透明浮动玻璃盒
UNStudio 为 C&A 大楼做了一个漂亮的设计,用大量的玻璃元素与周围的建筑物相连。

UNStudio 为埃因霍温的 C&A 大楼设计了多种玻璃结构。这些玻璃结构之一是四个宽 5.5 米、高 7 米的玻璃盒子,它们漂浮在现有立面的前面。此外,每个玻璃盒子都包含一件由 Arnout Meijer 设计的灯光艺术作品。LED 灯条从内部照亮盒子,而玻璃上的反光膜则营造出不寻常且引人注目的效果。为了优化这种效果,设计中不允许使用金属连接。5.5 x 7 米的尺寸超出了玻璃行业的所有国际标准格式。

ABT 设计了一个“折纸”玻璃盒子,玻璃板粘在一起。这种几何形状解决了面板尺寸有限的问题,也做出了更经济的结构形式。玻璃面板用不同类型的胶水无缝连接。ABT 与鲁汶大学合作,对正确类型的胶水进行了广泛的研究。胶合连接与玻璃槽口相结合;一种新型连接,灵感来自木材连接和早期对堆叠玻璃柱的研究。FEM DIANA 模型表明,这是连接玻璃结构的一种很有前途的方法。工程师对机械方案的清醒思考解决了UNStudio对无缝浮动玻璃盒的需求。

1 具有挑战性的设计

C&A 大楼曾被设计为埃因霍温市中心广场上最庄严的建筑。但这座建筑的雕像因城市发展而遗忘。建筑物的所有者 Redevco 要求 UNStudio 进行设计,将旧雕像归还给建筑物并使其适合当前时间。UNStudio 为 C&A 大楼做了一个漂亮的设计,用大量的玻璃元素与周围的建筑物相连。

C&A 大楼

图 1 UNStudio 的现代化 C&A 建筑的 3D 印象(UNStudio 的 3D 印象)。

最具挑战性的部分是漂浮在现有立面前的四个宽 5.5 米、高 7 米的玻璃盒子。此外,每个玻璃盒子都包含一件由 Arnout Meijer 设计的灯光艺术作品。LED 灯条从内部照亮盒子,而玻璃上的反光膜则营造出不寻常且引人注目的效果。为了优化这种效果,设计中不允许使用金属连接。

C&A 大楼

图 2 UNStudio 的现代化 C&A 建筑的 3D 印象(UNStudio 的 3D 印象)。

2 具有挑战性的尺寸

5.5 x 7 米的尺寸超出了玻璃行业的所有国际标准格式。设计团队寻找一种透明的解决方案,并提出了一种“折纸”玻璃盒的想法,其中玻璃面板粘合在一起。在折叠线中,只有剪切力发生,因此可以最佳地使用胶水。这种几何形状也解决了面板尺寸有限的问题,也做出了更经济的结构形式。

Origami

图 3 'Origami' 盒子的原理

3 浮动盒子

另一个具有挑战性的要求是盒子会在现有立面之前漂浮。这可以通过冷静思考机械系统并注意连接的视线来解决。

所选择的机械方案非常简单,底部有一个重型控制台,用于承受盒体顶部的小张力,轻型控制台。从结构的角度来看,将连接定位在侧翅片的顶部更合乎逻辑。但是在那个位置它会非常明显,因此我们选择更换屋顶的固定点。这对车顶板和侧翼板之间的对角线接缝中的连接提出了更复杂的要求。

透明浮动玻璃盒方案图

图4 机械方案。图 5 视线。

4 透明连接

为了实现 100% 透明玻璃盒的愿望,接缝必须通过透明连接连接。ABT 对可能的胶水类型进行了广泛的研究,这些胶水可以承受接缝处的风力以及前面板恒载的长期负载。由于两种负载都需要不同的胶水特性,因此这是一项具有挑战性的研究。胶水还必须是抗性、抗温性和抗紫外线的。因此,透明的胶水最能满足建筑师的设计。

4.1 胶合连接

道康宁透明胶合缝能够满足所有要求。但在此过程中,在市中心中间安装的要求变得更加明确,结果之一是盒子必须直接组装到最终位置。这使得胶水的应用更加复杂。预期的胶水干燥时间长,这不符合该项目的安装要求。

透明胶

图6 透明胶图片。

选择另一种胶水 Araldite 2028 是因为这种胶水也是透明的,并且具有良好的变色、耐候和抗紫外线性能。没有关于这种胶水在玻璃表面的附着力的信息。玻璃承包商 Si-X 进行了有关准备玻璃表面的测试。这给出了有希望的结果,因此在 KU Leuven 的实验室进行了剪切测试,以测试 Araldite 2028。

不幸的是,测试件在粘合剂表面破裂。这是不可接受的,我们不得不再次研究新的胶水。但由于时间紧,我们没有时间测试新型胶水,因此我们选择了完全不同的解决方案。我们拆分了承载短期风荷载和长期静荷载的功能。对于具有长期风荷载的接缝,选择了结构硅酮密封胶 (DC 993)。长期以来,设计了倾斜的凹口。

Araldite 2028 试件

图 7 Araldite 2028 试件。

4.2 倾斜的凹口

长期荷载连接的灵感来自木材连接和早期对堆叠柱的研究(Heugtenvan, R. 2013)。连接是法向力占主导地位的,在不同的单元部分中使用倾斜作为引入角。

倾斜槽口的测试组件

图 8 倾斜凹口的 3D 草图。图 9 倾斜槽口的测试组件。

3D FE 分析(在 DIANA 中)用于研究玻璃中的应力、夹层的相互作用以及不同载荷组合下层压公差的后果。玻璃使用实体元素建模,每个窗格的厚度为 9.7 毫米。Sentry 夹层使用 1.52 毫米厚的实体单元建模。考虑到玻璃面板,考虑到层压公差,一个玻璃面板相对于另一个面板升高 2 毫米。

支撑系统由铝块两侧的两个 Araldite 层组成,如图 7 所示。选择 Araldite 层来填补由于层压公差造成的差异。这是基于堆叠柱的研究结果 (Heugten van, R. 2013)。如图 10 所示,玻璃面板的最边缘在 X 和 Y 方向上得到支撑,面板的底部边缘在 Z 方向上得到支撑。

考虑了三种不同的负载情况:

  • 具有静载和最大风载(短持续时间)的 ULS [ULS-1]
  • 带静载的 ULS(长期持续时间)[ULS-2]
  • 带有一块破损面板的恒载 [LAT]

3D 有限元模型

图 10 DIANA 中的 3D 有限元模型。

模型结果表明,所有三种情况下的应力均低于表 1 所示的许用应力。许用应力根据荷兰建筑规范 NEN 2608: 2014 计算得出。ULS-1 载荷组合情况的应力等值线图为如图 11 所示。

NEN 2608: 2014

等值线图

图 11 等值线图显示了 ULS-1 情况下的应力(静载荷和风载荷)。

5 轻巧的艺术作品

Arnout Meijer 为这些盒子设计了一件轻巧的艺术品。这件艺术品与广场上的购物大众互动。在玻璃盒的内部将安装 LED 灯条。自然光和 LED 光在薄膜上的反射会使盒子产生变化的反射。该团队正在寻找一种可以反射和分割光线的材料,可以与结构玻璃结合使用,并且可以抵御天气和紫外线。灯光艺术作品于2020年春季完成。

反射膜

图 12 玻璃面板内侧的反射膜。

6 复杂的安装

盒子的安装必须在距离埃因霍温市中心一个广场 5 米高的地方进行。在订购玻璃之前对现有建筑物进行了测量,并在现场制作了一个测试框架,以便能够准确地安装控制台。

由于现场组装复杂,承包商于 2019 年 12 月开始安装一个盒子。进展顺利,其他盒子于 2020 年 1 月应用。灯光艺术作品于 2020 年 5 月安装。

安装过程

7 最终结果和善后

四个玻璃盒子漂浮在历史悠久的立面前。但是对于工程师来说,这个项目还没有完成。在荷兰,建筑当局发出信号,增加了结构硅酮密封胶的使用。一些市政当局不允许在没有机械辅助支撑的情况下使用结构硅酮密封胶。

埃因霍温当局正在考虑允许这项创新,并且他们确实允许在制定并执行检查协议的条件下使用结构硅酮密封胶。ABT 在检查和测量中建立了检查协议,以便签署。

透明浮动盒子照片

图19 2020年1月四个透明浮动盒子照片。

  1. 参考文献
    Heugten van, R.:承重玻璃柱.堆积的柱子.代尔夫特 (2013)

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