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水立方的膜力

作者：鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-23 10:01:56 [收藏]


    　　北京奧運會重點工程、國家游泳中心“水立方”即將全部竣工，目前，其內(nèi)部裝修已近尾聲，預計全部工程將在1月28日結(jié)束。很快，水立方將上演它的“處女秀”――1月31日~2月5日“好運北京”中國游泳公開賽將在這里舉行。

    　　“這是一種東方式的思維，一種尋找事物間均衡關(guān)系的努力?！彼⒎巾椖肯嚓P(guān)負責人張偉（化名）介紹。

    　　“中外合作設(shè)計在中國已不是新鮮事，但是很多情況下合作得并不完美。經(jīng)常是外方做方案概念，中方深化設(shè)計，在這個過程中由于缺乏一方積極參與的主動性而使合作更多時候僅僅是一種分工。而在本次合作中，中方設(shè)計團隊在設(shè)計中始終處于主導地位，對設(shè)計全過程進行了強有力的控制?！睆垈フf。

    　　隨著對張偉采訪的深入，記者也被帶進了這個巨大的水世界。

    　　沒用一根鋼筋、一塊混凝土的建筑

    　　沒有使用一根鋼筋、一塊混凝土，這個矗立在我們面前的“水立方”占地7.8公頃，由5個游泳區(qū)、1.7萬個席位組成。

    　　如果說規(guī)矩的四方體會讓人感到乏味的話，那么氣泡和自由結(jié)構(gòu)的加入，就使得“水立方”凸顯出很濃的浪漫氣息。站在“水立方”面前，發(fā)現(xiàn)其表面上自由的結(jié)構(gòu)并非初看上去的雜亂無章，一種極為嚴格的數(shù)字邏輯蘊含其中。似乎能穿透平靜的第一印象，看到漫天的水泡，仿佛置身在水中。

    　　雖然外界之前對于水立方外表膜結(jié)構(gòu)的報道也不少，但似乎還有很多我們不知道的科技。到底這種膜有何“魔力”？

    　　“水立方”的屋蓋和墻體的內(nèi)外表面均覆以ETFE（ETFE是Ethylene Tetra Fluoro Ethylene乙烯―四氟乙烯共聚物的縮寫）氣枕，單層氣枕覆蓋面積達10萬平方米，落成后將成為世界上最大的ETFE工程，同時也成為單個氣枕最大、擁有內(nèi)、外兩層氣枕結(jié)構(gòu)的獨一無二的建筑物。

    　　ETFE氣枕不僅在視覺效果上充分滿足了建筑美學對水的形態(tài)――泡沫狀態(tài)下水分子結(jié)構(gòu)的表達，同時也最大限度的配合了主體鋼結(jié)構(gòu)“泡沫”結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計。

    　　ETFE是一種無色透明的顆粒狀結(jié)晶體。由ETFE生料擠壓成型的膜材是一種典型的非織物類膜材，為目前國際上最先進的薄膜材料。它具有質(zhì)量輕、壽命長、抗拉伸、延展性好、抗紫外線和化學物質(zhì)侵襲能力強、自潔性好、透明度高、熔點高等優(yōu)勢。

    　　“實際應用中通常采用兩層或者多層ETFE膜，將氣枕邊緣固定并向空腔內(nèi)充氣形成氣枕。內(nèi)壓使ETFE薄膜產(chǎn)生張力，生成初始形狀并提供氣枕的剛度。氣枕在外部荷載的作用下，通過表面張力將平面外荷載轉(zhuǎn)化為平面內(nèi)應力，并傳遞至氣枕邊框上進而傳遞至主體結(jié)構(gòu)上。”張偉說。

    　　氣枕內(nèi)壓可根據(jù)外部荷載而調(diào)整

    　　如果近距離的觀看“水立方”，可以發(fā)現(xiàn)，屋面、外立面和內(nèi)立面分別采用了四層膜、三層膜和兩層膜的ETFE氣枕，氣枕邊緣通過鋁合金夾具和鋼轉(zhuǎn)接件固定到主體鋼結(jié)構(gòu)上。

    　　建筑物表面承擔著抵抗外部風荷載、雪荷載和熱量的工作；內(nèi)表面被設(shè)計為防潮層，為空中維護的人員提供保護。根據(jù)建筑物不同部位的風荷載，本項目對外立面和屋面的局部氣枕進行了加固處理以抵抗相對較大的風荷載。

    　　加固方法是在氣枕外表面附加一層ETFE膜材，該層膜材與原氣枕最外層ETFE膜之間采用真空處理，使兩層膜在風荷載作用下共同工作。

    　　與ETFE充氣枕相配套的充氣系統(tǒng)能保持氣枕內(nèi)部壓力的恒定，氣枕內(nèi)壓約為200MPa，外凸矢高為氣枕對角線長度的15％。當屋里積雪較多時，氣枕的充氣系統(tǒng)將提高屋面氣枕的內(nèi)壓至550MPa，同時加大外凸矢高，以增加氣枕的抗壓能力不至于被積雪壓垮。最基本的充氣系統(tǒng)包括可以進行濕度控制的鼓風機，它里面的過濾器可以防止?jié)駳夂突覊m進入氣枕內(nèi)。比較先進的充氣系統(tǒng)可以和傳感器相連，以使得氣枕內(nèi)壓可以根據(jù)外部荷載的變化而進行調(diào)整。

    　　科技零件組裝“水立方”

    　　走進“水立方”的內(nèi)部，更有很多不為人知的科技秘密。

    　　剛一坐到觀眾看臺上，就覺得腿和腳都熱烘烘的。原來，在體育館內(nèi)的一些看臺和座位底下都有加熱系統(tǒng)的出風設(shè)備，雖然是水上項目，也絕對不會感覺潮濕和寒冷。

    　　“這里的空調(diào)系統(tǒng)是恒溫的，為25~27度，”張偉說。在場館大廳內(nèi)大聲咳嗽一聲，幾乎聽不到任何聲音的回響，“這就是我們引以為豪的聲學系統(tǒng)，因為噪音很容易影響運動員的情緒，之前就有一些運動員因為噪音搶跳的情況。”張偉笑著說。

    　　因此，“水立方”根據(jù)國家有關(guān)規(guī)定及聲學專家的意見，確定了此類建筑的聲學控制指標，對于泳池比賽大廳，采用了一系列的固定措施及臨時措施，比如在場館的各個地方都安裝了吸音設(shè)備和材料及鋁合金吸音板等，成功地將混響時間控制在2.5s以內(nèi)，同時也解決了雨噪聲的問題，確保此建筑物符合奧運會的聲學要求。

    　　“為什么室內(nèi)的游泳館可以不開燈？”

    　　“這就是‘水立方’另一個值得驕傲的地方，自然采光?！睆垈ソ榻B，由于所作圍護結(jié)構(gòu)是一種透明/半透明的結(jié)構(gòu)體系，充分利用自然光成為這一建筑物的一個亮點，通過合理設(shè)計，既克服了大量眩光、直射光在建筑物內(nèi)出現(xiàn)，又實現(xiàn)了自然光利用時數(shù)年平均9.9小時/天。

    　　此外，設(shè)計師還設(shè)計了符合建筑師要求的立面照明系統(tǒng)，比賽的時候，場館內(nèi)將會展現(xiàn)水立方的整體感和純凈感，同時實現(xiàn)“海藍水波”、“深海探秘”、“水火交融”、“碧波蕩漾”等場景。

    　　“目前，對于立面外部投影，現(xiàn)正聯(lián)合國內(nèi)最先進的科研單位，聯(lián)合攻關(guān)，目前投影樣機已研制，正處在實驗階段。”張偉說。

    　　控制氣流 保證不結(jié)露水

    　　由于游泳館長期處于高溫、高濕的環(huán)境下，防結(jié)露一直是室內(nèi)泳池設(shè)計的一個重大課題。“水立方”的防結(jié)露手段，首先是從建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱工要求開始的。通過設(shè)計，ETFE圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)屋頂達到0.69 W/3，墻面達到0.89 W/3，遠遠小于高級玻璃幕墻的傳熱系數(shù)，不僅使此建筑物符合國家有關(guān)公共建筑節(jié)能規(guī)范的要求，也為游泳池防結(jié)露提供了一個前提。

    　　同時，“水立方”設(shè)計還結(jié)合國內(nèi)外成功經(jīng)驗，合理設(shè)計空調(diào)系統(tǒng)，合理設(shè)計游泳池和戲水池的大空間氣流組織。通過CFD模擬等高科技設(shè)計手段，科學布置送風、回風和排風口，保證上部空間氣流的換氣次數(shù)。為了確保不出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，還在緊貼屋頂下部的馬道下單獨布置了防結(jié)露加熱送風系統(tǒng)。對于圍護結(jié)構(gòu)立面，也布置了防結(jié)露送風空調(diào)通風系統(tǒng)，同時也設(shè)計了池水覆蓋等簡單實用的手段，確保不出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。

    　　另外，“水立方”在太陽能被動池水加熱及水資源的有效使用和循環(huán)利用方面、比賽大廳空氣調(diào)節(jié)氣流組織方面、ETFE鍍斑點減小遮陽系數(shù)及雙層墻通風技術(shù)上、充分利用冷凍機廢熱加熱生活用水、太陽能遮陽亭的設(shè)計使得光伏發(fā)電技術(shù)和建筑景觀設(shè)計完美結(jié)合等方面，都做了創(chuàng)新并達到了國際先進水平。
    　　
    來源：中國經(jīng)營報
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