)。
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圖3 羅浮宮出口倒金字塔 |
結構系統
本文介紹實例為一電子廠房入口處,設計初始追求通視,不想拘泥於單面大玻璃呆板現象,特意於平面配置造成轉折(圖4),增加視野的寬度。
結構系統採二分法,垂直半月型鋼管桁架、及垂直鋼棒桁架,為一次系統(圖5),水平鋼索桁架為二次系統(圖6)。一次系統與二次系統,主從關係明確,密不可分,整體系統容易製作安裝。
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圖4 廠房入口、講求明亮通視 |
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圖5 垂直鋼管、鋼棒桁架 | | 圖6 水平鋼索桁架 |
應力分析與斷面設計
玻璃面,受風力正壓力與負壓力兩種狀況分別檢討,鋼索只能承受張力,其他桿件可以承受張力或壓力,結構分析模型,如圖7。經過應力分析,得知桿件之應力大小,再加以斷面設計;為求視覺通透,桿件斷面採最小化為原則。半月型鋼管桁架垂直弦桿,採用∮89×4.5mm,其他桿件採用∮60×4.5mm;鋼棒桁架,採∮35及∮25鋼棒(圖8);鋼索桁架也是在受力許可範圍內,採用最小鋼索斷面∮12mm,但是所有桿件、鋼索,安全係數都在3倍以上。
不管一次系統或是二次系統,邊界條件的穩定都不可或缺,系統邊界元件,錨定在建築物主體鋼構構件,結合強度與可能的變位,都要加以檢視,力求穩固(圖9)。
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圖7 結構分析模型 |
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圖8 桁架接合細部 | | 圖9 鋼索桁架錨定在主體鋼構牆面 |
設計演變
值得探討的是,垂直鋼管桁架系統設計過程演變,先有傳統H型桁架構想,再有梯型桁架構想,為求美觀,最後轉換成半月型桁架(圖10)。
專業顧問之設計圖說為梯型桁架,然而發包圖說為半月型桁架。實際製作半月型桁架吊裝玻璃時,無法完成大面積玻璃穩定密合,時有鬆動變形,最後是經過結構技師的努力,重新研判分析:第三層(EL.+7525)水平鋼索桁架尺度有問題,並指出關鍵桿件(圖 11、圓框所示)之長度需求(圖 12、圖 13);改善方法為增加一小小桿件,才解決紛擾事件。
爪具檢驗與鋼索張力檢測
最後,爪具的精密度要求與強度要求,皆須經過實驗室檢驗,驗證符合設計需求。
鋼索應事先實施預拉力需求,預拉力大小為設計最大應力之80%,系統按裝完成,應經檢測張力,是否達到設計要求。