Tim Macfariane

Principal, Dewhurst Macfariane and Partners
Consulting Civil and Structural Engineers
Dewhurst Macfariane and Partners 主持人
土木與結構工程顧問公司

過去一百年，人類的生產工具有了巨大的變化。兩百多年前，一片4米x2米的玻璃板需由坩堝以手工加工，過程中為避免破裂，必須在平面金屬底床上小心地退火。經過退火的過程，還需以手工磨拭才能去除表面的瑕疵以生產出透明平板玻璃。這種形式與尺寸的玻璃今天仍可生產。不過，當時的造價超過15,000元美金。

今天，大型浮式玻璃的製造廠已能大量生產25釐米厚、3.6米寬、12米長甚至更長的透明玻璃。一片4米長，2米寬的玻璃板現只需500元美金。

由浮式法所製造的平板玻璃可再經熱處理或強化的程序已增加其強度。一般7米長，3米寬，厚度25釐米的玻璃板可以這種方式強化。另一種玻璃強化的方式是透過化學強化處理。這種方式的花費雖較高，但適用於以熱處理方式會破裂的奇特形狀玻璃，這種方式不會造成熱變形。

平板玻璃與強化玻璃可膠合為多層板，以樹脂夾層將玻璃膠合，厚度可達100釐米，這種做法可使玻璃一旦發生破裂仍可維持完整不致脫落。膠合玻璃可保持抗張強度至攝氏70度，其所增強的特性可作為複何材料之玻璃板，具有破裂時仍能維持其結構強度的特質。

平板玻璃以加力或自重彎曲可作成雙曲面玻璃，也可在處理成化學強化玻璃後再膠合。在光線與隔熱控制方面，玻璃可藉由金屬鍍膜如低輻射玻璃，可隔絕熱幅射。高反射通常用在熱帶地區，然其常造成反射影響駕駛人或行人視線。隔熱的手法還有漆板玻璃，將陶瓷漆以網板印載玻璃上，再以高溫將其熔入表層，圖樣可配合設計之需。

有色玻璃也可運用於隔熱與防炫光，炫光通常會影響電腦螢幕的視覺環境。穿透性需求較高的空間如博物館或商店櫥窗，則經常採用低鐵玻璃。由於製造過程中所需要的熔點較高，這種玻璃較一般鈉鈣玻璃的造價為高。

雙層玻璃由8到16釐米寬的中空層以節約能源。中空層填以氬氣或氪氣可提升節能效果。若在稍寬的中空層裝入不透明材料或可控制的百葉片，則可調整光線與節能。日本一家廠商與澳洲大學合作開發了一種高效能雙層玻璃，在玻璃板間設置不到一釐米的真空層，由極小的格狀鋁片區隔。這種雙層玻璃所能達到的絕緣值相當高，一旦在價格上具有競爭力，則將成為節能材料市場上極具潛力的新產品。

玻璃尺寸的寬度限制為3.6米，長度則受限於搬運與切割的機器，事實上，大部份的玻璃為配合製作與運送過程，一般最大尺寸為6米x3米。經過必須之處理程序，一般玻璃板能使用的尺寸為4米x2米。當然，為配合特殊的尺寸，還是有特殊的製造程序能生產突破這些尺寸限制的玻璃板，新的製造機具也不斷地研發以增大使用尺寸。

設計之創新
玻璃結構的特性早已是許多私人公司致力於研發的對象， 如Pilkington、Corning與Asahi。直到目前仍無國家標準可供參考(現今只有歐洲有標準草案)，關於這門設計技術的研究發展與資訊整合相當重要。一般顧問工程師所能獲得的技術性資料不多，一般校園也無針對玻璃工程師的養成，因此工程顧問公司對玻璃結構設計的資訊並不充足。雖然一些生產製造單位會出現創新設計，也有許多優秀的工程設計師開發出優良的產品，然其創新的程度往往受限於廠商現實或財務利益的考量。為了創造最大的利潤，與其每一種產品都得因為建築師或顧問工程師有新的想法而更改生產技術，不如以一種技術生產各種產品。若是能建立一種模式，使顧問工程師與建築師均願意用來發展設計，若是小規模的實驗性構想一開始能被小型承包商實踐，以發展一些特殊的設計，一旦成功則更大的廠商也會採用此一模式。

Dewhurst Macfariane公司首件玻璃結構設計作品為倫敦Sloane街商店The Joseph Shop的樓梯間(圖1)。由建築師Eva Jiricna設計，於1990年完工。這座樓梯的梯階由19釐米厚的平板玻璃，表面以噴砂處理作為止滑與緩和視覺。玻璃板下方設置15釐米厚之壓克力板作為預防玻璃碎裂之安全設計。此系統適用於小跨度，較長跨度時則需二道多組19釐米或25釐米厚之玻璃板，可將兩片或多片的平板玻璃膠合，且需確保玻璃板的四邊支撐。

倫敦St Martins巷的Now and Zen餐廳(圖2)設置3.6米x1米之玻璃地板，由炳烯酸樹脂膠合兩片19釐米厚的平板玻璃，以每平方米5KN均佈載重設計，只要四邊支撐穩固，一旦兩片玻璃均破裂，依然確保結構安全。本案於1990年完成，由倫敦建築師Rick Mather設計。經過測驗，將兩片厚19釐米之玻璃板以樹脂與熱可塑性樹脂(PVB)膠合，若支撐部位僅剩兩端，兩片玻璃在中央或靠近中央的部位一旦破裂，結構隨之破壞。

90年代晚期，Du Pont公司發展一種名為Sentry Glass Plus之膠合材料，強度比PVB樹脂高，且能維持物理性能至攝氏70度。以這種材料進行前述兩端支撐之試驗，發現在四片玻璃膠合的狀態下，四片玻璃均破裂時，結構不會破壞。依據這個實驗的結果，運用於2.4米寬的梯階，以四片平板玻璃膠合為50釐米厚之玻璃，頂板以酸浸蝕刻紋作止滑用且容易清洗。進來許多樓梯採用這種技術，如最近在日本大阪的蘋果電腦專賣店，將這種玻璃梯階運用於店內一座螺旋梯。

玻璃梯階與樓板的設計所累積的技術後來運用在發展以膠合玻璃樑柱所組成之單坡橋門構架。此膠合玻璃構件之結構由三組

玻璃樑達成，且設計為各玻璃構件破裂時仍可維持整體結構穩定。樑柱接點採用如木構架般之簡單榫接。整體構造之側向穩定度由玻璃牆板與玻璃間之結構矽膠所提供。英國 Kingswinford 之 Broadfield House  玻璃博物館為本技術之最大型實例運用。本案完成於1994年，建築師為Le Plan。屋頂樑間隙1米，跨距6米，柱高3.5米(圖3、4)。

為日本東京劇院的有樂町遮篷。由建築師Rafael Vinoly所設計，欲創造一個十米長的玻璃懸臂構造。本案以四列平行相扣的膠合強化玻璃片組成懸臂樑，各接點可傳遞桿件間之剪力與彎矩，每個玻璃桿件接點可乘載12KN之最大剪力。藉由一系列的測試以找出可承受之最大載重，我們很驚訝的發現，厚度19釐米之玻璃平板挖鑿72釐米直徑之孔洞，能夠承受120KN之載重。這座遮篷於1996年完成，其設計風載重為每平方米5KN與最高標準之地震載重。(圖5)

沙烏地阿拉伯利雅德之AUDI Cube為我們與建築師Nabil Fanous合作之作品，於1997年完工。此座8米之立方體為圖書館的閱覽室。各樑構件以四向之摩擦來夾緊螺栓連接。樑構件由兩片PVB膠合強化玻璃組成。玻璃層板間連接點的位置以鋁板固定避免摩擦夾緊螺栓內部的蠕變與拉伸變形。15釐米厚的強化玻璃板在立面上一塊疊一塊，背面再以矽膠附著於梁柱構件上。(圖6、7)

近年，垂直玻璃結構牆逐漸受到重視。新墨西哥的Sate Fe，建築師Mark du Bois所設計的住宅，採用一種高3.6米的玻璃牆板系統支撐一座鋼構架屋頂。本案牆板採用以19釐米強化玻璃為中間板，兩側各加10釐米熱增強玻璃之膠合玻璃。膠合材料採用PVB樹脂，經六次工作荷重測試完成。(圖8)

裝置藝術作品也對玻璃結構作了一些有趣的嘗試與挑戰。Vong Phaophanit作品The Ash and silk wall，為一座將火山灰與橘色絲線膠合至玻璃板的全玻璃結構(圖9)。這座雕塑品豎立於倫敦格林威治(圖10)，由Gerry Judah所設計位於英國伯明罕的車展結構，運用強化膠合玻璃構成垂直懸臂牆，展示車以螺栓固定於玻璃板上懸臂而出。

總結
就許多方面而言，由於建築規範與可運用法規的缺乏，使我們得以在不受既有原則的束縛下，徹底的運用並發揮工程規則。也因此，在眾人的驚歎聲中，很多時候連我們自己也感到驚訝，我們總是能一再地證明我們運用的原理在結構分析上所展現的有效性。

我認為我們還在開發玻璃這個相當特殊的材料之初始階段，我們也非常榮幸能與許多具有遠見與勇氣的建築師與業主合作，共同探索這個未知的領域。我個人對於這個結構性材料的發展相當有興趣，過去這些努力也提供我一個嶄新的視野，思索工程顧問在設計過程中能夠扮演且應該扮演的角色。