奥运"水立方"源自---106年前英国物理学家的泡沫理论

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导读:1887年,英国物理学家凯尔文勋爵提出了一个问题:“如果我们将三维空间细分为若干个小部分,每个部分体积相等,但要保证接触表面积最小,这些细小的部分应该是什么形状?”106年以后,爱尔兰教授威尔莱和弗兰提出了一个新的解决方案,被认为是凯尔文勋爵问题的最理想的答案。 但这样的形式作为建筑结构还从来没有使用过,直到“水立方”的出现   没有人为了要解答凯尔文勋爵的问题而设计“水立方”,但在28日,当北京城北一座晶莹剔透泡泡建筑宣布了它的诞生后,为泡沫理论奋斗了百余年的成千上万设计师终于

1887年,英国物理学家凯尔文勋爵提出了一个问题:“如果我们将三维空间细分为若干个小部分,每个部分体积相等,但要保证接触表面积最小,这些细小的部分应该是什么形状?”106年以后,爱尔兰教授威尔莱和弗兰提出了一个新的解决方案,被认为是凯尔文勋爵问题的最理想的答案。



但这样的形式作为建筑结构还从来没有使用过,直到“水立方”的出现


没有人为了要解答凯尔文勋爵的问题而设计“水立方”,但在28日,当北京城北一座晶莹剔透泡泡建筑宣布了它的诞生后,为泡沫理论奋斗了百余年的成千上万设计师终于看到了最佳的答案——国家游泳中心。


它浑身散发着通透的神采:巧夺天工的设计、纷繁自由的结构、简洁纯净的造型、环保先进的科技,它凝聚了中国人的智慧和自主创新的勇气,它实践北京奥运会“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”三大理念,这一切,使天蓝色的“水立方”——国家游泳中心注定要成为北京乃至世界建筑史上的标志性建筑。火柴棒创造中国标准


有人说,“水立方”没有盖上外层膜,只显露钢筋铁骨时更有魅力,不同年龄段的人看到它都有不同的理解。孩童认为那是一个巨大的积木;青少年则在这个巨大的“变形金刚”中寻找千姿百态的造型;成年人把它当作立体思维形象模型;老年人则在这个编织了一生的网帐里回忆。这就是“水立方”的筋骨,被称为泡沫理论的钢结构。


这样的结构从模糊概念开始,更是吸引了无数设计师为之奋斗。在泡沫理论提出一百多年以后,1993年,爱尔兰教授威尔莱和弗兰提出了一个新的解决方案——在构造模型中采用两种不同的单元体,一种为14面体,另一种为12面体。实际上,自然界早已给出了答案:水在气泡状态下的组合就是这个命题的最佳解决方式。细胞组织单元的基本排列形式、水晶的矿物结构等也是如此。到目前为止,爱尔兰教授的方案被业界认为是凯尔文勋爵问题的最理想答案,但这样的形式作为建筑结构还从来没有使用过,直到“水立方”的出现。


泡沫理论所要解决的问题,是三维空间内各部分的接触表面积最小,对于钢结构来说,就是所用的材料最少。“水立方”的钢结构采用了12面体与14面体组合的理想形式,从而大大减少了需要的钢材数量,整个钢结构仅用钢6700多吨。


都是钢结构,但“水立方”和“鸟巢”却大不相同。“水立方”的钢结构最大的特点就是不规则,纵横交错中透着一股自然的纯美。然而,正是这种自然的不规则形态给焊接带来了极大的困难。“水立方”设计单位负责人笑谈,“水立方”的钢结构是一个“三无工程”——无先例、无规范、无标准。在设计、施工时,“水立方”的钢结构甚至都没有一个标准的称谓。


要说搭建“水立方”的焊工师傅都是“空中飞人”可不是过誉。“水立方”的外墙和里层由上千个气泡组成,为了搭建这种不规则多面体空间钢框架结构,施工队需要在空中把一根根钢杆件当成气泡的边棱,逐个在空中按照设计好的位置固定,再与连接边棱的钢球焊接,制成气泡形状。


刚一开始,“水立方”进行钢结构焊接时,施工单位开始考虑的方法也和“鸟巢”一样,在地面操作台上焊接一部分,再吊装进行整体焊接。但试验了几次以后发现,要把钢梁拼成气泡形状、找到钢梁在空中的准确位置非常困难。


由于“水立方”的组成部分都是不规则的多边形,如果进行平面焊接,再吊装整体组合,多点空中定位连接的误差不好控制,而且累加的误差像滚雪球般越积越大,工程质量无法保证。工程师们试了GPS定位、激光定位等很多办法,但工程进度总是太慢。即使在焊工们熟练之后,速度也只能提高到每天几十根。按照这个速度,“到2010年也装不完”。


出人意料的是,这个看似无法解决的问题终于找到了“破解秘籍”。几名施工人员在工余抽烟时,突然发现杆件和连接球连起来很像一根火柴,这让他们恍然大悟,中学几何里的“一条直线和线外一个点确定一个平面”定理可以就用于杆件定位,所有操作凭借全站仪(空间定位设备)在空间完成,最大程度地减少了互连之间的误差,工程进度也猛增了3倍。两万根杆件、将近一万个连接球在20多个专门负责对号入座的工人传递下,在300多名焊过军舰、拿着至少八级焊工证书的“全国顶极”焊工手里,像堆积木似地快速而准确地拼插在一起。


在引进插件式脚手架体系之余,施工人员还自创了“踹、卧、蹲、托、抱、躺”施工六姿,按焊接点的位置选择不同的焊接姿势。在此之后的测量数据表明,焊接结果甚至“优于设置值”。


加上焊工技艺越发熟练,工地高峰时每天杆件的焊接速度最高达到200多根。钢结构提前一个多月封顶后,工人自创的这套工作方法也同“水立方”工程师们的建筑理论一起,被写进了《多面体延性钢架结构施工管理技术规程》。


一个8万平方米的建筑,如此大规模的不规则钢结构施工,“水立方”的建设者们仅仅用了10个月的时间便完成了如此高技术含量的大规模作业,在世界建筑史上不能不说是一个奇迹。“这样的工程,在国外实施起码也要3年至5年,只有在我们国家,才能在这么短的时间内调动如此大规模的优秀专业人才来集中进行这样作业”,“水立方”总包单位一位负责人说。


在“水立方”建设的同时,全球研究泡沫理论的建筑学家几乎都到过施工现场取经,有的甚至来过多次。这些专家都为中国人自主创新的能力由衷钦佩。来自德国的一位专家称,若干年内,“水立方”将是世界钢结构泡沫理论的教科书。“水立方”钢结构的设计和施工震惊了世界,英国《卫报》发表文章称其为“理论物理学的杰作”。然而,最让建设者们感到骄傲的是,在世界建筑领域内,从此有了中国人创造的标准。


泡泡外衣让“水立方”永葆青春


这里所说的“泡泡”就是“水立方”的膜结构,使用的是一种名为ETFE的特殊材料,最早使用于航空工业中,在业内素有“塑料王”的美誉。由于这种材料耐腐蚀、保温性能好、自清洁能力强,在过去20年内,欧洲有超过600个建筑都用了这种材料,包括德国的安联体育场和英国“伊甸园”植物园。经过20多年使用,这些建筑中使用的ETFE膜透光性和强度没有出现丝毫的退化,迄今为止工况良好。ETFE薄膜的使用在国内尚属首次,“水立方”的设计寿命为100年,薄膜能否与“水立方”陪伴终身?


“水立方”外层被10万平方米的膜结构包裹,这也是迄今为止世界上最大的膜结构工程。从外表看,每一个“泡泡”都形状不一,其实它是由24种形状组成,最大的达到90平方米,最小的只有1平方米。铺膜的层数也不同,立面的膜有3层,顶面则为4层。


过去20多年的数据毕竟只具有参考价值,“水立方”的膜结构如何养护?在安装之前,工程人员曾进行了抗冲击实验以检验膜的强度。实验时,在膜上方2米至3米的地方,让削尖的木楔子向气枕落下,看它能否承受这种冲击而不会破漏。通过这些实验以及在实验室内进行的拉伸实验,证明膜的强度是符合使用要求的,即使面对冰雹也没有问题。每个“泡泡”在没有超出变形范围的前提下,还可以抵抗零下一百多摄氏度的低温。


“水立方”周围设置了“护城河”,内层膜结构也与公众活动区域有一定距离,这样的设计保证了公众不可能近距离接触到这些“水泡泡”,这就大大降低了它受伤害的可能。此外,ETFE为半透明的材质,“根据生物学原理,鸟儿们是不大愿意停留在半透明物上的。”“水立方”顶部设有雨洪收集系统——排水天沟,这个地方也成为鸟儿们在“水立方”惟一的落脚点,为了保证落在上面的鸟儿们远离“泡泡”,设计者们又在天沟接近膜结构的部位设置了金属线供鸟儿们落脚,确保他们不会步入“禁区”。


“水立方”内外层膜结构之间有一个充气的空间,被称为气枕,倘若膜结构局部出现破损会有怎样的后果?大可不必担心。由于气枕中的压强仅为250帕,只比外部自然状态下的压强高出一点,因此,局部的破损后,里面的空气只会慢慢的释放,不会“嘭”地爆开。而局部破损后的膜结构非常容易修补,只要使用ETFE材料制成的胶水修复即可。


北京奥运会举办时正值盛夏,酷暑天气会不会使“水立方”变成一个汇聚阳光的“温室”?如何在保持游泳馆的透明、美观的同时,避免透明场馆温度偏高、出现眩光?解决上述问题的法宝就是分布在ETFE膜上的上亿个镀点,他们将像“遮阳伞”一样控制着“水立方”的温度和采光。


“水立方”外层气枕的内层膜和内层气枕的外层膜上都镀着16毫米大的镀点,密度从10%到65%不等,以控制膜的透光度,减少阳光带来的热量,以免室内温度过高。透过的阳光在室内会形成舒适的温室效应,保持室内的温暖,能节省约30%的能源。


这些镀点的妙用还不只这些,它还可以改变光线的方向,起到隔热散光的效果。这些“镀点”布成的点阵,就像一把把遮阳伞,把刺眼的光线和多余的热量挡在场馆之外;而在一把把“遮阳伞”之间,所需光线可以自由通过,保证场馆的温度和采光。


房子大了,最麻烦的是打扫。但您不必为“洗”一件10万平方米的外衣担心。ETFE膜有很强的自洁性,它本身摩擦系数很小,灰尘、污垢在这滑溜溜的表面上根本“站不住脚”。即使表面有些浮尘,只要下点小雨,立面的膜就能被冲洗得很干净。即使人工擦洗,擦干净ETFE膜也要比自家擦玻璃、擦桌子省力得多。外秀内美“水立方”魅力无穷


“水立方”长177米、宽177米、高31米。地下两层,地上四层。一个标准游泳池,一个跳水池,一个热身池。17000个坐席,其中赛时临时坐席11000个。2008年北京奥运会期间,将承担游泳、跳水、花样游泳等比赛,产生42枚金牌。它分为比赛大厅、热身池大厅和嬉水乐园大厅三个区域。


在冬日暖阳的照射下,“水立方”的ETFE膜反射出柔软的光——宛如坠入人间的璞玉。它像恬静秀美的女孩,与东边彪悍刚毅的大哥哥——“鸟巢”形成了绝佳的景观配合。白天,蓝色闪着荧光的水立方含情脉脉地矗立在那里,面对“鸟巢”的一面,几乎每一个泡泡里都有哥哥的身影。当夜幕降临,“水立方”气泡在灯光的照射下流光溢彩,这座湛蓝的琉璃宫殿更加纯净、柔美,魅力无穷。


对于“水立方”,它的设计师之一澳大利亚PTW建筑师事务所设计师约翰·保林有过这样的憧憬:“白天,明媚的阳光透过那些蓝色的泡泡照进来,你躺在人造沙滩上,耳边是涛声,还有冲浪的人们兴奋的尖叫;到了夜晚,灯光亮起来,那简直就是一座蓝色的水晶宫殿……”


而“水立方”的美绝不仅如此。走进“水立方”,处处都会让你感到它的魅力所在。“水立方”的华美皆因它湛蓝的外衣,但是出于保护的需要,我们很难亲手触摸到这些神奇的“泡泡”。不过,在“水立方”二层的东南侧,一个叫做“泡泡吧”的好地方可以圆您与“水分子”亲密接触的愿望。它像一个透明的岩洞,可以与“泡泡”零距离,“泡泡吧”也由此而得名。


“水立方”内部的设计可谓充分考虑了各种视觉需求,走廊与外界隔开的地方都是使用大面积的玻璃,这样,在“水立方”内部,您就能看到雄奇的钢结构,这些错综复杂,带着不规则美感的钢结构将带给你极大的视觉冲击。


水的概念无处不在。在很多地方有饮水处,墙面上有类似水管的霓虹灯,几只水龙头,只要轻轻一按,环环水流就会像泉水一样流出来。您大可放心,这里饮用水的标准,不会低于名牌瓶装饮用水。


虽然北京已到了严冬季节,但在“水立方”里,湿度令人感觉非常舒服。设计人员告诉大家,就算在炎热的八月,室内也没有蒸汽。


通常来说,巨大水量将使得室内湿度非常大,从而引起各种问题。但“水立方”却利用空调巧妙地解决了这一问题。“水立方”利用热回收型组合式空调机组、多功能机械通风技术、空调采暖加湿、除湿和控制技术等技术,解决了室内环境的湿度问题。


“如果跳水运动员在起跳时,被屋顶的蒸汽水滴砸中而影响成绩,也是万万要不得的。”设计师说,游泳馆还有一个普遍存在的重要问题——结露。因为场馆内有水,水汽上升凝结之后会在屋顶的膜上形成露水滴下来。他们在屋顶面的下弦安装了专用风机,向屋顶内侧的膜吹风,将水汽吹散掉,使其无法形成露水。


作为游泳、跳水等水上项目的比赛场馆,“水立方”对室内温度的控制非常严格。据介绍,为了保证运动员顺利比赛,同时也为观众提供舒适的观赛环境,“水立方”内部的温度将进行分区域控制。比赛场地内,由于运动员都是身着泳衣比赛,其温度被控制在了25摄氏度至26摄氏度,而在观众活动的区域内,温度就被控制在了18摄氏度至20摄氏度,使不同人群的感觉都非常舒适。


宽阔的比赛大厅,像水花泛起的座椅颜色,高标准的视听设备和竞赛设备等等,“水立方”里满眼亮点。奥运会赛后,国家游泳中心将改造成为“以水为特色”,为社会提供服务的多功能时尚中心。再过几天,“好运北京”2008年中国游泳公开赛将在这里举行,您可以亲临其境感受一下“水立方”的外秀内美。


在竣工仪式现场,数十位来自全球各地的港澳台侨同胞欣喜地来到现场。他们作为向“水立方”捐款的代表见证了这座意义非凡的奥运场馆的竣工。截至目前,北京市港澳台侨同胞共建北京奥运场馆委员会举行了第八次向国家游泳中心拨付捐款资金仪式。“水立方”已收到来自102个国家和地区的35万多位港澳台侨同胞9.3亿多元人民币的捐款。“水立方”已非同一般意义的体育设施,而是展示中华民族凝聚力的丰碑。


泱泱大国,泱泱“水立方”。


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