1、建 筑 工 程 实 例 分 析 水 立 方摘 要 ： 国 家 游 泳 中 心 作 为 2008 年 北 京 奥 运 会 的 重 要 场 馆 ， 以 其 独 特 的 建 筑 外 形 吸 引 着 全球 的 目 光 。 “水 立 方 ”采 用 新 型 多 面 体 空 间 结 构 ， 并 在 单 纯 被 切 割 的 空 间 结 构 上 加 以 优 化 ，形 成 了 特 殊 的 空 间 结 构 。 建 筑 的 外 表 面 全 部 由 ETFE 充 气 膜 覆 盖 ， 建 筑 充 分 利 用 ETFE 充气 膜 的 优 势 ， 细 化 膜 结 构 的 构 造 ， 形 成 完 整 、 封 闭 ， 具 有 良
2、 好 物 理 性 质 的 使 用 空 间 。 本文 从 “水 立 方 ”这 一 建 筑 实 例 出 发 ， 着 重 分 析 建 筑 的 多 面 体 空 间 结 构 ， 和 特 殊 的 膜 结 构 ，以 及 在 膜 结 构 基 础 上 进 行 的 排 水 、 保 温 、 隔 热 、 隔 声 构 造 处 理 。关 键 词 ： 水 立 方 多 面 体 空 间 结 构 ETFE 膜 结 构1 工 程 概 况国家游泳中心位于奥林匹克大道的西侧，占地61295，在国家主体育场以西约200m。由中建总公司牵头、联合中建国际(深圳) 设计顾问有限公司、澳大利亚PTW 建筑师事务所和悉尼ARUP 工程顾问有限公
3、司组成的设计联合体提交的“水立方”方案在严格的国际竞赛中胜出成为国家游泳中心的实施方案。 “水立方”由中方建筑师提出的方型建筑造型体现了与国家体育场(“鸟巢”) 的和谐共生, 由ARUP 工程师创造的摹仿水泡组合形式的全新结构形式，具有高度重复性又呈现出一种随机无序的总体感觉，屋面和墙体内外统一采用ETFE 充气枕覆盖，整体建筑形态简洁纯朴而又富于变化。 “水立方”的平面尺寸为176.538m176.538m，高度约31m，地下2层，地上主体单层、局部5层。建筑外包钢结构屋盖和墙体采用新型多面体空间刚架结构,屋盖厚71211m，墙体厚31472m 和51876m。墙体底部支承于11009m(外
4、墙落地墙) 和61350m(内墙及门洞) 标高的钢板2混凝土组合梁平台上。“水立方”的覆盖结构采用ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物) 充气枕结构，屋盖和墙体的内外表面均覆以ETFE 充气枕，最大的单个气枕面积约71 、跨度9m 左右,ETFE 膜材的用量约30 万平方米 。上：赛后座位工程区位 下：赛时座位2 多 面 体 空 间 钢 架 结 构 的 构 造 分 析国家游泳中心工程地上钢结构墙体和屋盖为新型多面体的空间钢架结构体系，多面体的空间钢架结构几何构成的理论基础是“气泡理论” ，即用两种不同的单元体，一种是14面体，另外一个为12面体，将三维空间细分为若干小部分，每个部分的体积相等但保证接
5、触表面积均最小”这种多面体组合被称为wp多面体。 “水立方”结构几何体的基本模型是基于优化改良的多面体组合建立起来的。其几何体是这样形成的：首先生成一个比水立方建筑的的更大的多面体阵列，再把这个阵列围绕（0,0,0）(1,1,1)矢量轴旋转60，在多面体阵列中切出176.5389m176.5389m29.3789m立方体的建筑外形。然后在立方体的内部挖去内部使用空间，这样便切出了屋盖和墙体结构。多面体单元在两个切割平面上切出的屋盖结构的上弦、下弦杆件和墙体结构内外表面弦杆，两个切割平面之间的多面体棱边便为结构的腹杆。新型多面体空间刚架结构最基本的特点是其几何构成不同于传统的空间。传统网格结构都
6、是由简单基本单元(例如三角锥，四角锥等)组合而成,而这种新结构则由复杂的类WP 多面体单元填充的实体减去不需要的空间而得到，基本类 WP 多面体单元一个角点(即结构中的节点)上只有四条边(即结构中的杆件)与之相连,而传统网架一个节点上至少有 6 根杆件与之相连,角点形式只有三种,一共只有四种边长，类 WP 多面体阵列经旋转、切割形成结构的屋面和墙面后,与表面上节点相连的杆件数最多为 6 根。这种几何构成的结构体系当杆件之间铰接时几何可变,不能承受外荷载,因此多面体空间刚架结构的杆件之间必须刚接,才能形成结构承受外力，其杆件内力除了与普通网架一样有轴力外,还有双向弯矩、双向剪力和扭矩,与刚架杆件
7、相似,因此称之为刚架。多面体空间钢架结构中有9843个球型节点、20870根钢质杆件, 在空间定位上几乎没有完全平行的杆件, 没有一根直的立柱、杆件纵横交错。墙体和屋盖内外表面弦杆为矩形钢管，节点采用焊接半球节点；内部腹杆为圆钢管，节点采用焊接球节点；边框脚线节点为以边框为母杆的相贯连接。结构中使用了大量的国产Q420C钢材及有z向要求的厚钢板，墙体与屋面的内层和外层结构均为箱型截面构件纵横交错而成，内层和外层之间为钢管杆件与中部的球节点以及外侧的节点连接，形成复杂的受力良好的钢框架结构。2.1 截面构造优化ARUP 公司提交的方案设计,钢结构表面弦杆采用矩形钢管,内部腹杆均采用三块 T 板组
8、合的 Y 形截面杆。矩形钢管的截面统一为450mm 300mm，壁厚 4 40mm，对于厚度 t 12mm 的板件加设角钢加劲肋。Y 形截面腹杆加工困难,三块 T 板焊接焊缝集中 ,杆件汇交节点构造非常复杂,而且截面为开口截面,抗弯、抗扭抵抗矩小,受力和构造均不甚合理。因此在施工图设计中,矩形钢管取消了加劲肋,截面改为(180550) mm 300mm ,Y 形截面腹杆改为圆钢管。本工程按 8 度抗震要求确定的杆件截面则基本属于紧凑截面。新型多面体空间钢架结构的受力特点之一就是杆件两端弯矩大。弯曲应力远大于轴向应力，因此选用紧凑截面可充分发挥截面的塑性性能。这样，既节约材料，又可使截面在罕遇地
9、震下塑性能充分发挥，实现抗震延性。2.2 几何构成“杂交”优化2.2.1 屋盖下弦构造优化结构弦杆是通过切割生成的，切出内部使用空间的切割面为结构的净跨,因此只有在净跨范围内才有下弦,而在墙体宽度内无下弦,原始切割形成的屋盖下弦平面在墙体支座处不连续,交界处下弦杆受力不利。设计中将下弦切割面贯通内墙,从而在内墙宽度范围内形成连续的下弦，如此处理使下弦连续贯通内墙，改善下弦受力。2.2.2 局部汇交力系优化由多面体构成的三维空间切割生成的未经任何修改的“纯净”结构，在水平面(如屋盖下弦) 和垂直面(如墙体内弦) 相交的边线上，节点汇交的杆件均为弦杆，没有腹杆，类似于框架的边柱节点，相交的屋盖下弦
10、和墙体内弦弯矩非常大，出现畸形内力，主要分布在大跨屋盖下弦边缘（如图所示的椭圆区域） 。为有效减小相交的屋盖下弦和墙体内弦弯矩，在几何构成允许的条件下，从交界处弯矩较大的屋盖下弦杆件前端节点拉一根腹杆连接到内部腹层节点，从而改变传力路径，降低原屋盖下弦的弯矩。在屋盖和墙体相交的区域附加部分腹杆，适当构成汇交力系，合理“杂交” ，使整体结构受力均匀。2.3 铰接计算处理优化当某些高应力杆件的几何构成无法直接采用“杂交”时,可采用增大其周围杆件截面的思路来实现。但对于新型多面体空间刚架结构不能像简单的框架结构那样很容易地判断需要加强的构件,采用手工调整试算来确定该加大哪些杆件的截面几乎是不可能的,
11、因为调整一个杆件的截面会影响到相邻很多杆件的受力。计算中采取将个别内力特别高的杆件两端设为铰接的计算处理优化,然后用程序自动迭代计算并优化调整杆件,从而使其周围区域内的相应杆件得以加强,这样就找出了自动优化杆件截面扩散内力的方法。调整结束,重新将原高内力杆件从铰接改回刚接,就有效地降低了实际杆件刚接时的应力水平,取得了很好的效果。2.4 强节点弱杆件优化本工程结构内部腹层的节点采用球节点、表面弦层节点采用切去球冠的半球节点、建筑内外边线则采用以边线杆件为母杆的相贯焊接节点。节点区多杆焊接, 应力比较复杂，同时由于本工程为空间刚架结构，杆件两端弯矩较大，弯曲应力在节点焊缝处最高，因此对节点区进行
12、优化是十分必要的。确保节点应力水平低于其上汇交杆件的应力水平，实现强节点弱构件。根据杆件弯矩直线分布的规律，杆端弯矩大，跨中弯矩小或为零,可将杆件设计为两端大中间小的变截面杆，使截面承载力与弯矩图最接近的点离开连接焊缝一段距离，或选用等截面杆在端部局部加强形成加强节点，以降低焊缝处的弯曲应力。设计中采取的主要方法是：杆件最大应力的等截面杆采取杆端贴板加强的措施。节点区经过加强处理,在罕遇地震作用下，可确保焊缝不开裂，焊接区钢材不脆断，从而实现塑性铰外移，达到延性抗震设计。3 ETFE充 气 膜 分 析水立方采用了 ETFE 充气膜结构，在一些典型工程中，也运用到了这种新型结构。如英国的伊甸园、
13、德国的安联体育场、荷兰的Arnhiem 等。ETFE 作为一种新型材料，其热学、光学等各方面特性都较普通的建筑材料有很大的不同，因而在建筑构造节点上，做法也有很大的区别。水立方 ETFE 膜结构构造的基本原理则是将两层甚至更多层的 ETFE膜通过热熔焊接到一起形成气枕，周边加持在铝合金或者其他材料制成的边框内，边框固定在建筑主体结构上。充气膜系统一般由 ETFE 的充气单元气枕、气枕夹具、供气及控制系统以及中间层构成。其中 ETFE 的构造特点主要是一英国伊甸园般由卷材的形式供应，通过将卷材按照要求的形状进行裁剪切割并热熔焊接形成气枕。固定气枕所用的夹具一般由铝合金或钢构件构成，一方面固定气枕
14、，另一方面，也是充气膜结构防水密封体系的重要组成部分。3.1 系统的密封构造立面 ETFE 充气膜结构的系统密封构造，采用三道连续完整的密封，形成两个等压腔，利用等压原理实现系统的密封防水及排水。这三道密封分别由夹具底座、中间的连接膜片以及最外的压盖组成。夹具底座作为整个密封系统的最后一道防线，也是最关键的一道密封。因此，其构造做法是，在夹具底座三通与直线段底座之间预留 5mm 的缝隙，在接头处将不必要的部分去除，在接缝处灌入硅酮密封胶实现连续密封。压盖通过螺钉固定在夹具底座上，两者通过胶条将气枕夹持住，形成一个密封的腔体。在压盖装入之前，在两个气枕之间装入连接膜片，起到隔绝的作用，从而实现另
15、一道密封。如图。3.2 排水构造屋面的排水构造根据北京的气候特点以及膜结构的特点，在屋面 ETFE 气枕间设置具有保温措施的天沟作为主要的排水通道，整个屋面采取分区域击中排水方式。屋面排水系统主要包括天沟、虹吸雨水斗和排水管道等组成部分。其具体构造如图所示。3.3 保温隔热构造ETFE 膜结构的保温隔热构造不同于普通的保温构造方式。通常，建筑的保温隔热通过墙体附加保温隔热层来实现，ETFE 膜结构的保温构造原理类似于中空玻璃幕墙，热量从室外向室内传递要经过以下过程：室外空气外层玻璃外表面外层玻璃外层玻璃内表面中间空气层内层玻璃外表面内层玻璃内层玻璃内表面室内空气。由于经过多层阻隔，室外的热空气
16、经过消耗，从而达到隔热的效果。相同，当室外空气温度低于室内空气时，室内温度较高的空气传出室外也会经历相似的过程，从而有效的减少了室内热量想歪散失，从而达到保温效果。ETFE 膜结构的保温隔热原理与之类似，同时，隔热面材的传热能力以及中间空气层的层数也会对保温隔热效果产生很大的影响。相对而言，ETFE 膜的热阻值较高，同时气枕的结构很好的实现了多层的空气间层。因此，ETFE 膜结构也实现了很好的保温隔热效果。除此以外，水立方的保温构造的另一个重要特点是采用了双层构造围护结构。其构造示意如图所示（右图）双层幕墙构造主要由内外两层幕墙构造加上中间一定厚度的空气组成。内外两层幕墙构造分别具有一定的保温
17、隔热性能，更重要的是，该结构可以根据情况狂的不同而设计空腔开屋面排水系统口，并对空腔内部空气进行合理控制，使其保持静止或有秩序的流动，从而得到更好的保温隔热以及通风效果。在水立方外层气枕底部周边设置了一系列百叶，内部设有电动开启装置，可根据情况开启或关闭，从而实现为空腔送风。此外，在屋内一部分凸起的气枕周边设有铝合金百叶，一部分链接内不通风管道，另一部分设有点的开关，开启时作为自然通风的出风口。在冬季，所有通风口关闭，空腔内空气流动静止，从而形成一个室内外热量传递的缓冲层，达到很好的保温效果。在夏季，需要打开进出风口，这时，由于气压差与热压形成自然通风，这样，由于空腔内空气的流动使得热量被带到
18、室外，减少室外高温对室内温度的影响。此外，双层幕墙的构造也实现了良好的通风效果。其原理类似于烟囱效应。通过进出风口的气压差和热压，时空墙内的热空气向上流动，并到达屋面的开口流出室外，从而实现了良好的通风。除了膜结构本身的保温隔热意外，气枕夹具在整个建筑中虽然只占了很小一部分，但为了进一步提高整体热工性能，也进行了保温隔热构造。屋面气枕夹具固定在钢制的排水天沟的檐口上，属于热导率较高的金属之间的连接。在其连接处用胶条分隔，从而使铝夹条与钢天沟之间隔离。在气枕周边的边绳处采用三元乙丙胶条进行整体包覆，一方面保证密封，同时也实现了隔离衬垫，从而避免金属之间的直接传热，实现了保温隔热的效果。3.4 隔
19、声设计水立方作为比赛场馆，对于隔声的要求较高，主要包括：隔绝室外噪声、吸收内部噪声以及消除雨噪声。首先，水立方的隔声构造主要设于噪声源较多的东墙面，通过在东墙面室内侧加设一道吸声材料织成的隔声墙有效阻隔和吸收内外部噪声。在吸声方面，主要是降低室内声音的混响时间。由于 ETFE 膜结构的隔声与吸声性能并不很好，因此反而对于降低室内混响时间很有帮助。但尽管如此，由于室内铺设了大量的表面坚硬光滑的材质，对声音的反射率很高，因此需要避免反射，降低混响时间。水立方中的构造做法是在室内铺设吸声材料，如核心筒墙面、检修马道地面和侧面等处。吸声材料采用德国原产的白色三聚氰胺树脂泡沫板材，吸声能力强、重量轻，无
20、粉尘、环保且质地密实外观整洁。在消除雨噪声的构造设计上经过反复试验比较，采用了两个四层膜的气枕构造加TEXLON 降噪网。新型的 TEXLON 降噪材料重量很轻，而且在外观方面对水立方整体效果的影响很小，可以取代隔声层的隔绝雨噪声的作用。而两个四层膜结构的气枕作为屋盖上下表面的维护结构，起到了保温隔热的作用，从而实现了水立方的隔声要求。作为一种新型结构的建筑，水立方的具体构造都较普通的钢筋混凝土建筑有何很大的区别与改善，最主要的区别在于结合 ETFE 膜材料本身的理化性质而设计出合理的构造方法。这也启示着我们建筑材料、建筑结构、建筑构造都是相互关联、密不可分的整体，要根据具体的情况而进行合理的
21、改进设计，才会推动建筑理论、建筑技术以及建筑质量的发展与进步。参 考 文 献 ：【 1】 “水 立 方 ”中 的 膜 结 构 ETFE孙 黎 ， 周 铁 涛 ， 李 娟 力 学 与 实 践 ， 2008年 第 30卷【2】奥运场馆“水立方”与新型轻质膜结构苑金生上海建材， 2008年 第四期【 3】 北 京 奥 运 国 家 游 泳 中 心 结 构 初 步 设 计 简 介 傅 学 怡 ， 顾 磊 ， 施 永 芒 ， 刑 民 土 木 工 程 学 报【 4】 多 面 体 新 型 空 间 结 构 及 应 用 孙 立 军 黑 龙 江 纺 织 ， 2009年【 5】 国 家 游 泳 中 心 （ 水 立 方 ） ETFE膜 结 构 技 术 在 水 立 方 中 的 应 用 陈 先 明 建 筑 技 术 ， 2008年【 6】 国 家 游 泳 中 心 “水 立 方 ”结 构 设 计 优 化 傅 学 怡 ， 顾 磊 ， 杨 先 桥 ， 余 卫 江 建 筑 结 构 学 报【 7】 水 立 方 多 面 体 空 间 钢 架 结 构 与 ETFE膜 结 构 探 讨 徐 文 毅 【 8】【 9】【 10】
