浅谈建筑中的玻璃特性

2011-02-06马晓曦池雪雷

中国建材科技 2011年1期

马晓曦池雪雷

（1 西安建筑科技大学建筑学院，陕西西安710055；2 中钢集团工程设计研究院石家庄分院，河北石家庄050000）

1 玻璃材料在建筑中的发展

玻璃做为21 世纪最具时代特点的建筑材料，应用十分广泛。几千年来，人类都在平和建筑的两个矛盾要求：一方面为了挡风遮雨，免受外界侵害，追求安全、隐秘的私有空间；另一方面又要求外界光线的引入，满足视觉上的需求。玻璃做为一种特别的建筑材料圆满了这看似匪夷的矛盾体。它具有完美的透明度，硬度和密封性，并且价格合宜。玻璃材料不仅能满足建筑功能上的要求，而且具有通透性、轻盈性、多彩性、虚幻性、模糊性等丰富的艺术魅力和情感表达。

中古时期，巨大的彩色玻璃窗掺柔着阳光洒落在教堂深处，玻璃材料通过建筑师的手法渲染了神圣的宗教情感(图1)。在工业革命的洗礼下，玻璃钢铁结构被广泛应用于建筑中，通透的水晶宫成为玻璃建筑的鼻祖。随着框式玻璃技术的成熟，大面积玻璃幕墙开始续写“建筑青史”。玻璃成为最受人喜爱的建筑材料，它的透明性、匀质和简洁传递了现代建筑师对于民主，自由精神的渴望。建筑大师密斯.凡德罗利用美学观念将玻璃建筑发挥到极致。他的“玻璃盒子”（图2）不在于光和影的效果，而在于丰富的反射作用，将玻璃的特性拓展到更广阔的空间。随着点式玻璃的出现，玻璃幕式的摩天大楼高空耸立，将水晶柱与白云皑皑揉成一副画面，玻璃的美学效果对人们产生了强大的吸引力。

玻璃作为展示这个时代建筑特征的一种材料，其刚柔相济的特殊性，通透华丽的时尚性，使得建筑表现既具有活力又能根植于传统特色。

图1 教堂彩色玻璃窗图

图2 纽约西格拉姆大厦

近乎完美的透明度及其透明性质的多变性，使玻璃建筑总能成为时代最新技术成果，并成为建筑师追求美学展示的首选宠儿。时至今日，建筑师们从未停止对玻璃建筑的研究和探索，玻璃材料以其独特的透明性化解了建筑在时间与空间上的距离，建筑师们运用其多样、复杂、富于变化的特性创造了符合现代审美观念的多元化建筑，对于建筑设计的更新创作起到了积极的作用。在这种背景下，如能更好的灵活掌控玻璃材料的特性和独特的情感表达，寻找建筑更新创作的方法和思路，将其运用于设计中将会使玻璃建筑领域迎来更广阔的发展空间。

2 玻璃的特性

2.1 玻璃的通性

各向同性：均质的玻璃其各方向的性质如折射率、硬度、弹性模量、热膨胀系数、导热系数等都是相同的（非均质玻璃中存在应力除外）。玻璃的各向同性是其内部质点无序排列而呈现统计均质结构的外在表现。

介稳性：当熔体冷却成玻璃体时，它能在较低的温度下保留高温时的结构而不变化。

可逆渐变性：由熔融态向玻璃态转变的过程是可逆与渐变的，这与熔体的结晶过程有明显区别。玻璃没有固定熔点，玻璃加热变为熔体过程也是渐变的。

连续性：由熔融态向玻璃态转变时，物理和化学性质随温度变化是连续的。

2.2 建筑玻璃的性能

光学性能：玻璃的透射性能很好，透光性与透明性都是玻璃在超冷却状态造成的结果。良好的透视、透光性能。这种材料独特的透光性是运用于建筑中最重要的特性，玻璃的透光性具有很好的装饰效果，阳光的透入使建筑内部空间的光线柔和、恬静、温暖，同时因其密闭性，也使建筑内部具有隐蔽性。

力学性能：玻璃的抗压强度由于玻璃的化学组成不同，相差很大，一般在600 ～1600Mpa之间波动。荷载的久暂对抗压强度影响很小，但在高温下，抗压强度就会急剧下降。玻璃的抗拉强度决定了玻璃品质的主要指标，通常为抗压强度的1/14 ～1/15，约为40 ～120MPa。玻璃的抗弯强度刚取决于抗拉强度的高低，并随着荷载时间的延长、制品宽度的增加而减小。

隔热性能：玻璃是绝缘材料，其热阻值为1，所以表面看来玻璃的隔热性应该很好。传热有三种形式，热传导、对流、热辐射。因为玻璃是透明材料，所以三种传热形式都有，并且玻璃是薄型板材，所以从这个意义上来说，玻璃的隔热性不是很好。普通平板玻璃的热传导系数U 值高达5.3 ～6，在常温中其导热系数为铜的1/400，还会随着温度的升高而增加。玻璃的热稳定性是指玻璃在温度剧烈变化时抵抗破裂的能力。玻璃制品的体积越大、越厚，热稳定性越差。由于玻璃制品热胀冷缩，内部会产生压应力和拉应力，所以玻璃制品的热稳定性在温度急剧上升时较好，在急剧下降时较差。

隔声性能：隔声就是指用建筑围护结构把声音限制在某一范围内，或者在声波的传播途径上用屏蔽物把它遮挡住一部分，称之为隔声。隔声一般分为两种：第一种是隔绝空气声，就是用屏蔽物隔绝在空气中传播的声音；第二种是隔绝楼板的撞击声。普通玻璃的隔声性能比较差，其平均隔声量为25 ～35dB，但是中空玻璃由于空气层的作用，其平均隔声量可达45dB。

化学性能：有较高的化学稳定性。一般状态下，对酸、碱、盐及化学试剂气体都有较强的抵抗能力，但长期遭受侵蚀性介质的作用也可导致其变质和破坏，如玻璃的风化和发霉都会导致其外观的破坏和透光性能的降低。

3 玻璃的复合特性

3.1 安全性

玻璃本身质地比较脆弱，而具有安全性能玻璃力学强度高、抗冲击能力强。主要种类有钢化玻璃、夹丝玻璃、夹层玻璃和钛化玻璃。安全性玻璃被击碎时，碎片不会伤人，并且还有防盗、防火等功能。

1 钢化玻璃：又称为强化玻璃，是一种预应力玻璃。为了提高玻璃的强度，通常使用物理或化学的方法，在玻璃表面形成压应力层，使得玻璃在承受外力时首先抵消表层应力，避免玻璃的碎裂，从而提高了承载能力，增强了玻璃自身抗风压性、冲击性、寒暑性等。钢化玻璃的优点首先是强度比普通玻璃提高了数倍，同等厚度的钢化玻璃抗冲击强度是普通玻璃的3 ～5 倍，抗弯强度是普通玻璃的2 ～5 倍。其次比普通玻璃安全系数增加，其承载能力的增大改善了易碎的性质。钢化玻璃破碎后会变成后碎片呈类似蜂窝状的碎小钝角颗粒，对人体的伤害极大地降低。钢化玻璃的耐急冷急热性质较之普通玻璃也有2 ～3 倍的提高，一般可承受 150LC 以上的温差变化，对防止热炸裂有明显的效果。钢化玻璃被广泛应用于建筑工程、交通工具及其他领域。平面钢化玻璃常用作建筑物的门窗、隔墙、幕墙及室内用具等，曲面钢化玻璃常用于汽车、火车及飞机等方面。

2 夹丝玻璃：别称防碎玻璃或钢丝玻璃。它是用压延法生产的，即是将普通平板玻璃加热到熔融状态后，将预热处理的钢丝或钢丝网压入到玻璃中间，经退火、切割而成。夹丝玻璃的安全性能很高，它使用钢丝网做骨架，大大提高了玻璃的强度，当受到外界冲击，即使是地震、暴风等强自然灾难或是因温度骤变而破碎时，钢丝网线也能支住碎片而不会四处飞溅，避免了对人的伤害。由于使用金属钢丝骨架，高温燃烧时不会炸裂，使得夹丝玻璃能保持其固有的状态，防止了空气的流动而阻隔火势的蔓延，并且还可抵挡火焰粉末的侵入，故又称之为安全玻璃，并且可以作为二级门窗防火材料使用。因为夹丝玻璃即使割破还有钢丝网的阻挡，有效防止非法分子的侵入，主要用于门窗、屋顶天窗、阳台窗等部位。

3 夹层玻璃：又称夹胶玻璃，就是在两片或多片玻璃原片之间夹进一层以聚乙烯醇缩丁醛为主要成分的PVB 中间膜，经过加热、加压粘合而成的平面或曲面的复合玻璃制品。夹层玻璃有着较高的安全性，抗冲击性能比一般平板玻璃高好几倍，由于PVB 胶片的粘合作用，玻璃在破碎时，碎片会粘在薄膜上而不会四处飞溅，破碎的玻璃表面仍能保持整洁光滑，防止了碎片扎伤等事件的发生，确保了人身安全。一般在建筑上用作高层建筑的门窗、天窗和商店、银行、珠宝的橱窗、隔断等。

4 钛化玻璃：也称为永不碎铁甲箔膜玻璃。是将钛金箔膜紧贴在任意一种玻璃原片上，使其结合成一体的新型玻璃。钛化玻璃具有高抗碎、高防热、防紫外线等功能。

5 防弹玻璃：是由玻璃或有机玻璃和优质工程塑料经特殊加工而成的一种复合型材料，通常是透明的材料，譬如PVB 聚碳酸酯纤维热塑性塑料。它具有普通玻璃的外观和传送光的行为，对小型武器的射击提供一定的保护。防弹玻璃是在具有玻璃的透光、透像性能的同时，还可以对枪弹射击具有防护能力的特殊玻璃。

3.2 防火性

防火玻璃的作用主要是在起火时能够控制火势的蔓延或隔烟，是一种措施型的防火材料，其防火的效果主要以耐火性能进行评价。

1)复合防火玻璃：是由两层或多层玻璃原片附加一层或多层水溶性无机防火胶夹层制作而成。当火灾发生时，向火面的玻璃遇高温后很快炸裂，其防火胶夹层会相继发泡并膨胀十倍左右，形成一层坚硬的乳白色泡状防火胶板，阻断了火势的蔓延，隔绝了高温及有害气体。复合防火玻璃在应用于建筑外窗、外幕墙时，应考虑与PVB 夹层玻璃组合使用。这种防火材料适用于建筑物房间、走廊、通道的防火门窗、防火分区及重要部位防火隔断墙等。

2)灌注型防火玻璃：制作方法是由两层或三层玻璃原片，四周加以特制的阻燃胶条密封，中间灌注的防火胶液，经固化后成为透明胶冻状与玻璃粘接成一体而成。灌注型防火玻璃遇高温后，玻璃中间的透明胶冻状的防火胶层会迅速坚硬，形成一层不透明的防火隔热板，阻止了火势的蔓延及有害气体的传导。这种防火玻璃不仅防火隔热性能佳，而且隔声效果也非常好。灌注型防火玻璃应用于建筑物的防火门窗、共享空间、天井、一般防火分区的隔断墙。

3)单片防火玻璃：是一种单层玻璃构造的防火玻璃，通过特殊的化学处理，在高温状态下进行二十多小时的离子交换，替换玻璃表面的金属钠而形成低膨胀硅酸盐玻璃，其膨胀系数为1.8x10-6/0F (3.24x10-6/K)，故而具备了高效的抗热性能。在一定的时间内能够保持耐火完整性、阻断向火面的明火及有毒、有害气体，但不具备隔温绝热的功效。与此同时，通过物理处理，玻璃表面形成了高强的压应力，提高了抗冲击强度，在玻璃破碎后，其碎片为微小颗粒状，对人的伤害程度大在降低。

3.3 节能性

伴随着能源日益的紧张，人们已不满足建筑物上的玻璃仅为了采光，而更注重其保温隔热的效果，节能性质的玻璃应运而生。这种玻璃具有特殊的对光和热的吸收、透射和反射能力，用建筑物的外墙窗或是玻璃幕墙上，可以起到显著的节能效果。建筑上常用的节能型玻璃有吸热玻璃、热反射玻璃和具有隔热效果的中空玻璃等。

1)吸热玻璃：又称着色玻璃，是一种可以吸收大量红外线辐射能量、并保持较高可见光透过率的平板玻璃。其制作方法是在普通的钠钙硅酸盐玻璃原料中加入一定量的有吸热性能的着色剂，吸收大量产生热量的近红外光线。这种玻璃在需要光线强度高而又需要隔除热量的情况下性能特点最为明显。吸热玻璃已广泛用于建筑物的门窗、外墙以及车、船挡风玻璃等部位，起到隔热、防眩、采光及装饰于一体的效果。

2)热反射玻璃：又称为镀膜隔热玻璃，是利用隔热纳米粉体阻隔热量。制作方法一般采用热解法、真空蒸镀法、阴极溅射法等，在玻璃表面涂以金、银、铜、铝、铬、镍和铁等金属或金属氧化物薄膜，或采用电浮法等离子交换的方法，以金属离子置换玻璃表层原有离子而形成一层热反射膜。对太阳光有较高的反射能力，但仍有良好的透光性，起到隔热节能的效果。镀膜玻璃的反射率一般可达30%～40%，有的甚至可高达50%～60%。镀膜隔热玻璃在建筑上使用可直接降低温度，温差在3℃～6℃左右，保温隔热效果较好。热反射镀膜玻璃不仅热反射率高，还有单向透像的作用，即白天能在室内看到室外景物，而室外看不到室内的景像。

3)隔热玻璃：中空玻璃具有隔热效果强等特点，制作方法是使用高强度高气密性复合粘结剂，将两片或多片玻璃与铝合金框架、密封条、玻璃条粘接、密封，中间充入干燥气体，框内充以干燥剂，以保证玻璃片间空气的干燥度，起到良好的隔热、隔音、美观适用、并可降低建筑物自重的效果。

3.4 结构围护性

结构围护型玻璃可应用于建筑物的各主要部位，如内外墙、门窗、透光屋面、顶棚以及地坪等，是现代建筑常用的一种围护结构材料，这种玻璃材料不仅具有特定的功能作用，还能使建筑物拥有特殊的美感。

1)玻璃幕墙：幕墙建筑一般是用轻而薄的建筑材料将建筑物的四周围起来而代替墙壁。一般幕墙的材料只起到围护作用，不能承受建筑荷载。现代建筑最常见的建筑外围护结构或装饰结构就是玻璃幕墙，它是由支承结构体系与玻璃组成的，相对主体结构可以有一定位移能力，但不分担主体结构所受的作用。玻璃幕墙主要是以铝合金型材为边框，玻璃为外敷面，内衬以色热材料的复合墙体，并用结构胶进行密封。现代化高层建筑的玻璃幕墙采用双层中空玻璃，由镜面玻璃与普通玻璃组合，隔层中充入干燥空气。因为中空玻璃具有隔音、隔热、防结霜、防潮、抗风压强度大等优点，所以现在的玻璃幕墙建筑也成为高层建筑围护结构的首选，它可以使阳光充分透入，但室内并不感觉炎热，还可以做到冬暖夏凉，极大地改善了生活环境。

2)玻璃砖：是一种隔音、隔热、防水、节能、透光良好的非承重型装饰材料，可以用作建筑的围护墙体。制作方法是以烧熔的方式将两片玻璃胶合在一起，再用白色胶搅和水泥将边隙密合。玻璃砖有空心和实心两类，均具有透光而不透视的特点。空心玻璃砖有单腔和双腔两种，都具有较好的色热、隔声效果，而双腔玻璃砖的色热性能更佳，所以它在建筑上的应用更为广泛。玻璃砖主要用作建筑物的透光围护墙体。

3)U 型玻璃：也称为槽型玻璃，是一种新颖的建筑型材玻璃，制作方法一般采用先压延后成型的方式连续生产出来，因其横截面呈“U”型，故得此名。U 型玻璃比普通平板玻璃有更高的机械强度，并且具有理想的透光性、隔音性、保温隔热性能，可应用于机场、车站、体育馆、宾馆、办公楼、厂房、住宅、温室等工业与民用建筑非承重的内外墙、隔墙、屋面及窗等。

3.5 装饰性

1)颜料饰面玻璃：彩色玻璃有透明和不透明两种。透明的彩色玻璃是在玻璃原料中加入一定量的金属氧化物而制成。透明的彩色玻璃广泛应用于容器、太阳镜、医药玻璃或工艺美术制品等，特别是滤光片和信号灯。不透明彩色玻璃是经过退火处理的一种饰面玻璃，在玻璃溶液中加入混合颜料或者将颜料烘焙在玻璃表面，即可制成不透明彩色玻璃，可以切割，但经过钢化处理的玻璃不能再进行切割加工。一般应用于艺术物品。彩色玻璃可以拼装成各种图案，还有耐腐蚀、抗冲刷、易清洗等特点，主要应用于建筑物的内外墙、门窗装饰和对光线有特殊要求的部位。

釉面玻璃是指在按一定尺寸切裁好的玻璃表面上涂敷一层彩色易熔性的色釉颜料，加热至釉料熔融，使釉层与玻璃牢固结合在一起，再经过退火或钢化等处理，制成具有各种色彩或图案的玻璃。釉面玻璃具有良好的化学稳定性和装饰性，一般以平板玻璃为基材，应用于室内饰面层，一般建筑物门厅和楼梯间的饰面层及建筑物外墙饰面。

2)印花饰面玻璃：压花玻璃又称花纹玻璃或滚花玻璃，是采用压延方法制作的一种平板玻璃，一般将熔融的玻璃液在急冷中通过带图案花纹的辊轴滚压而成，可一面压花，也可两面压花。压花玻璃的物理和化学性能基本与普通透明平板玻璃相同，只是具有不透光不透视这个特点，使得射入的光线柔和，并具有一定的屏护作用和装饰效果。其表面有各种图案花纹并且表面凹凸不平，使得光线通过时产生漫反射，从玻璃的一面看另一面时会使物象模糊不清。

刻花玻璃是由平板玻璃经涂漆、雕刻、围蜡与酸蚀、研磨制成。图案立体感很强，仿佛浮雕一般，适用于高档场所的室内隔断或屏风等部位。

3)贴图饰面玻璃：喷花玻玻璃又称胶花玻璃，制作方法是在平板玻璃表面贴以图案，抹上保护层，经喷砂处理形成透明与不透明相间的图案而成。

乳花玻璃是在平板玻璃的一面贴以图案，抹上保护层，经化学处理蚀刻而成。花纹清新美丽，装饰性效果很好。喷花玻璃和乳花玻璃一样适用于建筑物内门窗、隔断和采光部位。

4)漫反射饰面玻璃：冰花玻璃是一种利用平板玻璃经过特殊处理而形成具有不自然冰花纹理的玻璃。冰花玻璃对通过的光线有漫射作用，如同在门窗玻璃上蒙上一层纱帘，看不清室内的景物，却有着良好的透光性能，具有良好的装饰效果。适用于宾馆、酒店等场所的门窗、隔断和屏风等部位。

磨砂玻璃又称为毛玻璃、暗玻璃。制作方法是将普通平板玻璃用硅砂、金刚砂或刚玉砂等作研磨材料，加水手工研磨，将表面处理成均匀粗糙毛面而成。用压缩空气将细砂喷射到玻璃表面而成的称为喷砂玻璃。由于表面粗糙，使得光线产生漫射而透光不透视，可以使室内光线柔和而不刺眼。常用于需要隐蔽的浴室、卫生间及其他需要光线而隔断视线的门窗及隔断，使用时应将毛面向窗外。磨砂玻璃还可作为灯箱透光片、黑板使用。

油砂玻璃较普通磨砂玻璃更具隐透性，即使是湿水也不会透视，而且不会轻易留下手指印。这种玻璃一面平滑，另一面是珠纹，可以从浴室外隐约看见浴室内的布置，浴室内门更有印花磨砂图案做装饰。强化了的油砂玻璃，还不宜碰裂，同磨砂玻璃一样适用于需要光线也需要阻挡视线的门窗、隔断等部位。

5)反射饰面玻璃：镜面玻璃即镜子，指玻璃表面通过化学或物理等方法形成反射率极强的镜面反射玻璃制品。为提高装饰效果，在镀镜之前可对原片玻进行彩绘、磨刻、喷砂、化学蚀刻等加工，形成具有各种花纹图案或精美字画的镜面玻璃。常用的镜面玻璃有明镜、墨镜（也称黑镜）、彩绘镜和雕刻镜等多种。在装饰工程中常利用镜子的反射和折射来增加空间感和距离感，或改变光照效果。

6)折射饰面玻璃：镭射玻璃又称光栅玻璃、全息玻璃或镭射全息玻璃，是刚刚兴起的一种应用最新全息技术开发而成的创新装饰玻璃产品，是高新科技与艺术的结晶。其特征在于经过特种工艺的处理，玻璃背面会出现全息或其它光栅，在阳光、月光或灯光等光源的照射下，因物理衍射分光而出现鲜艳的七色光，并且在同一感光点上会因光线入射角的不同而出现色彩的变化，图案和视觉效果极具魅力，使得装饰物奢显华贵。它适用于洒店、宾语、各种商业、文化、娱乐设施的装饰。

7)其他装饰玻璃：热弯玻璃是为了满足现代建筑的高品质需求，由优质平板玻璃加热软化在模具中成型，再经退火而成的曲面玻璃。热弯玻璃从形状上可分为单一弯、折弯、复合弯三大类。这种玻璃产品曲面形状中间无连接驳口，线条优美，突出了整体和谐的意境。这种制作方式可以根据使用者或设计者的特殊要求制作出不同形状甚至是不规则的弯曲面。热弯玻璃主要应用于建筑内外的装饰、门、窗、幕墙、采光顶、观光电梯、拱形走廊的等。还可应用于家居装饰的玻璃家具、玻璃洗手盆、玻璃柜台、玻璃水族馆、玻璃装饰品等。

玻璃锦砖又称玻璃马赛克，它含有未熔融的微小晶体（主要是石英）的乳浊状半透明玻璃质材料，是一种小规格的饰玻璃制品。背面有槽纹，有利于与基面粘结。玻璃锦砖颜色绚丽，色泽众多，且有透明、半透明和不透明三种。它的化学成分稳定，热稳定性好，是一种良好的外墙装饰材料。