水立方調研報告

1、中矩之方，夢幻之藍國家游泳中心“水立方”調研報告國家游泳中心（以下簡稱“水立方”）是2008年北京奧運會三大標志性建筑物之一，也是北京市政府指定的惟一一個由港澳臺僑胞捐資建設的標志性奧運場館。奧運會期間，承擔游泳、跳水、花樣游泳等比賽。奧運會賽后將成為一個多功能的大型水上運動中心；既可舉辦大型國際賽事，又能為公眾提供水上娛樂、運動、休閑、健身等服務。“水立方”位于奧運公園B區(qū),坐落于奧林匹克中心區(qū)西南角。主體建筑緊鄰城市中軸線，并與國家體育場相對于中軸線均衡布置。本工程為特級體育建筑。主體結構設計使用年限100年?！八⒎健币灾袊鴤鹘y(tǒng)文化中的“天圓地方”為設計理念，采用方盒子的形式，充分運用新

2、的結構形式與膜材料，將現(xiàn)代科技與傳統(tǒng)價值觀念充分揉合，展現(xiàn)出了強大的表現(xiàn)力與震撼力，為2008年北京奧運會寫下濃墨重彩的一筆。二層觀眾通道熱身池建筑:中建國際（深圳）設計顧問有限公司PTWArchitects結構:中建國際（深圳）設計顧問有限公司/ARUP機電:中建國際（深圳）設計顧問有限公司/ARUP經濟:中建國際（深圳）設計顧問有限公司設計團隊:“水立方”總平面圖一、項目概況項目名稱：國家游泳中心項目地點：北京奧林匹克中心區(qū)B區(qū)基地面積：6.28m2建筑面積：8.7萬m2建筑高度：31m容積率：1.23坐席數：賽時17000,賽后6000（固定座位數：4000個永久，2000個可拆除）停車

3、位：384輛結構：鋼筋混凝土+4W結構鋼結構設計總重量：約6700噸國標鋼材：Q345C、Q420C鋼結構桿件總數：20670根焊接球：9843個設計/建成：2003年4月-2006年6月/2008年1月設計團隊：中建總公司國家游泳中心設計聯(lián)合體中建總公司CCDI中建國際設計PTWArchitectsArup設計總負責人：趙小鈞執(zhí)行總負責人：鄭芳建設單位：北京市國有資產管理有限公司施工單位：中建一局建筑空間與平面布局國家游泳中心位于北京奧林匹克公園內，北鄰成府路，東鄰景觀路，南接北頂娘娘廟和北四環(huán)，西鄰景觀西路。建筑平面是177mx177m的正方形,四周環(huán)繞4-8m的護城河，建筑高度31m。水

4、立方正方形平面內部的三大塊基本空間構成方式，自競賽方案開始，忠實地貫徹到實施過程，從未發(fā)生變化。這三大塊空間分別是：奧林匹克比賽大廳：約130m見方，包括游泳比賽池(50mX25mx3m)、跳水比賽池(30mx25mx4.5-6m)和1.7萬個標準坐席；嬉水樂園：位于南側，約40m進深，以中部的造浪池為中心，計劃有家庭娛樂池區(qū)、漂流河及各類水上滑道和水景；熱身池大廳：兩層的大空間。地下一層是熱身池(50mx25mx2m),與首層通高；上面是多功能室內運動場，可以根據需要設置成3片網球場或2片籃球場或1片冰球場。核心設計空間是南商業(yè)街，通過首層、二層和地下一層的交通節(jié)點把三大基本功能塊組織在一起

5、，在賽時是主要的觀眾通道和體驗空間，賽后則是一個綜合性水上樂園的園前區(qū)。嬉水樂園和多功能運動場全部建造完成之后，自東西入口進入商業(yè)街，有各種與水有關的小店，向上走有水主題的餐廳、酒吧、電影院，乃至冰上娛樂；向下可通往嬉水樂園和游泳池。在商業(yè)街徜徉的時候，一側是服務性的設施，另一側透過透明的泡泡墻可以看到歡樂熱烈的水滑梯和海浪翻卷，這種體驗將成為最典型的“水立方”景觀。同時，商業(yè)街在最大程度上保持了水立方的公共性，使普通市民和大眾都可以親臨這一空間，享受水的快樂。在東南主入口的上方，為前來感受、體驗、觸摸泡泡的游客提供了一個極具夢幻色彩的空間一一“泡泡吧”，人們在這里可以最大程度體驗到泡泡所賦予

6、這棟建筑的無窮魅力。剖面一剖面.奧運會期間剖面奧運會后剖面入口門廳比騫浦wtttjtttttoTrnTT冰球拓比塞浦熱身觸ViTfVnrTTfTm*w臨時座位案后拆除休閑池TTTTTfi6所示外和內部空間的多面體切割除去，從而形成建筑的屋面和墻體結構面體在兩個切割平面上切出的邊線就分別構成了屋蓋結構的上弦、（圖5）。十二面體、十四下弦桿件和墻體結構內外表面弦桿，而切割面之間所保留的原有的各單元體的邊線構成了結構內部的腹桿。圖即為以這種方式建立的骨架結構效果圖，圖7則為切割生成的屋面和墻面的圖案。圖3結構剖面困"水立方"結構幾何形體的基本模型是基于Weaire-Phelan多

7、面體組合建立起來的。實際的幾何體是這樣形成的：首先生成一個比“水立方”建筑大的改良的WeairePhelan多面體陣列，再把這個陣列圍繞（0,0,o）一（1,1,1）矢量軸旋轉一個合適的角度，最后把建筑以(1)卜二聲體(b)ImiMff基本超杳4Weaiif-HWhn多面體tfi作R-4GcrapoeitiacofPdjh£dra.比賽大廳三、建筑結構形式與立面造型本工程下部結構采用鋼筋混凝土筒體剪力墻-框架扁梁-大板體系，上部屋面和墻體結構采用基于Weaire-Phelan多面體理論生成的空間剛架結構，支承于1.200m及6.400m標高的鋼筋混凝土平臺，結構剖面見下圖。仆）東西向

8、剖面（0）南北向剖面蹣水涌案殖如梅圖5通過切割形成結構Fig.5TheFormedStructure由（皿曲Cuttingtmt仲圖奉圖7切割國版的明案正璃；ThftpattHRKUimh103弊圖6骨架結構效果Fix，6TieSpHctStructure圖8四桿交匯節(jié)點Fig.8TheJointof4MembersWeariePhelan多面體組合構成的基本結構沿三個正交坐標軸是有規(guī)律地重復的。因此，盡管外觀呈現(xiàn)隨機分布形態(tài)（圖6）,但實際上這種結構是建立在高度重復的基礎上的。這個陣列組成的無限空間內部只包含三個不同的表面、四種不同長度的邊線和三種不同的節(jié)點。這種結構上的高度重復無疑有利于對

9、空間結構的建造。同時，這種新型空間結構體系具有節(jié)點匯交桿件少的明顯特點，每個節(jié)點的匯交桿件僅為四根（圖8）,而普通網架結構中單個節(jié)點匯交桿件最少的蜂窩型三角錐網架為六根。因此，基于多面體理論的新型空間結構體系具有構成簡單、重復性高、匯交桿件少、節(jié)點種類少等特點?！八⒎健蔽萆w上下表面和墻體內外表面的多邊形圖案既具有重復性而又能保持一個隨機無序的總體感覺，這種效果是將WeairePhelan多面體旋轉一定角度后再切割形成的。立面與屋頂的顏色、質感通過燈光的模擬展現(xiàn)出波光蕩漾的視覺效果。手段簡單而效果奇特，值得建筑師借鑒。東立面圖（“黃梅配作）蕤轉4產不同旋轉角度下的表面圖案比較四、新型維護結構材

10、料一一ETFE國家游泳中心建筑圍護結構采用了一種新型的ETF疏氣枕模擬水的形態(tài)，表面覆蓋面積達到10萬m2,是國內首個ETFEt結構建筑，也是目前世界上最大的ETFEZ用建筑工程。同時也成為單個氣枕最大、擁有內外兩層氣枕結構的獨一無二的建筑物（圖1）,主要特征數據見表1?？庹聿粌H在視覺效果上充分滿足了建筑美學對泡沫狀態(tài)下的水分子結構的表達，同時也最大限度地配合了主體鋼結構“泡沫”結構系統(tǒng)的設計。便1國雙簫鼻中心碑立制面圖表1國家游泳中心ETFE膜結構主要特征數據ETFE氣枕膜材層數立面3層，屋面、頂棚均4層ETFE膜材顏色立面外層中藍,其余均無色透明ETFE膜材表面鍍點直徑/mm鍍點密度10

11、%,20%,50%,65%KITE氣枕的正常工作內壓/Pa重載情況F的內壓/P且500ETFF鋁合金框架及附件7萬多件ETFE充氣泵18個,管道長12000mETFE(Ethylenetetra-fluoroethylene的縮寫)是乙烯一四氟乙烯共聚物，它是一種無色透明的顆粒狀結晶體。ETFE!由生料擠壓成型，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。其建筑外表晶瑩美觀。輕質立面裝配結構節(jié)省建筑成本，是利用太陽能的環(huán)保產品。日光被引入內部空間，同時ETFEt上的新圖案設計還創(chuàng)造出了動感的建筑特質。ETFE勺主要特點有:ETFE氣枕覆蓋面積ETFE氣枕的數由個3099ETFE氣枕

12、茶本形狀/種ETFE氣枕單個最大面積加之ETF£良£電毗心“皿T看機ETFE妻四人料PYCUvE“aM串(3)強度高：抗拉強度4550MPa撕裂強度40-50MPa,能有效承受風載和雪載。(4)應力一應變關系。常溫下張拉應力在20MPa以下時。ETFEt材呈完全彈性性質，張拉模量達8001000MPa當張拉應力在25MPa付近會出現(xiàn)屈服點，此后進入塑性強化階段，直1、壽命長。目前用于荷蘭ArnheimBurger's動物園中的紅樹林廳的ETFEt材料。在經歷了25年后各種材料特性未顯現(xiàn)出明顯的衰變。國家游泳中心E1rI皿外圍護結構的設計壽命取30年。2、力學性能優(yōu)(

13、1)質量輕：(1.75士0.05)g/cm3。(2延展性好：當材料被拉伸15%一20%時，產生第一個屈服點；繼續(xù)拉伸至25%,產生第二個屈服點；當材料被拉伸到300%400%時，發(fā)生脆性破壞。fitearID*弄1*三角匕雷取三元工*要i當,審一;第2黑頂雙層ETFE氣擾結構外墻面圖3立面雙層ETFE氣枕結構左圖：ETFEt枕充氣管道及通風口示意至破斷。破斷伸長率。ETF映材的破斷伸長率達300%以上。3、透明度高。可見光透光率高達94%。可見光反射率不超過8%,太陽光透光率同樣高達94.6%,太陽光反射率不超過9.6%,太陽光吸收少于8.6%。U謔射率因ETFEt材的厚度、顏色、表面印刷圖案

14、、LowE涂層而異。4、防火性能好。ETFE勺熔點約為275Co由于氟元素的存在，決定了ETFE勺自熄性。燃燒溶化時，無液體滴流，無有害氣體產生。5、自潔性能好。經過雨水沖洗，即光亮如新。6、氣候適應性能強。ETF映材的工作溫度范圍為-200°C-150°C;材料熔點為275°C左右。ETFEt材具有極好的穩(wěn)定性和氣候適應性。實踐表明，暴露在惡劣氣候條件中15年以上的ETF聯(lián)材，其力學和光學性能并沒有改變。在多雹地區(qū)，即使玻璃屋面被冰雹砸碎了，ETFE膜材屋面上也僅留下一些小小的凹痕。17、抗撕裂性能、柔韌性和可加工性好。8、可回收性好。ETFEM材可以被熱熔成顆

15、粒狀并重新整合。9、其他?？贡_擊，抗磨損性能好。不足之處是尖銳物容易致?lián)p，夏天散熱較差，營造空間比較悶熱。國家游泳中心屋面、立面和內部隔墻均由雙層ETF沆氣枕構成（圖2、3）,并通過次結構依附于建筑主體鋼結構上（圖4）。氣枕是表面密封系統(tǒng)并作為主要防水層。鋁質支撐框架與鋼結構絕緣，并采用硅膠襯墊連接。帶圖案的半透明內涂層能夠實現(xiàn)一定程度的熱能和日光控制。根據內部空間的使用功能，內表面會有不同的透明度，這是通過在多層膜層上印刷圖案來實現(xiàn)的。ETFE膜材料表面印刷圖案為圓點.直徑16mm密度為10%、20%、30%、50%和65%,分別位于屋面和立面的不同位置。屋面鍍點密度分布圖見圖5;這鍍點

16、將有效的屏蔽直射入館內的日光，起到遮光、降溫的作用。陽4氣枕與第緒樹關系示意圖1(*與ETF沆氣枕相配套的充氣系統(tǒng)能保持氣枕內部壓力的恒定，氣枕內壓設計值為250MPa外凸矢高為氣枕形狀內切圓直徑的12%15%。當屋面積雪較多時。氣枕的充氣系統(tǒng)將提高屋面氣枕的內壓至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。整個建筑物的充氣系統(tǒng)（圖6、7）包括18個充氣單元和區(qū)域充氣管道及單個氣枕的充氣管道。每個充氣單元中含有鼓風機、除濕單元、過濾裝置及加熱器。由于氣枕的密封性非常好，充氣單元僅在氣ETFE膜與鋼材組裝現(xiàn)場枕內壓低于設計值時才啟動。充氣單元啟動和停止可以通過將安裝在

17、各立面、屋面和頂棚氣枕內部的氣壓傳感器連接到中央控制計算機的方式實現(xiàn)。這樣的設計可以最大限度地節(jié)約能充”區(qū)域的春考氣優(yōu)K6立面充，系統(tǒng)示意圖充氣單元內氣再氣壓中郎制*置_，參考氣枕氣就氣壓測量11件氣管系統(tǒng)氣航測外件彳管系線源、減小氣枕內部結露和污染的幾率。屋面，頂棚充代黎境示意圖ETFEt枕結構設計中核心的問題是應力水平的控制及內壓水平的控制。其中，應力水平的控制可以保證膜材的抗拉性能和抗徐變性能。內壓的變化控制可以保證其承載能力要求。內壓主要由外壓決定，根據外壓對內壓進行調控。與應力水平相關的有三個因素：膜材厚度、矢跨比和內壓。在內壓已定的情況下，對矢跨比和厚度的選擇成為關鍵。設計過程如圖

18、8所示。設計開始根據外壓礴定內壓低國根據建筑美學段建筑功能上求初定氣枕矢身比范圍設定初始的腹材厚度及矢身比1計算氣枕各種工況下的應力水平X坯清足應力水平要求考察應力水平一j清足應7水平要求俊計束,由8ETFE氣枕結構設計堪圖氣枕正常工作內壓確定為250Pa,根據建筑效果設定矢跨比為12%15%。通過熱工計算要求立面氣枕采用3層膜，屋面和頂棚氣枕采用4層膜結構。根據國家游泳中心的荷載條件，計算得出各部位各層膜材厚度見表2。家游泳中心各部位各層膜材厚度表部位層物層_厚度/pJD外衡層內層1內層2空腔層立面外r325080-150；200；250立面內側320080200屋面425080180200

19、或250頂棚4100或15080S0】00或150內隔墻310080100注：立面外側和層面局部有加強層口ETFE膜可以現(xiàn)場外預制，并裝在面板上。面板通過獨立于支撐結構的可調部件進行提升，并裝配在立面上。當面板就位后，將為氣泡充氣的通風管附著在面板上，并連接到氣泵進行充氣。五、我的評價在今天，綠色、健康、和諧、可持續(xù)發(fā)展，是最重要的建筑設計思想，在“水立方”的設計過程中，時時處處貫穿著這些理念。國10E1FE無氣枕拈構內,I。HrETFk水立方有內部照明系統(tǒng)，但是大部分時間都會利用透明的膜進行自然采光，即便是到了傍晚水立方里面也是別有一番韻味。水立方的墻體分為內外兩層，每層都是有剛架和氣枕構成

20、兩層之間有兩米左右的距離，在內外墻的氣枕全部安裝完成之后，中間的夾層就形成了封閉的空間，新鮮的空氣在里面流動就可以形成調節(jié)氣溫的作用。而每個座位下面的通風口，也可以隨時保持室內的空氣流通。在設計中還充分考慮了環(huán)保的需要。為了減少二氧化碳的產生，在設計中減少了電的使用。利用太陽能電池提供電力。大幅地使用了新型材料，使空調和照明負荷降低了20%-30%。另外，游泳中心消耗掉的水分將有80%從屋頂收集并循環(huán)使用，這樣可以減弱對于供水的依賴和減少排放到下水道中的污水。系統(tǒng)對廢熱進行回收，熱回收冷凍機的應用一年將節(jié)省60萬度電。還有現(xiàn)代化消防裝置為建筑量身定做，比常規(guī)設施節(jié)約74%。在建筑節(jié)能上，“水立

21、方”的設計也有獨到之處。同時可以看到，設計團隊也考慮到太陽光照射進來的效果。同時，水立方的設計是全世界對環(huán)境最為敏感的一個建筑物，當然它也融入了中國古代文化的建筑理念。大家希望把它建設成為高效的場所，冬天可以把陽光引入從而減少空調能源的浪費，從而耗能可以節(jié)省30%。在“水立方”總共8萬平方米的建筑面積中，3萬平方米屋頂將使雨水的收集率達到100%,而這些雨水量相當于100戶居民一年的用水量；在光的利用上，由于“水立方”采用了特殊的膜材料和相應的技術，使得該場館每天能夠利用自然光的時間達到了9.9小時，一年下來，8萬平方米的“水立方”將節(jié)約大量的電力資源。光環(huán)境設計策略的剖面分析Niu937.5812,5W5562.5437.5312.5187.562,5比賽大廳賽時光環(huán)境分析室外LED照明ETFEMLED丁具安裝位置示意國家游泳中心建設主要的先進節(jié)能技術包括熱泵的選用、太陽能的利用、水資源綜合利用、先進的采暖空調系統(tǒng)，以及控制系統(tǒng)和其他節(jié)能環(huán)保技術，如采用內外墻保溫，減少能量的損失；采用高效節(jié)能光源與照明控制技術等。這些新標準、新技術、新材料的采用，為我國今后建筑節(jié)能建設起到了良好的示范作用，還可進一步帶動和促進我國建筑節(jié)能技術產業(yè)化的發(fā)展。通過“水立方”，我們看到了建筑科技與藝術的完美結合，也看見了一