高穿透性構造
Mic Patterson
Principal,CEO
ASI(Advanced Structures Incorporated is an international consulting and design/build firm)
ASI, 主持人 (國際設計與建筑顧問公司)
如蜘蛛網上的肥皂薄層，復雜精細而無繁復裝飾的結構體漂浮在一片燈海中。無接縫玻璃層膜橫越大跨距空間，兩端所反射出光彩在周邊不斷回映。這種視覺效果，早就十九世紀的歐洲地區，鋼與玻璃之建筑材料開始被大力運用之際，即是建筑設計者不斷致力所追求的。今日，這個夢想載玻璃構造技術不斷地創新之下逐漸被實現。這些新發展的構造技術，其最大特性高穿透性結構具有那些特性?設計者需透過哪些工具與技術才能予以實踐?
玻璃作為建筑材料
玻璃被運用為一種材料，經過不斷地研究與發展，逐漸擴張其可被應用的廣度。今日玻璃已成為設計師所能選擇，最令人振奮且最具動力之建筑材料。一般建筑材料很少能如玻璃具有如此之廣度羽彈性。相較于金屬或石材，玻璃材料的研發反而成為材料發展與創新之溫床。不斷更新的玻璃制造、膠合材料、鍍膜、貼膜等加工技術拓展了玻璃材料應用的層面。這些發展與不斷精進的工程技術結合后，不論是作為建筑結構或建筑表皮，玻璃作為一種建筑材料之應用已相當廣泛。
不僅是窗戶
玻璃不再是僅能作為包覆性質的建材，經過玻璃強度與藉由多層組合以增強結構性能的開發，玻璃已可被完全運用為一種構造材。從門窗到柱梁、梯階到平臺、樓板到天花板、墻板、室外立面材到屋頂等各部位構造，玻璃已成一種為全面性的建筑材料。 | 
uconn蛛網結構-不銹鋼珠網結構支撐穿孔點支撐隔熱玻璃板。 |
點式支撐玻璃系統
高穿透性玻璃構造的發展仰賴點式支撐系統的研發。這種系統所發展的技術主要為了將玻璃藉由特殊機械裝置固定在構造體上。 玻璃板透過精密計算之螺栓串接固定在主構造體上。串接之各種變化依據螺栓、埋頭螺釘螺栓、外墻無穿透部份穿透螺栓(僅膠合與雙層玻璃)等而異。 另一種系統組合盡量減少在玻璃板上鉆孔，而以吸貼或抓的元件與主構造體串接。這種系統可縮減在玻璃上鉆孔的費用，因此普遍運用于玻璃外墻系統。 本系統的發展，可將玻璃與結構體脫開，透過蛛網狀不銹鋼元件，以玻璃板四角的構件連接。這種作法可減輕結構體之視覺荷重并增加整體之穿透感。 | 
HA-LO大樓高穿透性立面與色板玻璃 - 美國伊利諾州由 Murphy / Jahn Architects 設計之HA-LO大樓，入口與立面上層的墻與屋頂運用低含鐵量玻璃，與其他部位運用的藍色玻璃有明顯之區別。 |
建筑之穿透性
玻璃材料的運用，主要的貢獻在于其所能創造之視覺穿透度，特別是可視光部份。自然條件下，玻璃具有高度之穿透性。這種特性可應用于住宅與建筑空間之自然采光與采景，且可同時提供一道與自然界的防護層。
二十世紀初，玻璃之制造技術提升并降低成本后，穿透性即成為建筑空間所追求之要點。50年代末期，Alastair Pilkington發展了浮式平板玻璃，再次影響玻璃作為建筑材料的應用。
建筑追求穿透性的企圖一直以來從未改變。今日的建筑師擁有釵h高效能的建筑材料與可運用的工具及資訊為建筑構造體創造更高之穿透性。
上海新威斯汀飯店中庭屋頂John Portman & Associates 所設計之上海新威斯汀飯店，施予張力之不銹鋼索桁架作為點支撐無鉆孔隔熱平板玻璃之構造基礎。 | 
Kevin Roche John Dinkloo and Associates 作品 紐約大學Kimmel 中心：特殊訂制之懸吊張力網提供精彩之視覺效果。 |
創造穿透性之技術
砂是玻璃的生產原料。氧化鐵作為砂中的微量雜質使玻璃帶著淡綠的色調，也降低了玻璃的穿透度。因此，新的技術發展，致力于降低玻璃在制造過程中的微量雜質，逐漸開發初低鐵玻璃，這種產品又稱為超白玻璃。這種減少原料中的氧化鐵成份所發展的制造技術減少了玻璃的淡綠情形，且大幅提高了玻璃的穿透性。顯然，低鐵玻璃據有高度的穿透性能。
玻璃作為建筑材料的另一種優點在于其反射的特性。鍍膜玻璃依光線的入射角度反射光線，(入射角越大，反射角越大)， 如所謂的鏡面鍍膜可憎加反射的性能。事實上，一般的玻璃就具有反射光線的特性，我們能夠看到玻璃的存在即是透過反射作用。若是沒有反射的作用，玻璃自身的視覺感將會降低，穿透性即會增加。在各種玻璃表面鍍膜的技術中，降低反射光即是其中的一種�？狗瓷溴兡そ档筒ＡП砻娴姆瓷涔�，特別是靠近垂直玻璃表面的方向。這種手法主要為了增加玻璃的穿透性，特別是正面上的視覺感受。
穿透性與張力構件
玻璃作為建筑物立面之穿透性材料可降低結構體的質感，張力構件也因而大量地被運用。若構造體地荷重能藉由結構桿件傳導張力，其桿件尺寸將能大幅縮小。舉例而言，10公分之管狀壓力構件往往能夠由直徑1公分以下之鋼索或張力桿件取代。依據承載狀況，2公分之鋼索若適度施予預張力作為鋼索結構系統的一部份，則可作為跨距30公尺以上玻璃立面之支撐。
這種現象已大量被運用在穿透性高之大跨距玻璃立面，透過精細之張力結構作為主要之結構支撐。張力鋼索與結構桁架以被大量地運用在點式支撐玻璃系統的配置中，其運用從大跨距玻璃墻面、屋頂，至特殊訂制需搭配壓力構件共同組成之鋼索結構。
圖中所示之鋼索桁架覆挽菪埌ohn Portman & Associates所設計之上海新威思汀飯店大廳。此玻璃屋頂跨距30公尺，雙層與膠合玻璃采用最新抓附技術，藉由穿透玻璃板接縫之薄片，透過點支撐玻璃無需鉆孔。
近年來，穿透性的追求使得鋼索構造被大量運用于大跨距空間。其基本形式為，垂直雨水平之張力構件交織為網狀不銹鋼索，搭配適當之模組化玻璃板。施與精確預力的鋼索由特殊設計的元件固定，避免滑移并提供玻璃板的固定。此玻璃主要由角夾固定，頂部構件設有一個層架以安置玻璃角端，再由輒鄘陵磞陵藻a固定玻璃板。這種手法可滿足各種玻璃板的設置，且免除玻璃鉆孔索帶來的損耗。玻璃板間則以接縫填料防止氣候變化所帶來的破壞。
模糊的界線
1945年《藝術．建筑》雜志富有幻想力的編輯John Entenza發起了名為"個案研究住宅"的活動，委讬了加州的新派建筑師設計了36座試驗性的獨立或復合式住宅。個案研究住宅設計所采用的開放式平面與梁柱架構影響全美建筑師。其中，最受注意的手法，為利用大面積開窗以緩和室內外的界線。此為芝加哥建筑師Lohan Caprile Goettsch在沿街面高層建筑之大廳所欲追求的效果。采用鋼索結構以盡量減低構造之質感，并采用低鐵強化玻璃鍍抗反射膜。
本案之大廳空間透過高穿透性之玻璃構造，如肥皂泡膜般，與室外人行空間作區隔。由正向觀看玻璃墻面，無反射玻璃消除了玻璃之存在感。USB大樓不但創造了成左漱膠@空間，其大廳所創造出的高穿透性玻璃立面也展現了玻璃構造的技術與品質。
平淺的鋼索立面無深度，其結構支撐完全依靠預張力構件以對抗動態荷重，有較大的撓曲。此構造之撓曲設計標準為L/50，亦即跨距30公尺之平淺鋼索立面可允陪溢?.6公尺之撓曲。另一項關注的議題是此類行的鋼索施予界面結構的力較高，界面結構需對抗鋼索的高張力及承受設計最大荷重的力，故鋼索與建筑物結構間必須安置較重之界面結構。
UBS大樓入口：芝加哥 UBS 大樓由 Lohan Caprile Goettsch 事務所設計，(左圖)入口由地面懸臂與襯墊支撐以抵抗鋼索與入口間之力傳導；(右圖)防反射之涂覆使正向觀看玻璃達到完全之穿透感。
Fentress Bradburn Architects LTD 之作品-西雅圖西塔國際機場，雙弧面玻璃帷幕作為穩定的玻璃結構減少鋼索往構造之側向撓曲。 (上圖)穿孔之玻璃平板由不銹鋼構件予以點支撐抗動態荷重。 | 
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新體驗
鋼索立面構造的最新發展為以雙曲面構造取代平面鋼索結構。相對之曲面行程如馬鞍狀的表面，提供內應力以增加整體結構之穩定。平面鋼索結構如遮雨篷在受風力時會拍動，此種拍動僅能傳遞有限的力。若是相對的兩角沿著膜構造的垂直方向拉，另一個相對角朝另一個方向拉，則所形成的馬鞍形將形成可對抗較大風力的穩定結構。
此原理同樣運用在鋼索網構中。最初這個設計策略的優點除了為立面的幾何構圖增加趣味性，同時雙曲面鋼索鋼構造不但增加結構之穩定度并可減低撓曲，也因此可免除設置較重的界面結構。
西雅圖西塔〈Seattle-Tacoma (Sea-Tac)〉國際機場新立面設計運用雙曲面構造。本設計同時運用了鉆孔與點支撐雙層玻璃。曲面所構成之鋼索網構造創造了釵h非矩形面。此外，此幾何構造在有些部位四個頂點并不會落在同一平面上，迫使玻璃板的安裝時需予以彎曲。因此每一片玻璃板均需經過精密的計算以對抗彎曲及動態荷重。
結構玻璃元件
另一種消除結構之質感以增加長跨距立面之穿透性之手法為以玻璃元件取代傳統的金屬構件。一般常見的形式為玻璃擋板支撐之立面，如1972年Foster Associates所設計之Willis Faber & Dumas大樓帷幕墻。單片或膠合組成之玻璃，正交地安置以抵抗風荷重。早期的系統運用貼片方式固定玻璃，以增加玻璃板的端點抵抗外力或氣候變化的強度。目前，則以鉆孔玻璃與不銹鋼埋頭孔固定至擋板中。
近來以發展出更為創新的方式整合玻璃梁構。以圖為例，由膠合玻璃制成之玻璃梁橫跨于桁架元件間提供穿透性高的支撐。
雙層玻璃之機會
穿透性經常是房屋追求的首要重點。以能源為考量則一般會要求雙層玻璃，其穿透性比單片玻璃弱。在兩片玻璃中會在周邊形成不透光帶，因此運用雙層玻璃時會影響玻璃墻面之整體視覺穿透性。設計師發現在玻璃板中添加薄金屬框件可兼顧隔熱效能與整體之穿透性。此框件直接黏著于玻璃板背后，玻璃板再固著于結構支撐點上。如此一來，即可運用傳統玻璃，且玻璃自身不承受點荷重。 此作法有利的部份在于可以將玻璃與結構體脫開，增加玻璃結構之穿透性。此作法可節省鉆孔與點支撐的花費，大大的縮減了其他結構玻璃所需之高額經費。此類形框件與帷幕板的運用可便于現場組裝，再次提升此系統之經濟效益。 如圖所示，華盛頓特區證券交易委員會總部大樓所采用之玻璃帷幕立面與采光天窗，大廳入口采用雙曲面玻璃帷幕，結合曲面三角桁架與雙曲面天窗。預鑄之帷幕板系統采用雙層玻璃，天窗則為膠合雙層玻璃以配合天窗規范。 | 
SEC 大樓立面：Kevin Roche John Dinkloo and Associates LLC 之作品-華盛頓特區 SEC 大樓。其雙弧面玻璃帷幕跨距20公尺高30公尺，天窗為20公尺見方。 |
透明的未來
隨著玻璃構造的不斷發展，玻璃制造技術不斷演進，生產高穿透度的玻璃越來越容易且經濟，穿透性必然還是未來建筑所追求的主要議題。在越來越重視環境與能源保存的今日，透明建材如玻璃也不斷推出有效節能與環保的新產品，以降低對環境的負擔并追求更卓越之性能表現。
高穿透性當然并非各種空間均適用，也并非是維持全天候的穿透度。這個概念提供了一些有趣的可能性，如可變換穿透度的立面，由高透明度至不透明，可隨時依室內外各種條件與狀況互動。時間、溫度與光度經過組合后可作為動態立面互動的參數，如此一來，即可隨之調節舒適度且控制能源。
未來建筑的動態立面，其外表不僅與構造結合，同時可與整體建筑系統相結合，將建筑與環境的互動、自然光與人工光調節、通風、暖氣與冷氣甚至是通訊系統共同整合。此發展方向提供未來的建筑設計師，應整合各種工具以創造兼顧美學與實用性的建筑空間。新的玻璃產品經過不斷的進步與發展，必將成為未來建筑材料中相當重要的角色。
