水立方调研报告

中矩之方，梦幻之蓝——国家游泳中心“水立方”调研报告国家游泳中心(以下简称“水立方”)是2008年北京奥运会三大标志性建筑物之一，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。奥运会期间，承担游泳、跳水、花样游泳等比赛。奥运会赛后将成为一个多功能的大型水上运动中心；既可举办大型国际赛事，又能为公众提供水上娱乐、运动、休闲、健身等服务。“水立方”位于奥运公园B区，坐落于奥林匹克中心区西南角。主体建筑紧邻城市中轴线，并与国家体育场相对于中轴线均衡布置。本工程为特级体育建筑。主体结构设计使用年限100年。“水立方”以中国传统文化中的“天圆地方”为设计理念，采用方盒子的形式，充分运用新的结构形式与膜材料，将现代科技与传统价值观念充分揉合，展现出了强大的表现力与震撼力，为2008年北京奥运会写下浓墨重彩的一笔。关于水的立面泡泡吧钢结构二层观众通道热身池一、项目概况项目名称：国家游泳中心项目地点：北京奥林匹克中心区B区基地面积：6.28m2建筑面积：8.7万m2建筑高度：31m容积率：1.23坐席数：赛时17000，赛后6000（固定座位数：4000个永久，2000个可拆除）停车位：384辆结构：钢筋混凝土+钢结构钢结构设计总重量：约6700吨国标钢材：Q345C、Q420C钢结构杆件总数：20670根焊接球：9843个设计/建成：2003年4月-2006年6月/2008年1月设计团队：中建总公司国家游泳中心设计联合体中建总公司CCDI中建国际设计PTWArchitectsArup设计总负责人：赵小钧执行总负责人：郑芳建设单位：北京市国有资产管理有限公司施工单位：中建一局设计团队：建筑：中建国际（深圳）设计顾问有限公司PTWArchitects结构：中建国际（深圳）设计顾问有限公司/ARUP机电：中建国际（深圳）设计顾问有限公司/ARUP经济：中建国际（深圳）设计顾问有限公司“水立方”总平面图二、建筑空间与平面布局国家游泳中心位于北京奥林匹克公园内，北邻成府路，东邻景观路，南接北顶娘娘庙和北四环，西邻景观西路。建筑平面是177m×177m的正方形，四周环绕4-8m的护城河，建筑高度31m。水立方正方形平面内部的三大块基本空间构成方式，自竞赛方案开始，忠实地贯彻到实施过程，从未发生变化。这三大块空间分别是：奥林匹克比赛大厅：约130m见方，包括游泳比赛池（50m×25m×3m）、跳水比赛池（30m×25m×4.5-6m）和1.7万个标准坐席；嬉水乐园：位于南侧，约40m进深，以中部的造浪池为中心，计划有家庭娱乐池区、漂流河及各类水上滑道和水景；热身池大厅：两层的大空间。地下一层是热身池（50m×25m×2m）,与首层通高；上面是多功能室内运动场，可以根据需要设置成3片网球场或2片篮球场或1片冰球场。核心设计空间是南商业街，通过首层、二层和地下一层的交通节点把三大基本功能块组织在一起，在赛时是主要的观众通道和体验空间，赛后则是一个综合性水上乐园的园前区。嬉水乐园和多功能运动场全部建造完成之后，自东西入口进入商业街，有各种与水有关的小店，向上走有水主题的餐厅、酒吧、电影院，乃至冰上娱乐；向下可通往嬉水乐园和游泳池。在商业街徜徉的时候，一侧是服务性的设施，另一侧透过透明的泡泡墙可以看到欢乐热烈的水滑梯和海浪翻卷，这种体验将成为最典型的“水立方”景观。同时，商业街在最大程度上保持了水立方的公共性，使普通市民和大众都可以亲临这一空间，享受水的快乐。在东南主入口的上方，为前来感受、体验、触摸泡泡的游客提供了一个极具梦幻色彩的空间——“泡泡吧”，人们在这里可以最大程度体验到泡泡所赋予这栋建筑的无穷魅力。剖面一剖面二奥运会期间剖面奥运会后剖面入口门厅比赛大厅三、建筑结构形式与立面造型本工程下部结构采用钢筋混凝土筒体剪力墙-框架扁梁-大板体系，上部屋面和墙体结构采用基于Weaire-Phelan多面体理论生成的空间刚架结构，支承于1.200m及6.400m标高的钢筋混凝土平台，结构剖面见下图。“水立方”结构几何形体的基本模型是基于Weaire-Phelan多面体组合建立起来的。实际的几何体是这样形成的：首先生成一个比“水立方”建筑大的改良的Weaire—Phelan多面体阵列，再把这个阵列围绕(0，0，o)→(1，1，1)矢量轴旋转一个合适的角度，最后把建筑以外和内部空间的多面体切割除去，从而形成建筑的屋面和墙体结构(图5)。十二面体、十四面体在两个切割平面上切出的边线就分别构成了屋盖结构的上弦、下弦杆件和墙体结构内外表面弦杆，而切割面之间所保留的原有的各单元体的边线构成了结构内部的腹杆。图6所示即为以这种方式建立的骨架结构效果图，图7则为切割生成的屋面和墙面的图案。Wearie—Phelan多面体组合构成的基本结构沿三个正交坐标轴是有规律地重复的。因此，尽管外观呈现随机分布形态(图6)，但实际上这种结构是建立在高度重复的基础上的。这个阵列组成的无限空间内部只包含三个不同的表面、四种不同长度的边线和三种不同的节点。这种结构上的高度重复无疑有利于对空间结构的建造。同时，这种新型空间结构体系具有节点汇交杆件少的明显特点，每个节点的汇交杆件仅为四根(图8)，而普通网架结构中单个节点汇交杆件最少的蜂窝型三角锥网架为六根。因此，基于多面体理论的新型空间结构体系具有构成简单、重复性高、汇交杆件少、节点种类少等特点。“水立方”屋盖上下表面和墙体内外表面的多边形图案既具有重复性而又能保持一个随机无序的总体感觉，这种效果是将Weaire—Phelan多面体旋转一定角度后再切割形成的。立面与屋顶的颜色、质感通过灯光的模拟展现出波光荡漾的视觉效果。手段简单而效果奇特，值得建筑师借鉴。东立面图四、新型维护结构材料——ETFE国家游泳中心建筑围护结构采用了一种新型的ETFE充气枕模拟水的形态，表面覆盖面积达到10万m2，是国内首个ETFE膜结构建筑，也是目前世界上最大的ETFE应用建筑工程。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(图1)，主要特征数据见表1。咖气枕不仅在视觉效果上充分满足了建筑美学对泡沫状态下的水分子结构的表达，同时也最大限度地配合了主体钢结构“泡沫”结构系统的设计。ETFE(Ethylenetetra-fluoro—ethylene的缩写)是乙烯一四氟乙烯共聚物，它是一种无色透明的颗粒状结晶体。ETFE膜由生料挤压成型，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。其建筑外表晶莹美观。轻质立面装配结构节省建筑成本，是利用太阳能的环保产品。日光被引入内部空间,同时ETFE膜上的新图案设计还创造出了动感的建筑特质。ETFE的主要特点有：1、寿命长。目前用于荷兰ArnheimBurger's动物园中的红树林厅的ETFE膜材料。在经历了25年后各种材料特性未显现出明显的衰变。国家游泳中心E1rIⅧ外围护结构的设计寿命取30年。2、力学性能优(1)质量轻：(1．75±0．05)g/cm3。(2延展性好：当材料被拉伸15％一20％时，产生第一个屈服点；继续拉伸至25％，产生第二个屈服点；当材料被拉伸到300％～400％时，发生脆性破坏。(3)强度高：抗拉强度45—50MPa，撕裂强度40—50MPa，能有效承受风载和雪载。(4)应力一应变关系。常温下张拉应力在20MPa以下时。ETFE膜材呈完全弹性性质，张拉模量达800—1000MPa；当张拉应力在25MPa附近会出现屈服点，此后进入塑性强化阶段，直至破断。(5)破断伸长率。ETFE膜材的破断伸长率达300％以上。3、透明度高。可见光透光率高达94％。可见光反射率不超过8％，太阳光透光率同样高达94．6％，太阳光反射率不超过9．6％，太阳光吸收少于8．6％。UV透射率因ETFE膜材的厚度、颜色、表面印刷图案、Low—E涂层而异。4、防火性能好。ETFE的熔点约为275℃。由于氟元素的存在，决定了ETFE的自熄性。燃烧溶化时，无液体滴流，无有害气体产生。5、自洁性能好。经过雨水冲洗，即光亮如新。6、气候适应性能强。ETFE膜材的工作温度范围为-200°C一150°C；材料熔点为275°C左右。ETFE膜材具有极好的稳定性和气候适应性。实践表明，暴露在恶劣气候条件中15年以上的ETFE膜材，其力学和光学性能并没有改变。在多雹地区，即使玻璃屋面被冰雹砸碎了，ETFE膜材屋面上也仅留下一些小小的凹痕。7、抗撕裂性能、柔韧性和可加工性好。8、可回收性好。ETFE膜材可以被热熔成颗粒状并重新整合。9、其他。抗冰雹冲击，抗磨损性能好。不足之处是尖锐物容易致损，夏天散热较差，营造空间比较闷热。国家游泳中心屋面、立面和内部隔墙均由双层ETFE充气枕构成(图2、3)，并通过次结构依附于建筑主体钢结构上(图4)。气枕是表面密封系统并作为主要防水层。铝质支撑框架与钢结构绝缘，并采用硅胶衬垫连接。带图案的半透明内涂层能够实现一定程度的热能和日光控制。根据内部空间的使用功能，内表面会有不同的透明度，这是通过在多层膜层上印刷图案来实现的。ETFE膜材料表面印刷图案为圆点．直径16mm，密度为10％、20％、30％、50％和65％，分别位于屋面和立面的不同位置。屋面镀点密度分布图见图5；这镀点将有效的屏蔽直射入馆内的日光，起到遮光、降温的作用。左图：ETFE气枕充气管道及通风口示意与ETFE充气枕相配套的充气系统能保持气枕内部压力的恒定，气枕内压设计值为250MPa，外凸矢高为气枕形状内切圆直径的12％～15％。当屋面积雪较多时。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。整个建筑物的充气系统(图6、7)包括18个充气单元和区域充气管道及单个气枕的充气管道。每个充气单元中含有鼓风机、除湿单元、过滤装置及加热器。由于气枕的密封性非常好，充气单元仅在气ETFE膜与钢材组装现场枕内压低于设计值时才启动。充气单元启动和停止可以通过将安装在各立面、屋面和顶棚气枕内部的气压传感器连接到中央控制计算机的方式实现。这样的设计可以最大限度地节约能源、减小气枕内部结露和污染的几率。ETFE气枕结构设计中核心的问题是应力水平的控制及内压水平的控制。其中，应力水平的控制可以保证膜材的抗拉性能和抗徐变性能。内压的变化控制可以保证其承载能力要求。内压主要由外压决定，根据外压对内压进行调控。与应力水平相关的有三个因素：膜材厚度、矢跨比和内压。在内压已定的情况下，对矢跨比和厚度的选择成为关键。设计过程如图8所示。气枕正常工作内压确定为250Pa，根据建筑效果设定矢跨比为12％～15％。通过热工计算要求立面气枕采用3层膜，屋面和顶棚气枕采用4层膜结构。根据国家游泳中心的荷载条件，计算得出各部位各层膜材厚度见表2。ETFE膜可以现场外预制，并装在面板上。面板通过独立于支撑结构的可调部件进行提升，并装配在立面上。当面板就位后，将为气泡充气的通风管附着在面板上，并连接到气泵进行充气。五、我的评价在今天，绿色、健康、和谐、可持续发展，是最重要的建筑设计思想，在“水立方”的设计过程中，时时处处贯穿着这些理念。水立方有内部照明系统，但是大部分时间都会利用透明的膜进行自然采光，即便是到了傍晚水立方里面也是别有一番韵味。水立方的墙体分为内外两层，每层都是有刚架和气枕构成两层之间有两米左右的距离，在内外墙的气枕全部安装完成之后，中间的夹层就形成了封闭的空间，新鲜的空气在里面流动就可以形成调节气温的作用。而每个座位下面的通风口，也可以随时保持室内的空气流通。在设计中还充分考虑了环保的需要。为了减少二氧化碳的产生，在设计中减少了电的使用。利用太阳能电池提供电力。大幅地使用了新型材料，使空调和照明负荷降低了20%-30%。另外，游泳中心消耗掉的水分将有80%从屋顶收集并循环使用，这样可以减弱对于供水的依赖和减少排放到下水道中的污水。系统对废热进行回收，热回收冷冻机的应用一年将节省60万度电。还有现代化消防装置为建筑量身定做，比常规设施节约74%。在建筑节能上，“水立方”的设计也有