“水立方”结构揭秘--透视H₂O泡泡

　　本篇文章内容由[中国幕墙网]编辑部整理发布：

　　水立方简介：

    奥林匹克公园国家游泳中心“水立方”的标准座席有1.7万个，其中临时座席约1.3万个，永久座席4千个。奥运会期间，承担游泳、跳水、花样游泳、水球等比赛。其主体结构设计使用年限１００年。“水立方”也是北京市政府指定的惟一一个由港澳台侨胞捐资建设的标志性奥运场馆。目前，超过１０万人参加捐赠，捐赠到位资金已超６．５亿元人民币，最大的一笔就是霍英东捐出的2亿港元
　　方案中标后取名为 ［H₂O］3“水的立方体”（Water Cube），据说灵感来源于“一个方盒子”、许多“水泡泡”和许多的“水分子”。  该方案由中国建筑工程总公司、澳大利亚PTW建筑师事务所、ARUP澳大利亚有限公司联合设计。 外方主任设计是为：PTW建筑事务所的：约翰·保林（John Pauline）与托比·王（Toby Wong）。


　　“水立方”外观设计和多面体延性钢架结构：

　　从外面看，整个“水立方”就像一个湛蓝色的“方盒子”，总体建筑面积大约8万平方米，高约30米，建筑外墙采用新型环保节能的ETFE（词条“ETFE”由行业大百科提供）(四氟乙烯)膜材料，由3000多个气枕组成，展开面积达11万平方米。这些气枕模仿大自然液体的气泡，面积各不相同。安装一个气枕，从工厂剪裁到安装完备，大概两三个小时。对于“水立方”国家游泳中心副总经理钢结构负责人孙彦朝曾经说过：“非常新奇，梦幻般的。但是一百多张设计图只是告诉我们这个建筑是什么，并没有告诉我们这个建筑该怎么把它建造起来......
　　设计者从水分子和水泡的微观结构，演绎出一种新型的刚性结构体系，表面覆盖的ETFE透明膜又赋予了建筑冰晶状的外貌。方的形状代表中国人最朴实的一种观念，还有从城市规划角度，北京这个城市从方形演化成的城市，在这个格局里，方形代表着人的智慧。另外我们对水的理解更希望它是外表上很宁静的感觉，但是又蕴藏着很多可变的可能性，这是水的特点。它的颜色能反映周围自然界的表情，使建筑本身非常丰富。

　　设计者发挥了中国传统的空间观、宇宙观和建筑观，将建筑形体设计为单纯的"方"。这个看似简单的“方盒子”是中国传统文化和现代科技共同“搭建”而成的。中国人认为：没有规矩不成方圆，按照制定出来的规矩做事，就可以获得整体的和谐统一。在中国传统文化中，“天圆地方”的设计思想催生了“水立方”，它与圆形的“鸟巢”——国家体育场相互呼应，相得益彰，方形的建筑轮廓和国家体育场圆形的轮廓形成了较好的呼应，又非常协调。而这个“方盒子”又能够最佳体现国家游泳中心的多功能要求，从而实现了传统文化与建筑功能的完善结合。

　　方案中采用的膜结构建筑形式是21世纪最具代表性的一种全新的建筑形式，至今已成为大跨度空间建筑的主要形式之一。它集建筑学、结构力学、精细化工、材料科学与计算机技术等为一体，建造出具有标志性的空间结构形式，它不仅体现出结构的力量美，还充分表现出建筑师的设想，享受大自然浪漫空间。 在2008年的奥运会建筑设计上，膜结构被完美的体现。

　　水立方最动人的视觉效果就是无论从场馆内外任何角度来看，都可以看到一个个紧密相连的半透明的水泡，而看不到一根多余的钢梁。那么，水泡和钢梁怎样融为一体呢？一百多年前的科学家罗德.科尔文就提出了这个“气泡理论”。他说，其实自然界中很多物质的排列结构，都是以这种气泡的结构方式组成的,据说这个气泡理论便是解决"水立方"结构问题的基础。"水立方"整个的构件是两万个杆件，一万个球，一共加起来是三万个构件组成这样一个结构体系。每一个结点，每一个杆件都是不一样的。

　　国家游泳中心"水立方"的墙体和屋盖（词条“屋盖”由行业大百科提供）结构创造性地采用了新型多面体空间刚架结构体系,该结构的弦杆选用矩形钢管、腹杆选用圆钢管,节点为焊接球节点.虽然结构的构成类似网架结构,但结构构件的受力状况完全不同于网架结构的二力杆,而表现为类似空腹网架的刚接梁.杆件内力包含弯矩、轴力、剪力、扭矩,弯曲应力大于轴向应力（词条“应力”由行业大百科提供）,所以结构的优化较为复杂.结构设计计算中的优化内容,包括:"强墙弱盖"优化,墙体杆件和屋盖杆件选用不同应力水平控制;截面类型优化,放弃加劲肋截面而改用紧凑型截面,充分发挥截面塑性,提高结构延性;几何构成"杂交"优化,将屋盖下弦贯通内墙,为减小屋盖与墙体交界处杆件过大的弯曲（词条“弯曲”由行业大百科提供）应力而附加少数腹杆,形成局部汇交力系;"铰接"优化,采用铰接计算处理策略,将少数弯曲应力较大无法满足规范要求的杆件两端处理为铰接,加强其周围相关杆件,再刚接迭代计算,较好满足承载力要求;"强节点弱杆件"优化,提高结构延性,确保杆端焊缝破坏晚于杆件屈服。

　　要把一个个气泡堆积成为一面墙，关键是找到作为气泡边缘的钢梁的准确位置。工程师们试了很多办法，包括GPS定位、激光定位、整体平移、分区域安装，但问题始终存在!据说“英雄”来自一位有经验的老工人师傅在摆弄几根火柴时想到一个好办法:先由一个点和一根杆件确定一个平面,然后其它的杆件位置就通过目测就可以基本准确的确定。思路做了一个调整，不要先想着造一个球，如果先把球的一个面先造出来，其它几个面同样的办法，也会很快地造出来，这样一个球体自然就形成了。利用高中几何当中的，一条线和线外一个点，确定一个平面。工人师傅这种土办法解决了大问题。这种结构形式现在被叫做多面体空间钢架结构。这一种结构在过去，不单单在我们国家，在世界上还是没有的，这样一种世界上第一的水立方游泳馆这种结构形式，是我们中国来实现的。由工人师傅创造的这套工作方法也同工程师们的建筑理论一起，被写进多面体延性钢架结构施工管理技术规程，我国对这一规程拥有完全的自主知识产权。我又要唠叨了：“顺应自然、道法自然"，劳动者的智慧是无穷尽的！应当留名嘉奖那位师傅才对.......
　　为了呈现出三维设计动画中“水立方”的那种效果，气枕安装完毕后还需要充气。据施工方现场负责人于程松介绍，这个过程完全由“水立方”的电脑自动充气系统监控，该系统可以根据当时的气压、光照等条件控制每个气枕的充气状态。虽然“水立方”的膜结构在外观上是一个统一的整体，但每个气枕都相对独立。因此，即使其中一块损坏，也不会造成“水立方”的整体“泄气”。而且，更换损坏的气枕也非常方便。

   

　　水立方ETFE四氟乙烯膜材料揭秘：

　　“水立方”是世界上最大的膜结构工程，除了地面之外，外表都采用了膜结构材料，蓝色的表面出乎意料的柔软但又很充实。在我国，这还是首次使用。水立方”所营造的这种建筑氛围和艺术效果，得益于一种新型的建筑材料一ETFE(四氟乙烯)。它是一种轻质新型材料，国内现在还没有。ETFE是膜材料的一种，具有有效的热学性能和透光性（词条“透光性”由行业大百科提供），可以调节室内环境，冬季保温，夏季散热，而且还能避免建筑结构受到游泳,ETFE是一种乙烯和四氟乙烯的共聚物，该树脂是最坚韧的氟聚合物，可以形成一层高度耐用的涂层，具有卓越的耐化学性（词条“耐化学性”由行业大百科提供），并可在150℃下连续工作。几乎所有物质都不与特氟龙涂膜粘合,很薄的膜也显示出很好的不粘附性能。 目前世界上只有三家企业能够完成这个膜结构。

　　ＥＴＦＥ（四氟乙烯）材料质地轻巧，但强度却超乎想象，正常情况下在上面停辆一般重量的汽车都不会被压坏。“水立方”外层膜的延展性也很强，可以被拉伸到本身的三到四倍。另外，气枕里面所充的是过滤过的普通空气，内部压力控制在２５０至３００帕之间，不仅抗压性好而且有很好的弹性，形象地说，一个人在气枕上玩蹦床都没问题。７１５℃燃点不容易起火,即便被点燃，这种材料在燃烧时并不会扩散，且无烟，无燃烧物掉落。单块膜结构气枕最大重量达到了５０公斤，根据功能不同其厚度为８０微米至２５０微米不等（１微米＝０．００１毫米）。

　　考虑到场馆的节能标准，膜结构具有较强的隔热（词条“隔热”由行业大百科提供）功能；另外，修补这种结构非常方便，比如，射枪或者是尖锐的东西戳进去后，监控的电脑会自动显现出来。如果破了一个洞，只需用不干胶一贴就行了；膜结构还非常轻巧，并具有良好的自洁性，尘土不容易粘在上面，尘土也能随着雨水被排出。膜结构自身就具有排水和排污的功能以及去湿和防雾功能，尤其是防结露功能,对游泳运动尤其重要。水立方膜结构的充气系统是全自动的，其中任何一个细节出现问题，工作人员都能通过电脑及时监测到。每个气枕都有一个相对独立的充气系统，不会出现一损俱损的情况。气枕的维修也非常方便，万一出现外膜破裂（词条“破裂”由行业大百科提供）、漏气的情况，工作人员将在８小时内对破损的外膜修补或更换新的。目前，北京已建厂生产这种ＥＴＦＥ膜（“水立方”外层膜结构数量达到了１４３７块）。

　　注：四氟乙烯薄膜以前多用于：电容器的绝缘材料、特种电缆的绝缘层、电器仪表的绝缘、不粘带、密封带，还可用于马达、变压器的绝缘。 因此国内正在组建的聚四氟乙烯薄膜生产厂家正在大量收购国外废旧机械上的ＥＴＦＥ零件，估计是用于水立方等膜建筑的，损毁膜更换！还有有专家称，这种材料完全可以用在家庭中的窗户或者院子里的阳光棚。

   

　　人性化设计理念的体现：

　　水立方”的多处设计体现了人性化的理念既有助于运动员创造佳绩，同时也充分考虑了观众观看比赛的需求。

    1、“水立方”的泳池深度达到了13米,这样的深度可充分减少水温对运动员的干扰，在不久的将来，“水立方”内层膜结构安装完成后，泳池的水温将被控制在28摄氏度，这样的水温最适宜运动员的发挥。

    2、“水立方”在室内环境的设计上也充分考虑了运动员和观众的需要。例如，在屋顶安装照明设备时，施工方对其角度进行了优化，不仅消除了灯光对运动员比赛的影响，同时为观众提供一个理想的观看比赛的环境。

    3、“水立方”在室内环境的设计上也充分考虑了观众的需要，在泳池两侧放置了大屏幕，屏幕尺寸达到了２３．８平方米。

    4、运动员光脚走路不觉凉，由于比赛池和热身池中间有一定距离，运动员在这两池之间往往是赤脚往返，“水立方”对这段路程的地面做了特殊、细致的处理，届时，“运动员走过去都很舒适”，不会觉得脚凉。

    5、游泳中心内的游池应用了许多创新式的设计，如把室外空气引入池水表面，带孔的终点池岸，视觉和声音发出信号等。还有一些高科技设备，如确定运动员相对位置的光学装置、多角度三维图像放映系统等，这些装置将帮助观众更好地观看比赛。

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