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水立方的膜力

作者：建筑中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-23 10:01:56 [收藏]


    　　北京奥运会重点工程、国家游泳中心“水立方”即将全部竣工，目前，其内部装修已近尾声，预计全部工程将在1月28日结束。很快，水立方将上演它的“处女秀”――1月31日~2月5日“好运北京”中国游泳公开赛将在这里举行。

    　　“这是一种东方式的思维，一种寻找事物间均衡关系的努力。”水立方项目相关负责人张伟（化名）介绍。

    　　“中外合作设计在中国已不是新鲜事，但是很多情况下合作得并不完美。经常是外方做方案概念，中方深化设计，在这个过程中由于缺乏一方积极参与的主动性而使合作更多时候仅仅是一种分工。而在本次合作中，中方设计团队在设计中始终处于主导地位，对设计全过程进行了强有力的控制。”张伟说。

    　　随着对张伟采访的深入，记者也被带进了这个巨大的水世界。

    　　没用一根钢筋、一块混凝土的建筑

    　　没有使用一根钢筋、一块混凝土，这个矗立在我们面前的“水立方”占地7.8公顷，由5个游泳区、1.7万个席位组成。

    　　如果说规矩的四方体会让人感到乏味的话，那么气泡和自由结构的加入，就使得“水立方”凸显出很浓的浪漫气息。站在“水立方”面前，发现其表面上自由的结构并非初看上去的杂乱无章，一种极为严格的数字逻辑蕴含其中。似乎能穿透平静的第一印象，看到漫天的水泡，仿佛置身在水中。

    　　虽然外界之前对于水立方外表膜结构的报道也不少，但似乎还有很多我们不知道的科技。到底这种膜有何“魔力”？

    　　“水立方”的屋盖和墙体的内外表面均覆以ETFE（ETFE是Ethylene Tetra Fluoro Ethylene乙烯―四氟乙烯共聚物的缩写）气枕，单层气枕覆盖面积达10万平方米，落成后将成为世界上最大的ETFE工程，同时也成为单个气枕最大、拥有内、外两层气枕结构的独一无二的建筑物。

    　　ETFE气枕不仅在视觉效果上充分满足了建筑美学对水的形态――泡沫状态下水分子结构的表达，同时也最大限度的配合了主体中国建筑金属结构信息网“泡沫”结构系统的设计。

    　　ETFE是一种无色透明的颗粒状结晶体。由ETFE生料挤压成型的膜材是一种典型的非织物类膜材，为目前国际上最先进的薄膜材料。它具有质量轻、寿命长、抗拉伸、延展性好、抗紫外线和化学物质侵袭能力强、自洁性好、透明度高、熔点高等优势。

    　　“实际应用中通常采用两层或者多层ETFE膜，将气枕边缘固定并向空腔内充气形成气枕。内压使ETFE薄膜产生张力，生成初始形状并提供气枕的刚度。气枕在外部荷载的作用下，通过表面张力将平面外荷载转化为平面内应力，并传递至气枕边框上进而传递至主体结构上。”张伟说。

    　　气枕内压可根据外部荷载而调整

    　　如果近距离的观看“水立方”，可以发现，屋面、外立面和内立面分别采用了四层膜、三层膜和两层膜的ETFE气枕，气枕边缘通过铝合金夹具和钢转接件固定到主体中国建筑金属结构信息网上。

    　　建筑物表面承担着抵抗外部风荷载、雪荷载和热量的工作；内表面被设计为防潮层，为空中维护的人员提供保护。根据建筑物不同部位的风荷载，本项目对外立面和屋面的局部气枕进行了加固处理以抵抗相对较大的风荷载。

    　　加固方法是在气枕外表面附加一层ETFE膜材，该层膜材与原气枕最外层ETFE膜之间采用真空处理，使两层膜在风荷载作用下共同工作。

    　　与ETFE充气枕相配套的充气系统能保持气枕内部压力的恒定，气枕内压约为200MPa，外凸矢高为气枕对角线长度的15％。当屋里积雪较多时，气枕的充气系统将提高屋面气枕的内压至550MPa，同时加大外凸矢高，以增加气枕的抗压能力不至于被积雪压垮。最基本的充气系统包括可以进行湿度控制的鼓风机，它里面的过滤器可以防止湿气和灰尘进入气枕内。比较先进的充气系统可以和传感器相连，以使得气枕内压可以根据外部荷载的变化而进行调整。

    　　科技零件组装“水立方”

    　　走进“水立方”的内部，更有很多不为人知的科技秘密。

    　　刚一坐到观众看台上，就觉得腿和脚都热烘烘的。原来，在体育馆内的一些看台和座位底下都有加热系统的出风设备，虽然是水上项目，也绝对不会感觉潮湿和寒冷。

    　　“这里的空调系统是恒温的，为25~27度，”张伟说。在场馆大厅内大声咳嗽一声，几乎听不到任何声音的回响，“这就是我们引以为豪的声学系统，因为噪音很容易影响运动员的情绪，之前就有一些运动员因为噪音抢跳的情况。”张伟笑着说。

    　　因此，“水立方”根据国家有关规定及声学专家的意见，确定了此类建筑的声学控制指标，对于泳池比赛大厅，采用了一系列的固定措施及临时措施，比如在场馆的各个地方都安装了吸音设备和材料及铝合金吸音板等，成功地将混响时间控制在2.5s以内，同时也解决了雨噪声的问题，确保此建筑物符合奥运会的声学要求。

    　　“为什么室内的游泳馆可以不开灯？”

    　　“这就是‘水立方’另一个值得骄傲的地方，自然采光。”张伟介绍，由于所作围护结构是一种透明/半透明的结构体系，充分利用自然光成为这一建筑物的一个亮点，通过合理设计，既克服了大量眩光、直射光在建筑物内出现，又实现了自然光利用时数年平均9.9小时/天。

    　　此外，设计师还设计了符合建筑师要求的立面照明系统，比赛的时候，场馆内将会展现水立方的整体感和纯净感，同时实现“海蓝水波”、“深海探秘”、“水火交融”、“碧波荡漾”等场景。

    　　“目前，对于立面外部投影，现正联合国内最先进的科研单位，联合攻关，目前投影样机已研制，正处在实验阶段。”张伟说。

    　　控制气流 保证不结露水

    　　由于游泳馆长期处于高温、高湿的环境下，防结露一直是室内泳池设计的一个重大课题。“水立方”的防结露手段，首先是从建筑围护结构的热工要求开始的。通过设计，ETFE围护结构的传热系数屋顶达到0.69 W/3，墙面达到0.89 W/3，远远小于高级玻璃幕墙的传热系数，不仅使此建筑物符合国家有关公共建筑节能规范的要求，也为游泳池防结露提供了一个前提。

    　　同时，“水立方”设计还结合国内外成功经验，合理设计空调系统，合理设计游泳池和戏水池的大空间气流组织。通过CFD模拟等高科技设计手段，科学布置送风、回风和排风口，保证上部空间气流的换气次数。为了确保不出现结露现象，还在紧贴屋顶下部的马道下单独布置了防结露加热送风系统。对于围护结构立面，也布置了防结露送风空调通风系统，同时也设计了池水覆盖等简单实用的手段，确保不出现结露现象。

    　　另外，“水立方”在太阳能被动池水加热及水资源的有效使用和循环利用方面、比赛大厅空气调节气流组织方面、ETFE镀斑点减小遮阳系数及双层墙通风技术上、充分利用冷冻机废热加热生活用水、太阳能遮阳亭的设计使得光伏发电技术和建筑景观设计完美结合等方面，都做了创新并达到了国际先进水平。
    　　
    来源：中国经营报
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