水立方2020年变身“冰立方”,它的背后究竟藏着多少黑科技?

subtitle 了不起的中国制造2018-12-29 07:31 跟贴 1255 条
水立方取法于自然的气泡叠加钢膜结构,为完成高难度焊接还曾向造船厂要焊工,它采用“火柴棍”式的拼装模式,加快建造速度,此外,它实现了薄膜“塑料之王”国产化,开启了一种全新的建筑模式。

出品| 网易新闻

作者| 须臾千秋,清华大学土木工程博士

如果说在21世纪的北京,最能体现城市风格的建筑是国家体育场“鸟巢”的话,那么最能体现城市格调的建筑,恐怕一定要数国家游泳中心“水立方”了。如此巨大的一栋建筑,竟然让人觉得轻盈如泡沫,又精致如水晶。可以说,这座灵动的建筑为古都北京带来了一股后现代风。

12月26日,北京市重大项目建设指挥办公室对外宣布,即日起启动对水立方的改造,变身“冰立方”以满足2022年北京冬奥会测试赛的需求,整个永久设施改造任务将于2020年7月完成。距离2008年北京奥运会已经过去了10年时间,作为其标志性场馆的水立方究竟隐藏着哪些建设技术上的“秘密”,我们一起来揭开。

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建筑难度高出“亲兄弟”鸟巢一个数量级!

水立方最吸引人的地方,当然是它晶莹剔透的蓝色薄膜“泡泡”。但这些“泡泡”本身并不能承重,它们起到的是建筑的封闭和围护作用。

这些“泡泡”,其实并不是独立的薄膜,而是在这些钢网架的外侧和内侧分别填充的四氟乙烯聚合物薄膜的气枕。

“泡泡”之间的棱是由钢管组成的钢网架,这些钢网架才是真正承担受力、支撑起水立方墙面和屋顶的核心要素。

网架的下部座落在厚重的钢筋混凝土结构上。这种结构稳定性强,因此作为水立方的基础。

(水立方剖面示意图,可见钢网架与下部钢筋混凝土结构的搭接关系。图片引自初腾飞等. 漪水盈方——国家游泳中心[M]. 中国建筑工业出版社. 2008. P132)

而比赛用的泳池则与外部结构完全脱离,在主体结构的内部采用独立结构,减少主体结构中人员活动、温度变化等因素对泳池的影响,保障比赛环境的稳定。

(气枕安装示意图,图片引自前述著作p88)

可以说,水立方是人类最高建筑科技的结晶。它上面的每一个晶莹的“泡泡”都来之不易。不和普通建筑比,就是比起它的“亲兄弟”鸟巢来,水立方的复杂程度也要高上一个数量级。从钢骨架的结构建设到最终薄膜的清洁,几乎每一步都是一个不可能完成的任务。

取法于自然的气泡叠加钢膜结构,远超出地球人的经验范畴

尽管模拟气泡叠加的钢膜结构设计十分精妙,但到水立方的修建时,地球上还从未有人试验过,它超出了整个人类的经验范畴,可谓是“开天辟地”的结构形式。

更何况,水立方主体钢结构总共有1.2万个承重节点,钢构件总数有30513个,其中球节点9843个,杆件20670根,这些构件几乎每个都不相同,构造极其复杂多样,形状极不规则,定位极难控制,安装十分复杂,焊接要求极高。任何一个零件的误差超限,都会使得整个结构无法安装成功。

钢网架的设计是模拟了挤在一起的气泡,再经过调整形状而形成的。这种模式取法自然,在自然界中,细胞组织单元的排列、水晶的矿物结构和肥皂泡的天然构造都是这种形式。虽然整体的形状富于变化,但实际上每个基本气泡单元的几何尺寸固定为7.211米,这样可以使得重复的单元尽可能多,钢材的利用效率最大化。

更绝妙的是,填充在钢网架中间的气枕可以天衣无缝地结合在一起,不会产生钢结构与膜结构相互干扰的问题。

(气枕填充前水立方的钢网架,图片来自网络)

为完成高难度焊接,向造船厂要焊工

但是这样一来,就给测量和误差控制带来了很大的挑战,还必须要有技艺精湛的焊工才能完成这样高难度的焊接。但在12年前,中国的高级技工非常紧缺。在第一次焊工考试中,100人,合格的只有10人。为此,项目组四处招兵买马,甚至向压力容器制造企业和造船厂求援,最终终于集结了300名优秀焊工,“精英团队”攻坚克难,从最初每天安装十几个、几十个构件,到最后日最高记录达到了270个构件。

“火柴棍”式的拼装模式,加快建造速度

为了保证精度,在施工之初,工人们采用了小单元组装的方式。他们先在地面上拼装出小单元体,再将其装配到结构中。但是,这样的安装方式太慢了,即使到开奥运会的那一天也安装不完。工人们于是发明了一球一杆的最小单元拼装模式,也就是“火柴棍”式的拼装模式,大大加快了建造速度。

“塑料之王”国产化,开启了一种全新的建筑形式

完成了钢结构网架的安装后,就开始向网架中填充气枕,也就是安装“泡泡”。这种气枕材料名叫“ETFE”,中文名叫“四氟乙烯共聚物”。它熔点高、耐腐蚀、不易破损、无毒无害,而且还有自洁功能,这对于无法经常打理的建筑材料而言是难能可贵的,因此,这种材料又被叫做“塑料之王”。

在水立方中,这种建筑材料最大的亮点就在于它的透光率可以调节。在ETFE膜表面印刷不同的图案,可以改变进入室内的阳光和热量,最大限度地利用光能的同时,又不破坏室内的舒适环境。

做成气枕后,其热传导效率极低,隔热性能好,室内冬暖夏凉,不受外界环境干扰。对于水立方来说,这是一种非常出色的建筑材料。

(气枕细节图,图片来自网络)

但在水立方修建的2006年,具有ETFE生产能力的国家只有日本、美国和德国,而具有ETFE膜工程深化设计和施工能力的厂商则几乎全集中在德国。在国内则从生产到施工完全是一片空白。因此,国产化势在必行。

通过引进外国技术、在中国设厂的方式,我们的工程师们一方面如期生产出了ETFE薄膜,满足了水立方工程的按期完工;另一方面也掌握了ETFE的加工、安装技术,在行业中占有了一席之地。

在水立方之后,采用相似技术的建筑如雨后春笋般涌现。可以说,水立方的成功不仅仅意味着一座水立方,而是在中国开创了一种全新的建筑形式,创造了一个蓬勃发展的市场。

(ETFE气枕结构图,图片来自网络)

奥运结束了,水立方就闲置了?并不是

与兄弟建筑鸟巢一样,水立方也契合绿色奥运主题,节能减排。比如,奥运会期间的电力消耗很大,如果单纯配置永久供电,奥运结束后必定会造成闲置和浪费。为了同时兼顾奥运使用和赛后节能,水立方采用了永久系统和临时系统相结合设计,赛中同时工作,赛后关闭临时系统,节约能源。

在建筑环境方面,因为采用了自然通风及空腔通风等措施,水立方每年可以少消耗一百多万度电。此外,由于ETFE材料本身的透光性能很好,自然光的利用效率极高,因此在照明和采暖两方面的能耗远低于一般建筑。

薄膜如何能抗住北京的夹着沙子的大风?

解决了材料,建造过程又出了难题。北京是个多风的地方,每年秋天的狂风夹着沙子,从西伯利亚吹打到薄膜上;到了冬天,薄膜又要面对积雪的重压。即使是ETFE薄膜身强力壮,也深感压力山大。想要加强薄膜,国外通常采用加强钢索的方法。

加强钢索附着在气枕表面,将气枕分割为几部分来分担压力,确实可以起到很好的加强效果。但这样一来,整个水立方晶莹圆润的外观就被破坏了。因此,我们的工程师选用了新的做法,在风压超大区域的ETFE气枕外侧增加一层250微米厚的透明附加膜作为加强措施。它与ETFE薄膜“戮力同心”,抵御外部荷载。

水立方这座建筑,为北京城带来了一股江南水乡的清新。或许在当时水立方是中国建筑史上最难的建筑之一,但也一定会有越来越多的更有挑战性的建筑涌现出来,工程师们也在不断突破,创造更多奇迹。

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编辑| 于冉帝

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