“水立方”国家游泳中心

“水立方”国家游泳中心,是2008年北京奥运会标志性建筑物之一,承担奥运会游泳、跳水、花样游泳、水球等比赛项目。
“水立方”位于北京奥林匹克公园内,长宽均为177m,高31m,规划建设用地62950㎡,建筑面积87283㎡,ETFE气枕面积约10万㎡。整个建筑由3700多个气枕构成,其中,一些气枕跨度达10m,是世界面积最大、技术难度最大、最复杂的膜结构工程。
“水立方”以方型的建筑形态体现与“鸟巢”和谐共生的中国文化理念,“水立方”钢结构采用的新型基于气泡理论的多面体空间钢架体系,属国“水立方”与国家体育场(鸟巢)分列于北京中轴线的两侧,二者相得益彰,如果说“鸟巢”是团带有激情的火,那么“水立方”则是散发柔美浪漫的水。水是整个建筑的主题:流动、多变、宁静、奔涌‥‥‥水的流动、多变和不确定性给人们以不同的体验。遥望“水立方”,是一个水蓝色的世界,宛如一潭蓝色的湖水,平和而宁静。近处的“水立方”则是一个透明的“冰块”,游泳中心内部设施尽收眼底,壮观而震撼。
“水立方”是一个具有很高科技含量的建筑,结构设计面临着许多国内外前所未有的课题,包括:新型空间结构体系的几何构成与优化;新型空间结构体系的整体分析及延性与抗震设计;各类连接节点的受力性能与实用计算方法;各类变截面杆件的实用分析计算方法;大型长方体结构的风雪洞试验研究等。
《国家游泳中心结构及室内环境关键技术研究》课题通过对新型空间结构几何构成与优化、结构整体分析与设计、结构风雪冰试验、各类节点和杆件计算方法与实验、室内环境声光电热研究、ETFE立面装配系统研究等方面的研究,完成将最终的成果直接应用于国家游泳中心的设计与施工,确保工程安全、经济、合理,同时纳入国家新版网格结构技术规程等课题立项目标。

二、工程设计、施工依据
工程的设计、施工工作严格遵照《国家游泳中心屋面及墙面ETFE装配系统工程技术及施工质量验收标准》,AS/NZSISO9000质量管理,AS/NZSISO9001质量体系,AS/NZSISO9002质量体系——生产、安装和服务质量保证的范例以及相关的国内规范。
《国家游泳中心屋面及墙面ETFE装配系统工程技术及施工质量验收标准》专为“水立方”工程而制定,并已经过权威专家评审。

三、结构与系统设计
1.充气膜结构体系
国家游泳中心“水立方”ETFE充气膜结构体系由内侧钢结构支撑框架、铝合金固定夹具(包括KEDER夹具、夹具定座、夹具扣板、密封胶条、衬垫和连接的组合装配系统)、ETFE气枕、充气系统等部分组成。
ETFE充气膜结构作为一种全新的设计理念,无论是在气密性、水密性、抗风压变形性能方面,还是在隔热、吸声降噪等方面都极具难度和挑战性。
2.ETFE气枕铝合金夹具
ETFE气枕铝合金夹具是固定ETFE气枕的KEDER夹具、夹具定座、夹具扣板、密封胶条、衬垫和连接的组合装配系统。
(1)Keder型材
气枕边缘的绳索夹在铝合金夹具中的keder构件中,keder构件可以设计成独立的夹具形式,如屋面和天花吊顶的气枕夹具,也可以设计为整个夹具中的一个构件,如立面气枕上的夹具。
(2)夹具底座
对于复杂组合装配情况下的夹具主体:Keder被设计成互锁的结构,夹具底座直接连接固定到主结构上,是立面气枕的主体。
(3)夹具扣盖
铝合金夹具扣盖与夹具底座是立面气枕夹具的密封盖、装饰盖,同时与夹具底座一起固定气枕,以提供气枕边缘的夹扣压力同时作为整体夹具组合的密封盖。

四、性能与结构特点

1.安全性
沈阳远大企业集团所采用的各种铝合金型材均满足幕墙规范的要求,国内尚无规范的,参照欧美标准执行;承力铝型材、转接件、栓、钉均通过有限元计算,满足计算要求;转接件与主体钢构的连接,夹具底座与转接件的栓接,Keder型材与夹具底座的配合相连,夹具扣盖与夹具底座的栓接,Keder穿入Keder型材等部位连接可靠,夹具底座胶条与夹具扣盖胶条对膜形成围护。
2.隔声性
作为奥运及国家大型比赛场馆,对吸声降噪及室内混响,特别是雨噪音降噪的要求比较高。针对此种特殊需求,工程专门为赛时制定了雨噪音降噪方案,即在屋面ETFE气枕处安装Texlon雨噪音降噪网,使比赛时运动员及观众更少的受到外界干扰,使该建筑更好的发挥其使用功能。
3.光线的透射和遮挡性
进入建筑物的光线和光线的遮挡是由钢结构、屋面天沟和ETFE夹具来控制,此外,ETFE装配系统通过外屋面和墙面的EFFE膜上的镀点图案密度变化也有助于遮挡光线,满足不同部位光线遮挡和光线透射进入室内的设计要求。
4.保温性
外立面墙的结构:三层ETFE膜气枕结构,外立面夹具绝热。
内立面墙的结构:三层ETFE膜气枕结构,内立面夹具不绝热。
室内空间的墙体:二层ETFE膜气枕结构
外屋面结构:四层ETFE膜气枕结构,外屋面天沟绝热比内屋面气枕绝热提供更好的绝热性能。
内屋面天花板:四层ETFE膜气枕结构,内部天花板天沟绝热,比内部天花板气枕提供更好的绝热性能。
屋面及立面结构中的绝热组合提供充分的绝热性能,满足设计规范要求。
5.水密性
“水立方”采用多重密封防水构造设计,具有良好的水密性和气密性。
国家游泳中心包括两个立面,外立面和内立面。外立面阻止雨和雪进入建筑物,工程将最初的“C型钢构防水保温”更新为“铝型材复合胶条”形式。复合胶条是由三元乙丙实体和海绵体复合而成,该种胶条的采用,很好的解决了水密问题,同时优化了外视效果,使现场安装更加方便、快捷,并在建筑的外表面形成了连续的防水屏障。
在屋面,ETFE装配系统次龙骨采用“钢天沟防水保温层”形式,ETFE膜夹具勾挂在钢天沟边沿,钢天沟做为主要受力构件,自攻自钻钉仅起到固定作用,使该部位的受力更加合理。屋面部位同墙体一样采用特定复合胶条,使雨水很难渗漏到室内,同时,自攻自钻钉尖部暴露于室外,即使自攻自钻钉孔处漏水,水滴最终仍会流到室外。天沟内采用优质防水及保温材料,并与虹吸排水系统紧密联系。此种结构形式的采用,使屋面更好发挥其防水功能。
在内立面,设置了系统的排水通道,使空腔(内外立面之间)结露水通过天花板的排水槽排走,从而阻止了结露水进入建筑内部。
6.美观性
ETFE膜材不同的剪裁可实现不同的造型,使建筑具有丰富的表现力:整体效果此起彼伏,充满立体感;铝合金扣盖与装饰扣盖颜色深浅有致,体现线条美;铝合金扣盖双弧线设计与气枕充气后的弧交相呼应;空腔内置灯光,夜间建筑物将五彩斑澜、绚丽夺目。
7.耐久性
ETFE膜本身的性能,决定了它的耐久性,30年内性能不变。
铝合金型材可视部分喷涂,不可视部分银白氧化,这种防腐处理后的铝合金耐腐性能达20年以上。

五、工程材料选用
1.ETFE特性
ETFE是英文EthyleneTetraFluoroEthylene的缩写,中文名称为乙烯-四氟乙烯共聚物。ETFE膜材具有较高的抗拉强度、抗冲击性能及抗撕裂能力。
2.力学性能
(1)ETFE膜的厚度和质量
ETFE膜材的厚度通常在0.05～0.25mm。随着厚度的增加,膜材将更硬更脆,难以加工。ETFE的密度约为1.75g/cm3。以0.20mm厚的ETFE膜材为例,其质量约350g/㎡。
(2)ETFE的屈服应力
在低度的疲劳情况下,ETFE承受两个不同的屈服点,第一个约是18N/mm2,第二个约是25N/mm2,并且作用在膜上的荷载使用越快,屈服点越高。
(3)ETFE屈服后的恢复
ETFE具有“长期记忆”功能,即长期弹性性能。一旦将荷载从试件上释放,试件将还原其初始长度的10-20以内。
3.颜色及透光率
0.20mm厚单层ETFE透明膜材的透光率高达95,白色膜材为50～55。
4.化学兼容性
ETFE是所有塑料制品中最具惰性的,它对绝大多数化学试剂有抗溶解性,但其中不包括熔化的碱性金属;对于液体、气体、湿气和有机物产生的水蒸气来说,其具有低渗透性。
5.电性稳定性能
ETFE具有超级稳定性,可保持大面积膜的膜材性能,具备很高的非传导性强度,每千分之一寸超过6500伏特,ETFE不导电,不可湿,不碳化,具有非常低的电量因数和非传导性常数,仅当温度和频率大幅度变化时才有微小的变化。
6.防火性能
ETFE膜热熔时不会滴落。并且质量很轻,每平方米只有0.15-0.35公斤。这种特点使其即使在由于烟、火引起的膜熔化情况下也具有相当的优势。
7.自洁性能
ETFE材料特有抗粘着表面使ETFE膜具有高抗污,易清洗的特点,通常雨水即可清除主要污垢。是优良的透明建筑结构材料,在许多工程中被证明为可信赖且经济实用的屋顶材料。
8.宽温度范围
ETFE材料连续工作温度-240摄氏度到250摄氏度,熔点范围在250到280摄氏度之间,并且具备良好的热密封性
9.机械韧性
ETFE材料具备良好的防粘性和低摩擦性能,并有很高的抗冲击和撕裂能力,即使在低温情况下ETFE材料也有较好的物理学性能。
10.耐用性
ETFE材料性能基本不受室外环境影响,目前测试表明其性能在使用20年后基本没变化,而且除了远红外线外,ETFE材料对紫外线和所有光线具有较高的穿透性。
11.可靠性
ETFE膜不包含可塑剂或其他异质材料,可用传统设备和技术进行加工处理,基本成分和性能不会受影响。
12.可加工性
ETFE膜可依据建筑设计的需要剪裁和成型,也可依据建筑物节能要求多层膜热合焊接,并且加工质量可控。
13.维护方便性
ETFE膜由于其优秀品质,几乎不需日常保养。只需对其由于机械损坏的部位进行简单检查,并根据需要就地维修,同时也可检查通风系统,更换过滤装置。

六、工程施工
主气管将采用金属镀锌管,转弯处和与气枕连接管为软管,金属管之间连接采用专用的短接、三通、变径连接,接头处采用胶带密封。与气枕连接的充气管将采用朔料软管,用喉箍连接。采用抱箍的形式将充气管与主结构方钢管连接。
天沟材料选用4mm厚钢板,表面进行热浸镀锌处理。不同的天沟在交点的位置用法兰连接。
ETFE膜采用分离式张拉扣式结构,具有自锁功能,安装方便快捷。墙体及屋面的ETFE膜均采用特定的铝合金夹条固定。为便于安装,在铝合金夹条设计上采用了特殊的安装用槽口;同时,针对ETFE膜夹具的不同形式,设计制作了不同的专用安装工具,大大缩短安装时间,提高现场安装效率。
针对该工程复杂的结构形式,工程采用了以桅杆做支撑载体的液压爬升式垂直升降工作平台。为施工人员提供安全稳定的工作平面。
合理、完善的工程施工组织,使得“水立方”工程紧张有序的进行。

结束语
“水立方”膜结构作为建筑的外维护结构,是实现建筑功能、表现建筑美学的重要部分,其作用不是简单的遮风挡雨,它在调节室内环境、营造健康空间、表现建筑完美以及建筑节能等方面,带给人们越来越多的惊喜、实用而多样的选择和无尽的享受。
“水立方”膜结构设计是一个过程,是一个将建筑艺术与技术完美融合的过程,是追求品质、创造完美的过程。
“水立方”以其简洁、大气的立面和全新设计理念载入世界建筑史册。“水立方”是利用水的大分子、排列和泡沫的概念，并用一种叫ETFE的膜镶嵌在钢铁口当中，里外是两层。去年年底完成的是外层膜，给人一种晶莹剔透的感觉。“水立方”的膜表面很光滑，上面还有涂层，落上灰尘后拿水一冲就可以了，每下一场雨后就会干净如初。
ETFE膜材料含有氟元素，因此很稳定，比玻璃还要稳定，它的稳定表现为憎水性，也就是说水很难在它的表面滞留，霉菌生长的条件就是水和温度，因此在少水的ETFE表面生成霉菌的可能性很小。气枕设计的使用寿命是30年，具有较好的自洁功能，灰尘不易吸附在上面。
　　由膜组成的气枕本身是充气的，两层气枕中间有钢结构支撑起来的空间，这个空间可以帮助建筑本身完成自然通风，防止温室效应。另外膜上面有一些银色的镀点，这些镀点像一面面小镜子，可以控制太阳光的射入量，防止建筑物内部温度过高。
　　通过科学实验，膜材料具有低频声波透射、中高频声波反射的特性。为了让场内观众听清楚声音，运动员能听清裁判员的发令，混响的解决是个难题。水立方的技术人员对建
筑物进行了计算机声场模拟分析，结果表明在建筑物内设置一定数量的吸声介质可以有效地吸收声波，并将室内混响时间有效地控制在国家规范允许的范围，如在可能的位置加入吸声墙面，座椅使用吸声材料制作，屋顶设置吸声介质等等。这些细节将完善“水立方”的设计。



“防鸟线”护卫膜结构

　　11时20分，记者在直播现场看到，最后一块气枕位于“水立方”顶部的中间位置，由于今天户外气温非常低，站在屋顶的工人都穿着厚厚的棉制工作服紧张忙碌着。据现场工程负责人介绍，今天最后一块气枕的安装时间约为40多分钟。这种名为ETFE的膜材料看上去只有牛皮纸厚，对着阳光望去非常剔透。不过据工程负责人介绍:“虽然这种含氟的膜材料看似很薄透，透光率能达到90％，但实际上强度却非常高，即便在上面放辆汽车也完全能够承重。”

　　在现场记者还了解到，为了防止鸟类对“水立方”的外层膜结构造成损害，在膜结构的四周都专门设有“防鸟线”。同时在“水立方”正式完工后四周还将设有四米宽的护城河进行保护，以避免人为的利器刮伤。另外，针对“水立方”膜结构的保护问题，记者在现场还请教了工程负责人，据介绍膜结构3000个气枕的充气系统是全自动，其中任何一个细节出现问题，工作人员都能通过电脑及时捕捉和发现。即便是其中某个气枕出现了故障和问题，因为每个气枕都是用螺钉固定，而且每个气枕又是一个相对独立的充气系统，因此维修和更换都非常方便。



“水立方”的用水节水方案。
　　泳池换水自动控制
　　为确保“水立方”的水质达到国际泳联最新卫生标准，泳池的水将采用砂滤—臭氧—活性炭净水工艺，全部用臭氧消毒。据介绍，臭氧消毒不仅能有效去除池水异味，而且可消除池水对人体的刺激。
　　此外，泳池换水还将全程采用自动控制技术，提高净水系统运行效率，降低净水药剂和电力的消耗，可以节约泳池补水量50以上。此外，泳池和水上游乐池将采用防渗混凝土以防渗漏。
　　洗澡水用于冲厕及灌溉
　　除了泳池用水，“水立方”的其他用水也十分节约。洗浴等废水，将经过生物接触氧化、过滤，再用活性炭吸附并消毒后，用于场馆内便器冲洗、车库地面的冲洗以及室外绿化灌溉。仅此一项就可每年节约用水44530吨水。此外，为了减少水的蒸发量，“水立方”的室外绿地将在夜间进行灌溉，采用以色列的微灌喷头，建成后可以节约用水5。
　　卫生洁具设水表计水量
　　为尽可能减少人们在使用时对水的浪费，“水立方”对便器、沐浴龙头、面盆等设备均采用感应式的冲洗阀，合理控制卫生洁具的出水量，并在各集中用水点设置水表，计量用水量。预计通过这些措施，可以节水10左右。
　　除了浴池用水，“水立方”还将在比赛大厅设立饮水处，为运动员和观众提供饮用水。为避免饮水的二次污染，避免浪费，“水立方”的饮用水将采用末端直饮水处理设备。