篇一：水立方的图案来自何处
水立方的图案来自何处
云无心 发表于 2009-08-05 11:30
水立方的图案来自何处
看过了北京奥运会游泳馆的人对于下面两张照片有没有似曾相识的感觉？
（显微镜下的泡沫照片，左边是酪蛋白产生的泡沫，右边是刮胡子所用的泡沫） 再看看“水立方”的照片。
（北京奥运会游泳馆“水立方”）
没错，水立方的图案就是上面图中的结构。那两幅图是是显微镜下的泡沫平面结构。左面的一张泡泡比较大，含水量要高一些，类似于鸡蛋白打出的泡沫。右面一张是刮胡子用的泡沫，泡泡小，含水量低一些。大家可以想象，当水里的泡泡比较少的时候，泡泡是圆的。当泡泡比较多的时候，就难免互相挤压，所谓“摩肩接踵”，大概就是那个样子。泡沫越“干”，互相挤压就越厉害，象右边照片里的泡沫，已经被挤压成多面体了。
那么，泡沫的含水量低到什么程度，泡沫开始互相挤压呢？简单来说，我们可以想象很多的乒乓球堆在一起，乒乓球的体积相当于泡沫的空气含量。乒乓球体积以外的部分占空间体积的比例就是泡沫开始互相挤压的含水量。进行一番不算太难的立体几何体积计算，可以得出这个含水量大致是26%，通常低于这个含水量的才称为泡沫，高于这个含水量的称为气液混合物。
下面这张图是泡沫的三维结构。大家洗衣服或者泡泡浴的时候，不妨看看是不是就是这个样子的。十九世纪比利时有个教授叫做约瑟夫×普拉泰奥（Joseph Plateau），他发明了原始的动画装置，对于人类电影的发明作出了奠基性的贡献，所以后来“比利时的奥斯卡奖”就用他的名字叫作“约瑟夫×普拉泰奥奖”。他的主业是物理和数学，不过大概他没事干的时候喜欢看肥皂泡。看多了，就总结出了几点结论：一、泡沫中的每个面都是平滑的；二、在泡沫中的任意一个面上，不同地方的的曲率半径是相同的；三、总是三个面相交在一起，两两呈120度角，后来人们把三面相交形成的边界叫做普拉泰奥边；四、四条普拉泰奥边的一端相交在一起，另一端的顶点形成一个正四面体的结构，任意两条边呈109.47度角——当然，这个角度不是看出来的，而是算出来的，他看出来的应该是这个角的余弦是负1/3。后来这几点结论就成了泡沫研究中的基本定律，被称为普拉泰奥定律，在泡沫研究中的地位类似于惯性定律在牛顿力学中的地位。
(泡沫三维结构)
十九世纪末的时候，英国著名的数学物理学家开尔文（Kelvin，绝对温度所用的K就是指他，一生科学成就无数）提了个问题：把空间划分成相同体积的小单元，如何划分所需要的界面最小？与此等价的问题就是：什么样的泡沫结构效率最高？因为自然界总是遵循最有效率的（或者说能量最低的）结构，这个问题实际上就是说最好的泡沫结构是
什么样子的。
开尔文自己提出的理想泡沫结构是下边的图：泡沫由相同的十四面体组成，每个泡泡的十四个面中有6个正方形和8个正六边形。
（开尔文设计的最佳泡沫结构）
随后的一百多年，人们普遍认为开尔文的这个结构就是泡沫的最优结构。直到1993年，爱尔兰的Denis Weaire 和Robert Phelan用计算机模拟泡沫结构，找到了比开尔文模型更好的结构，被称为Weaire-Phelan结构， 见下面的图。这个结构由两种相同体积的泡泡组成。一种是正十二面体，每面是正五边形；一种是十四面体，其中两个正六边形，十二个正五边形。
（Weaire-Phelan的泡沫结构）
这样的一种结构，把空间划分成相同体积的小单元，比克尔文结构所需要的界面少0.3%。就是这0.3%，花费了人类一百多年的时间去寻找。而且，现在人们也无法证明这就是最优的泡沫结构，只是说“很有可能”是最优的。从某种程度上说，开尔文问题并没有得到最后的答案。所以，有兴趣的人不妨自己设计一个泡沫结构，看看是不是比这个结
构更有效率。
水立方的图案，就是采取了了Weaire-Phelan的泡沫结构。
篇二：建筑工程实例分析——水立方
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176.538m×176.538m，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176.5389m×176.5389m×29.3789m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(180～550) 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,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
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，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。
篇三：水立方调研报告
《水立方图片》
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