建築用ガラス

建築用ガラスは、建築材料として使用されるガラスです。最も一般的には、外壁の窓を含む建物の外壁の透明な窓ガラス材料として使用されます。ガラスは、内部の仕切りや建築上の特徴としても使用されます。建物に使用されるガラスは、強化ガラス、強化ガラス、積層ガラスなどの安全タイプであることが多いです。

• 1226年:「ブロードシート」がサセックスで初めて生産された。^[1]
• 1330年：フランスのルーアンで、美術工芸品や容器用の「クラウンガラス」が初めて生産された。^[2]「ブロードシート」も生産された。両方とも輸出用にも供給された。
• 1500年代: ベネチアのムラーノ島のガラス職人が板ガラスから鏡を作る方法を開発した。ガラスの裏側を水銀スズアマルガムで覆い、ほぼ完璧で歪みのない反射を実現した。
• 1620年代:ロンドンで初めて「吹きガラス」が生産された。 ^[1]鏡や馬車のプレートに使用された。^[3]
• 1678年：「クラウンガラス」がロンドンで初めて生産されました。^[4]このプロセスは19世紀まで主流でした。
• 1843年:ヘンリー・ベッセマーが液体のスズにガラスを注ぐ「フロートガラス」の初期形態を発明。高価で商業的には成功しなかった。
• 1874年:フランスのパリのフランソワ・バルテルミー・アルフレッド・ロワイエ・ド・ラ・バスティ（1830年 - 1901年）が、ほぼ溶けたガラスを加熱した油またはグリースの中で急冷する方法で強化ガラスを開発しました。
• 1888年：機械で巻かれたガラスが導入され、模様をつけることができるようになった。^[5]
• 1898年:安全性やセキュリティが問題となる用途で、ピルキントン社がワイヤーキャストガラスを初めて商業生産しました^{[6] 。 [7]}
• 1959年: フロートガラスが英国で発売。アラスター・ピルキントン卿が発明。^{[8] [9]}

ガラス鋳造は、溶融ガラスを鋳型に流し込み、凝固させることでガラス製品を作る工程である。この技術はエジプト時代から使われてきた。現代の鋳造ガラスは、窯鋳造、砂、黒鉛、金属の鋳型への鋳造など、さまざまな工程で作られる。鋳造ガラスの窓は、光学的品質は劣るものの、ローマの最も重要な建物や、ヘルクラネウムやポンペイの最も豪華な別荘に見られるようになった。^[10]

ガラス窓製造の最も初期の方法の 1 つは、クラウン ガラス法でした。吹きガラスをパイプの反対側で切り開き、冷却される前にテーブルの上で急速に回転させます。遠心力により、熱いガラス球が丸く平らなシートに成形されます。次に、シートをパイプから切り離し、フレームに収まる長方形の窓になるように切り詰めます。

クラウン ガラスの中央には、元々吹きガラスで作られたボトルの首の厚い残骸が残るため、「ブルズアイ」という名前が付けられました。ブルズアイによって生じる光学的な歪みは、ガラスを研磨することで軽減できます。ダイパーラティス ウィンドウが開発された理由の 1 つは、クラウン ガラスから 3 つの規則的なダイヤモンド形の窓ガラスを簡単に切り出すことができ、無駄も歪みも最小限に抑えられたことです。

この平らなガラスパネルの製造方法は非常に高価で、大きなガラス板の製造には使用できませんでした。19 世紀にはシリンダー、シート、ロール板のプロセスに置き換えられましたが、伝統的な建築や修復では今でも使用されています。

この製造工程では、ガラスを円筒形の鉄の型に吹き込みます。両端を切り落とし、円筒の側面に切り込みを入れます。切り込んだ円筒をオーブンに入れ、円筒を平らなガラスシートに広げます。

引き抜き板ガラスは、溶融ガラスの入った桶にリーダーを浸し、桶から取り出したばかりのガラスのフィルムが硬化している間にそのリーダーをまっすぐ引き上げることによって作られました。これは、フルーコー法として知られています。このフィルムまたはリボンは、冷却しながら両端をトラクターで押さえられ、継続的に引き上げられました。約 12 メートル後、垂直のリボンから切り離され、さらに切断できるように下に傾けられました。このガラスは透明ですが、桶から取り出して硬化しているときにわずかな温度変化が原因で厚さにばらつきがあります。これらのばらつきにより、わずかな歪みの線が発生します。このガラスは、古い家屋で今でも見ることができます。フロートガラスがこのプロセスに取って代わりました。

アーヴィング・ワイトマン・コルバーンは独自に同様の方法を開発しました。彼は1899年にその方法の実験を始め、1906年に生産を開始しました。彼は破産しましたが、マイケル・ジョセフ・オーウェンズに買収されました。その方法は不完全であったため、彼らは1916年にそれが完璧であると感じたまで改良を続け、翌年その技術に基づいたガラス工場を開きました。^[11]

1838 年、ジェームズ ハートリーは、新しい鋳造ガラス製造法で製造されたハートリー特許ロール プレートの特許を取得しました。ガラスは炉から大きな鉄の取鍋に入れられ、頭上のレール上を走るスリングで運ばれます。ガラスは取鍋から鋳鉄製の圧延台のベッドに投げ出され、鉄のローラーでシート状に圧延されます。このプロセスは板ガラスの製造に使用されているものと似ていますが、規模が小さいです。このようにして圧延されたシートは、取鍋との直接接触によって損なわれたガラスの部分を取り除くために、熱くて柔らかいうちに大まかにトリミングされ、まだ柔らかいシートは、ローラー システムによって運ばれながら、 焼きなましトンネルまたは温度制御オーブンである徐冷炉の開口部に押し込まれます。

研磨板ガラスの工程は、シート状またはロール状の板ガラスから始まります。このガラスは寸法が不正確で、見た目にゆがみが生じることがよくあります。これらの粗いガラスは平らに研磨され、その後、透明に研磨されます。これはかなりコストのかかる工程です。

フロート法が使われる前は、板ガラスが鏡として使われていました。板ガラスには、遊園地やお祭りの鏡で見られるような視覚的な歪みがあったからです。

1918年、ベルギーの技術者エミール・ビシュルーは、2つのローラーの間に溶融ガラスを流し込むことで板ガラスの製造法を改良し、その結果、より均一な厚さとより少ないうねりが得られ、研磨や磨きの必要性が軽減されました。このプロセスは米国でさらに改良されました。^[12]

模様付き（または「カテドラル」）のロール板ガラスに見られる精巧な模様は、ロール板ガラスの工程と似た方法で製造されますが、2 つのローラーの間に板を鋳造し、そのうちの 1 つに模様を付ける点が異なります。場合によっては、両方のローラーに模様を付けることもあります。模様は、メイン ロールから出たガラスがまだ柔らかいときに、印刷ローラーをガラスの上に降ろしてシートに押し付けます。このガラスには、高浮き彫りの模様が見られます。その後、ガラスは徐冷炉で焼きなましされます。

この目的で使用されるガラスは、通常、他の用途で使用される透明ガラスよりも色が白くなります。

エンボス加工された模様の深さに応じて、一部の模様付きガラスのみ強化できます。模様が片面のみに刻印されているシングルロール模様付きガラスは、ラミネート加工して安全ガラスにすることができます。あまり一般的ではない「ダブルロール模様付きガラス」は、模様が両面に刻印されており、安全ガラスにすることはできませんが、模様が両面に刻印されているため、すでに平均的な模様付きガラス板よりも厚くなっています。仕上がりの厚さは、刻印されたデザインによって異なります。

世界の板ガラスの90%は、1950年代にピルキントン・グラス社のアラスター・ピルキントン卿が発明したフロートガラス法^[要出典]で生産されています。この方法では、溶けたガラスを溶けたスズ槽の一端に注ぎます。ガラスはスズの上に浮かび、槽に沿って広がるにつれて平らになり、両面が滑らかな表面になります。ガラスは溶けたスズ上を移動しながら冷えてゆっくりと固まり、スズ槽から連続したリボン状になります。その後、ガラスは徐冷炉と呼ばれるオーブンで冷却され、焼きなましされます。完成品はほぼ完璧な平行面になります。

錫と接触していたガラスの面には、表面に錫がごくわずか埋め込まれています。この性質により、ガラスのその面はコーティングしやすくなり、鏡にすることができますが、その面は柔らかく、傷がつきやすくなります。

ガラスは、2、3、4、5、6、8、10、12、15、19、25 mm の標準メートル厚さで製造されており、建築業界では 10 mm が最も一般的なサイズです。窒素/水素雰囲気下でスズの上に浮かぶ溶融ガラスは、約 6 mm の厚さまで広がって表面張力により止まります。より薄いガラスは、スズの上に浮かんで冷却される間にガラスを引き伸ばすことで作られます。同様に、より厚いガラスはスズ上で冷却される際に押し戻されて膨張できなくなります。

強化ガラスは、標準的なフロートガラスから作られ、耐衝撃性のある安全ガラスです。フロートガラスが割れると、鋭く危険な破片が飛び散ります。強化処理により、内部と外部の表面の間に張力が生じ、ガラスの強度が増し、破損した場合にはガラスが小さな無害な破片に砕け散ります。カットされたガラスパネルは強化炉に入れられます。ここでガラスパネルは 600 度以上に加熱され、その後、表面が冷風で急速に冷却されます。これにより、内部のガラス粒子が温かくなり、ガラス表面に引張応力が生じます。ガラスの上部の厚さが冷えると、ガラスが収縮し、対応するガラス要素が収縮してガラスパネルに応力がかかり、強度が増します。^[13]

プリズムガラスは、光を曲げる建築用ガラスです。20世紀初頭には、地下空間や窓から遠い場所に自然光を取り入れるためによく使われていました。^{[14]プリズムガラスは歩道に使われており、そこでは}ヴォールト照明と呼ばれています。^[15]窓、間仕切り、天蓋にはプリズムタイルと呼ばれています。また、帆船のデッキ下の空間を照らすために使われたデッキプリズムとしても知られています。プリズムガラスは装飾性も高く、フランク・ロイド・ライトは40種類以上のプリズムタイルのデザインを生み出しました。^[16]現代の建築用プリズム照明は、一般的に普通の窓ガラスにプラスチックフィルムを貼って行われます。 ^[17]

ガラスブロックはガラスレンガとも呼ばれ、地下駐車場、洗面所、市営プールなど、光を取り入れながらプライバシーや視覚的遮蔽が求められる場所で使用されるガラス製の建築要素です。ガラスブロックはもともと、1900 年代初頭に工業工場に自然光を取り入れるために開発されました。

アニール ガラスは、熱処理 (急速冷却) や強化、熱強化によって生じた内部応力のないガラスです。ガラスは、遷移点以上に加熱され、その後急冷せずにゆっくり冷却されるとアニールされます。フロート ガラスは製造工程でアニールされます。ただし、ほとんどの強化ガラスは、特別に熱処理されたフロート ガラスから作られています。

焼きなましガラスは、大きなギザギザの破片に割れて重傷を負う可能性があり、建築用途では危険とみなされています。世界の多くの地域の建築基準法では、浴室、ドアパネル、非常口、学校や住宅の低い場所など、破損や負傷のリスクが高い場所での焼きなましガラスの使用を制限しています。これらの環境では、怪我のリスクを減らすために、ラミネートガラスや強化ガラスなどの安全ガラスを使用する必要があります。

合わせガラスは、2 枚以上のガラスをPVBなどの中間層で熱と圧力をかけながら結合し、1 枚のガラスにすることで製造されます。破損しても、中間層がガラスの層を結合したままにして、ガラスがばらばらになるのを防ぎます。中間層により、ガラスの遮音性も高まります。

異なる種類のガラスと中間層を使用して製造される合わせガラスにはいくつかの種類があり、破損したときに異なる結果をもたらします。

焼きなましガラスで作られた合わせガラスは、通常、安全性が懸念されるが強化ガラスが使用できない場合に使用されます。フロントガラスは通常、合わせガラスです。破損した場合、PVB 層がガラスの破片を防止し、「蜘蛛の巣」のようなひび割れパターンを作り出します。

強化合わせガラスは、小さな破片に砕けるように設計されており、怪我を防止します。両方のガラスが割れると、「濡れた毛布」のような効果が生じ、開口部から落ちます。

熱強化ラミネートガラスは焼きなましガラスよりも強度がありますが、強化ガラスほど強くはありません。セキュリティが懸念される場所でよく使用されます。強化ガラスよりも破損パターンが大きくなりますが、形状が維持されるため (強化ラミネートガラスの「濡れた毛布」効果とは異なります)、開口部に留まり、より長い時間、より大きな力に耐えることができるため、侵入がはるかに困難になります。

合わせガラスは防弾ガラスと似た特性を持っていますが、混同してはいけません。どちらもPVB中間層を使用して作られていますが、引張強度は大きく異なります。防弾ガラスと合わせガラスは、どちらも異なる基準で評価されており、破砕パターンも異なります。^[18]

熱強化ガラス、または強化ガラスは、表面圧縮を誘発するように熱処理されたガラスですが、強化ガラスのように割れたときに「さいの目に」なるほどで​​はありません。 熱強化ガラスが割れると、通常、焼きなましガラスが割れたときに見られるものよりもいくらか小さい鋭い破片に砕け、焼きなましガラスと強化ガラスの中間の強度を持ちます。

熱強化ガラスは強い直撃を受けても割れませんが、端が弱いです。熱強化ガラスの端を硬いもので軽く叩くだけで、ガラス全体を粉砕することができます。

化学強化ガラスは、強度を高めたガラスの一種です。破損すると、フロートガラス（焼きなましガラス）と同様に、長く尖った破片となって砕け散ります。このため、化学強化ガラスは安全ガラスとはみなされず、安全ガラスが必要な場合はラミネート加工する必要があります。化学強化ガラスの強度は、通常、焼きなましガラスの 6 ～ 8 倍です。

ガラスは、カリウム塩（通常は硝酸カリウム）を含む 450 °C（842 °F）の浴槽にガラスを浸すことで化学的に強化されます。これにより、ガラス表面のナトリウムイオンが浴槽溶液のカリウムイオンに置き換わります。

強化ガラスとは異なり、化学強化ガラスは強化後に切断することができますが、切断部から約 20 mm の範囲内で追加された強度が失われます。同様に、化学強化ガラスの表面に深い傷が付くと、その部分の追加の強度が失われます。

一部の戦闘機の キャノピーには化学強化ガラスが使用されていました。

低放射率物質でコーティングされたガラスは、放射赤外線エネルギーを反射し、放射熱をガラスの放射元と同じ側に留め、可視光線を通過させます。これにより、冬に室内から発生する放射熱が室内に反射され、夏に太陽からの赤外線熱放射が反射されて室内が涼しくなるため、より効率的な窓が実現します。

電気加熱ガラスは比較的新しい製品で、建物や車両の設計時にソリューションを見つけるのに役立ちます。加熱ガラスのアイデアは、エネルギー効率の高い 低放射ガラスの使用に基づいています。このガラスは、通常、特殊な金属酸化物コーティングを施した単純なケイ酸塩ガラスです。加熱ガラスは、木材、プラスチック、アルミニウム、またはスチール製のあらゆる種類の標準的なガラス張りシステムに使用できます。

最近（2001年、ピルキントン グラス）のイノベーションは、建築、自動車、その他の技術用途を目的とした、いわゆるセルフクリーニング ガラスです。ガラスの外側の表面に二酸化チタンをナノメートル スケールでコーティングすると、セルフクリーニング特性につながる 2 つのメカニズムが導入されます。1 つ目は光触媒効果で、紫外線が窓表面の有機化合物の分解を触媒します。2 つ目は親水性効果で、水がガラスの表面に引き寄せられ、分解された有機化合物を洗い流す薄いシートを形成します。

断熱ガラス、または二重ガラスは、端に沿ってスペーサーで区切られ、層間にデッドエアスペースを作るために密閉された 2 層以上のガラスの窓またはガラス要素で構成されています。このタイプのガラスには、断熱と騒音低減の機能があります。空間が不活性ガスで満たされている場合、これは低エネルギー建物の省エネ持続 可能な建築設計の一部です。

1994年に登場した断熱ガラスの革新は真空ガラスであり、現在までに日本と中国でのみ商業的に生産されている。^[19]真空ガラスの極薄さは、特に建物の保存や歴史主義建築において、エネルギー効率がはるかに低い従来の単層ガラスを真空ガラスに置き換えることができるなど、多くの新しい建築の可能性を生み出している。

真空ガラスユニットは、通常ははんだガラスを使用して 2 枚のガラスの端を密閉し、内部の空間を真空ポンプで真空にすることで作られます。2 枚のガラス間の真空空間は非常に浅く、それでも優れた断熱材となり、公称厚さが全体で 6 mm という薄い断熱窓ガラスが実現します。この薄さの理由は一見複雑に見えますが、真空では対流やガス伝導が起こらないため、潜在的な断熱性が基本的に優れています。

残念ながら、真空ガラスには欠点もあります。製造が複雑で難しいのです。たとえば、真空ガラスの製造にはガス抜き、つまり加熱して内面に吸着したガスを放出する作業が必要です。ガス抜きを行わないと、後でガラスから漏れて真空が破壊される可能性があります。この加熱プロセスにより、真空ガラスは強化または熱強化できません。真空安全ガラスが必要な場合は、ガラスをラミネートする必要があります。また、ガス抜きに必要な高温により、赤外線による熱損失を防ぐために他の形式の最新の断熱ガラスの内面 (つまり、空気層に面している面) の片方または両方に塗布されることが多い、非常に効果的な「柔らかい」低放射率コーティングが破壊される傾向があります。ただし、真空ガラスには、やや効果の劣る「硬い」コーティングが適しています。

さらに、真空ガラスユニットの外側には大気圧が存在するため、2 枚のガラス板が互いにたわんだり接触したりしないように、何らかの方法で離して保持する必要があります。そうしないと、ユニットを真空にする目的が達成されません。ガラス板を離して保持する役割は、スペーサーのグリッドによって実行されます。スペーサーは通常、約 20 mm 間隔で配置された小さなステンレス鋼のディスクで構成されています。スペーサーは非常に近い距離、通常は最大 1 m からしか見えません。ただし、スペーサーは熱を伝導するため、寒い天候では真空窓の表面に一時的なグリッド状のパターンが形成されることがよくあります。これは、スペーサーの周囲に小さな円状の内部結露 (ガラスは平均よりもわずかに冷たくなります) が発生するか、または、外部に結露がある場合は、ガラスの外側に小さな円状のパターン (スペーサーにより近くのガラスがわずかに暖かくなるため、結露はありません) が発生します。

スペーサーによってガラス板間の熱伝導が起こるため、真空ガラスの全体的な断熱効果は制限される傾向があります。しかし、真空ガラスは、2 枚のガラス板が大気によって押し付けられ、曲げ力に対して実質的に 1 枚の厚いガラス板として反応するため、従来のより厚い複層ガラスと同等の断熱性があり、強度も向上する傾向があります。真空ガラスは、他の一般的なタイプの窓ガラスと比較して、非常に優れた遮音性も備えています。

熱低減ガラスの一種に放射冷却を利用するものがある。このガラスには、コンタクトレンズポリマーでコーティングされたガラスの上に、シリカ、アルミナ、酸化チタンからなる厚さ1.2ミクロンの透明放射冷却層（TRC）が含まれている。この層は可視光のみを通過させるため、建物の冷却コストを最大3分の1削減できる。開発者は機械学習と量子コンピューティングを使用してモデルを迅速にテストし、最適な代替案を特定した。^[20]

米国のほとんどの管轄区域で施行されている最新の建築基準は、2006年国際建築基準（IBC、2006年）です。2006年IBCは、アメリカ土木学会（ASCE、2005年）が地震対策として作成した建物およびその他の構造物の標準最小設計荷重の2005年版を参照しています。ASCE 7-05には、建築用ガラスの要件を含む非構造部品の特定の要件が含まれています。^[21]

設計が不適切だと、大量のガラスを使用した凹面が太陽の角度によっては太陽光集光器として機能し、人を傷つけたり財産に損害を与えたりする可能性がある。 ^[22]

• 建築工事
• グリーンビルディングのガラス
• ガラス博物館とギャラリー
• グレージング
• 4重ガラス
• 加熱可能なガラス
• 断熱ガラス
• リードライト
• 太陽熱集熱器
• ステンドグラス
• ステンドグラス – イギリスのガラス、1811～1918年

• ノエル C. ストークス;ガラスおよびグレージング ハンドブック;オーストラリア規格; SAA HB125-1998

ウィキメディア・コモンズには、ガラス建築に関連するメディアがあります。

• 北米ガラス協会 (GANA) – 建築用ガラスに関する教育文書とビデオ
• 全米ガラス協会 (NGA) – ガラスの歴史と種類
• ウェールズ建築ガラス学校、スウォンジー – 1946 年に設立された英国を代表する建築ガラスの教育と研究の中心地
• パウル・シェーアバルト：ガラス建築（1914年、ドイツ語）