關(guān)于水立方和鳥巢的物理知識

【專家解說】：國家體育場建筑頂面呈鞍形，長軸為332.3米，短軸為296.4米，最高點高度為68.5米，最低點高度為42.8米。在保持“鳥巢”建筑風格不變的前提下，新設計方案對結(jié)構(gòu)布局、構(gòu)建截面形式、材料利用率等問題進行了較大幅度的調(diào)整與優(yōu)化。原設計方案中的可開啟屋頂被取消，屋頂開口擴大，并通過鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化大大減少了用鋼量。大跨度屋蓋支撐在24根桁架柱之上，柱距為37.96米。主桁架圍繞屋蓋中間的開口放射形布置，有22榀主桁架直通或接近直通。為了避免出現(xiàn)過于復雜的節(jié)點，少量主桁架在內(nèi)環(huán)附近截斷。鋼結(jié)構(gòu)大量采用由鋼板焊接而成的箱形構(gòu)件，交叉布置的主桁架與屋面及立面的次結(jié)構(gòu)一起形成了“鳥巢”的特殊建筑造型。主看臺部分采用鋼筋混凝土框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系，與大跨度鋼結(jié)構(gòu)完全脫開。 “鳥巢”是2008年北京奧運會主體育場。由2001年普利茨克獎獲得者赫爾佐格、德梅隆與中國建筑師合作完成的巨型體育場設計，形態(tài)如同孕育生命的“巢”，它更像一個搖籃， 寄托著人類對未來的希望。設計者們對這個國家體育場沒有做任何多余的處理，只是坦率地把結(jié)構(gòu)暴露在外，因而自然形成了建筑的外觀。 “鳥巢”以巨大的鋼網(wǎng)圍合、覆蓋著9.1萬人的體育場；觀光樓梯自然地成為結(jié)構(gòu)的延伸；立柱消失了，均勻受力的網(wǎng)如樹枝般沒有明確的指向，讓人感到每一個座位都是平等的，置身其中如同回到森林；把陽光濾成漫射狀的充氣膜，使體育場告別了日照陰影；整個地形隆起4米，內(nèi)部作附屬設施，避免了下挖土方所耗的巨大投資。 鳥巢是一個大跨度的曲線結(jié)構(gòu)，有大量的曲線箱形結(jié)構(gòu)，設計和安裝均有很大挑戰(zhàn)性，在施工過程中處處離不開科技支持?！傍B巢”采用了當今先進的建筑科技，全部工程共有二三十項技術(shù)難題，其中，鋼結(jié)構(gòu)是世界上獨一無二的?！傍B巢”鋼結(jié)構(gòu)總重4.2萬噸，最大跨度343米，而且結(jié)構(gòu)相當復雜，其三維扭曲像麻花一樣的加工，在建造后的沉降、變形、吊裝等問題正在逐步解決，相關(guān)施工技術(shù)難題還被列為科技部重點攻關(guān)項目。 現(xiàn)在，“鳥巢”已經(jīng)完成混凝土施工，開始進行鋼結(jié)構(gòu)施工。在桁架柱內(nèi)柱受力最大的部位，為了有效控制構(gòu)件的最大壁厚，減小焊接工作量，使連接構(gòu)造比較合理，在設計中采用了高強度的Q460鋼材。 說起Q460鋼材，大多數(shù)人可能都不了解?！傍B巢”結(jié)構(gòu)設計奇特新穎，而這次搭建它的鋼結(jié)構(gòu)的Q460也有很多獨到之處：Q460是一種低合金高強度鋼，它在受力強度達到460兆帕時才會發(fā)生塑性變形，這個強度要比一般鋼材大，因此生產(chǎn)難度很大。這是國內(nèi)在建筑結(jié)構(gòu)上首次使用Q460規(guī)格的鋼材；而這次使用的鋼板厚度達到110毫米，是以前絕無僅有的，在國家標準中，Q460的最大厚度也只是100毫米。以前這種鋼一般從盧森堡、韓國、日本進口。為了給“鳥巢”提供“合身”的Q460，從2004年9月開始，河南舞陽特種鋼廠的科研人員開始了長達半年多的科技攻關(guān)，前后3次試制終于獲得成功。如今，為“鳥巢”準備的Q460鋼材已經(jīng)開始批量生產(chǎn)。2008年，400噸自主創(chuàng)新、具有知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)Q460鋼材，將撐起“鳥巢”的鐵骨鋼筋。 ——小鳥筑巢 從東剛果至南非州熱帶稀樹干草原，常?？梢砸姷接幸环N叫蒼頭燕雀的織布鳥。它們用草和許多不同柔韌度的纖維織成的巢，象一粒粒奇異的果實一樣懸掛在樹枝上?？棽鉴B選擇結(jié)實的動物毛發(fā)——最常見的是斑馬或羚羊身上的毛，將巢牢牢地系在樹枝上，還用嘴將毛發(fā)纏成總是一個式樣的結(jié)子作為記號。這樣的鳥巢能承受在里面棲身的一對成年雀鳥和幾只幼鳥的全部重量，任憑風吹雨打也不會脫落下來。 本世紀初，自然科學愛好者矣熱恩·瑪雷發(fā)現(xiàn)年輕的雀鳥在筑巢時并未仿效它們的年長伙伴。為了排除年輕雀鳥受訓的可能，矣熱恩從織布鳥巢取走幾粒卵，把它們偷偷地放到他家哺養(yǎng)的金絲雀的巢里去孵化。當雛鳥破殼而出逐漸長大后，又把它們轉(zhuǎn)移到另一個特定的地方， 讓它們在那里結(jié)成“伴侶”，生兒育女，同時不讓它們獲得可供筑巢的任何合適材料，而是讓它們直接把卵產(chǎn)在籠底。產(chǎn)下的卵又取走，再讓金絲雀孵化……就這樣反復試驗，使得第四代的織布鳥不僅斷絕了與前輩和自然界的聯(lián)系，而且完全被人工所馴化。 現(xiàn)在，他在鳥籠里放進一小撮草，一些纖細樹枝和纖維物?？棽鉴B就在籠里利用這些材料開始工作。很快，鳥兒就編好了懸掛在籠子里的巢，而且其式樣與它們自由自在的上幾代所營造的巢毫無二致。它們熟諳營造技術(shù)，這方面的知識絕不比它們的曾祖、高祖遜色。它們也懂得用松軟但不夠結(jié)實的馬的毛墊在籠子底部，而決不會將它錯織到巢壁上。如材料有剩，它們就會用剩料來加固巢與籠上樹條的聯(lián)接，用它扎成帶“商標”的特別的結(jié)子。 “鳥巢” 的含義：它是一個用樹枝般的鋼網(wǎng)把一個可容10萬人的體育場編織成的一個溫馨鳥巢！用來孕育與呵護生命的“巢”，寄托著人類對未來的希望。鳥巢”三大工程——鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)。在“鳥巢”里一共用了4.2萬噸鋼材。全鋼結(jié)構(gòu)，熱脹冷縮系數(shù)較大，“鳥巢”就像個向日葵，總是隨著太陽轉(zhuǎn)，這就要求膜的張力一定要夠強。鳥巢”的整個鋼筋鐵骨焊接在一起，自身形成了一個巨大的避雷網(wǎng)，能把雷電迅速導入地下，而且做了特殊處理，雷電決不會傷害到人?！傍B巢”外形結(jié)構(gòu)主要由巨大的門式鋼架組成，共有24根桁架柱。 “鳥巢”頂部的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)外表面還貼上一層半透明的膜。使用這種膜后，體育場內(nèi)的光線不是直射進來的，而是通過漫反射，使光線更柔和，由此形成的漫射光還可解決場內(nèi)草坪的維護問題，同時也有為座席遮風擋雨的功能?；瑒邮降目砷_啟屋頂，當它合上時，體育場將成為一個室內(nèi)的賽場。開啟屋頂，它又成為一個防水的殼體。“鳥巢”之所以是一個不完全封閉的“鳥巢”，是因為這樣的設計既能使自然空氣流通，又能為觀眾和運動員遮風擋雨。采用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。無錫尚德太陽能電力有限公司研發(fā)的尚德太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)落戶“鳥巢”，將清潔、環(huán)保的太陽能發(fā)電與國家體育場容為一體，不僅是對北京奧運會三大主題的極好體現(xiàn)，同時對于提倡使用綠色能源、有效控制和減輕北京及周邊地區(qū)大氣污染，對國家體育場電力供應將起到良好的補充。鳥巢”的下層膜采用的吸聲膜材料、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件上設置的吸聲材料，以及場內(nèi)使用的電聲擴音系統(tǒng)，這三層“特殊裝置”使“巢”內(nèi)的語音清晰度指標指數(shù)達到0.6——這個數(shù)字保證了坐在任何位置的觀眾都能清晰地收聽到廣播。鳥巢”的相關(guān)設計師們還運用流體力學設計，模擬出91000個人同時觀賽的自然通風狀況，讓所有觀眾都能享有同樣的自然光和自然通風?！傍B巢”的觀眾席里，還為殘障人士設置了200多個輪椅座席。這些輪椅座席比普通座席稍高，保證殘障人士和普通觀眾有一樣的視野。賽時，場內(nèi)還將提供供助聽器并設置無線廣播系統(tǒng)，為有聽力和視力障礙的人提供個性化的服務。和“水立方”不同的是，“鳥巢”所采用的是單層膜?！傍B巢”頂棚的外層膜結(jié)構(gòu)雖然和“水立方”一樣，能常保清潔、抵抗低溫煙火的侵蝕，但僅有0.25毫米厚度的膜卻也有個很大的弱點：怕鳥雀的利爪。此外，群鳥在“鳥巢”停留，糞便也是個大問題。為了拒鳥于“鳥巢”之外，在其頂部四周，安上了類似于機場用的驅(qū)鳥裝置?？紤]到此法攔不住一些“漏網(wǎng)之鳥”，在“鳥巢”外層膜上，還鋪設了停鳥線，既能讓鳥雀有地方落，不致傷膜，也不影響外觀 ★水立方”是北京奧運會國家游泳中心，它的膜結(jié)構(gòu)已成為世界之最。它是根據(jù)細胞排列形式和肥皂泡天然結(jié)構(gòu)設計而成的，這種形態(tài)在建筑結(jié)構(gòu)中從來沒有出現(xiàn)過，創(chuàng)意真是奇特。 ★“水立方”的墻面和屋頂都分內(nèi)外三層，設計人員利用三維坐標設計了3萬多個鋼質(zhì)構(gòu)件，這三萬多個鋼質(zhì)構(gòu)件在位置上沒有一個是相同的。這些技術(shù)都是我國自主創(chuàng)新的科技成果，他們填補了世界建筑史的空白。 “水立方”位于奧林匹克公園B區(qū)西側(cè)，和國家體育場‘鳥巢’隔馬路遙相呼應，建設規(guī)模約8萬平方米，最引人注意的就是外圍形似水泡的ETFE膜（乙烯-四氟乙烯共聚物）。ETFE膜是一種透明膜，能為場館內(nèi)帶來更多的自然光，他的內(nèi)部是一個多層樓建筑，對稱排列的大看臺視野開闊，館內(nèi)乳白色的建筑與碧藍的水池相映成趣。 國家游泳中心的設計方案，是經(jīng)全球設計競賽產(chǎn)生的“水的立方”（[H2O]3）方案。該方案由中國建筑工程總公司、澳大利亞PTW建筑師事務所、ARUP澳大利亞有限公司聯(lián)合設計。其中中方設計者：中建國際(深圳)設計顧問有限公司總裁、總建筑師趙小鈞、總工程師毛紅衛(wèi)，PTW建筑事務所的兩名主設計師為約翰·保林 (John Pauline)與托比·王(Toby Wong)。 設計體現(xiàn)出 [H2O]3(“水立方”)的設計理念，融建筑設計與結(jié)構(gòu)設計于一體，設計新穎，結(jié)構(gòu)獨特，與國家體育場比較協(xié)調(diào)，功能上完全滿足2008年奧運會賽事要求，而且易于賽后運營。 這個看似簡單的“方盒子”是中國傳統(tǒng)文化和現(xiàn)代科技共同“搭建”而成的。中國人認為：沒有規(guī)矩不成方圓，按照制定出來的規(guī)矩做事，就可以獲得整體的和諧統(tǒng)一。在中國傳統(tǒng)文化中，“天圓地方”的設計思想催生了“水立方”，它與圓形的“鳥巢”——國家體育場相互呼應，相得益彰。方形是中國古代城市建筑最基本的形態(tài)，它體現(xiàn)的是中國文化中以綱常倫理為代表的社會生活規(guī)則。而這個“方盒子”又能夠最佳體現(xiàn)國家游泳中心的多功能要求，從而實現(xiàn)了傳統(tǒng)文化與建筑功能的完善結(jié)合。 在中國文化里，水是一種重要的自然元素，并激發(fā)起人們歡樂的情緒。國家游泳中心賽后將成為北京最大的水上樂園，所以設計者針對各個年齡層次的人，探尋水可以提供的各種娛樂方式，開發(fā)出水的各種不同的用途，他們將這種設計理念稱作“水立方”。希望它能激發(fā)人們的靈感和熱情，豐富人們的生活，并為人們提供一個記憶的載體。 為達此目的，設計者將水的概念深化，不僅利用水的裝飾作用，還利用其獨特的微觀結(jié)構(gòu)?；凇芭菽崩碚摰脑O計靈感，他們?yōu)椤胺胶凶印卑狭艘粚咏ㄖ馄?，上面布滿了酷似水分子結(jié)構(gòu)的幾何形狀，表面覆蓋的ETFE膜又賦予了建筑冰晶狀的外貌，使其具有獨特的視覺效果和感受，輪廓和外觀變得柔和，水的神韻在建筑中得到了完美的體現(xiàn)。輕靈的“水立方”能夠奪魁，還在于它體現(xiàn)了諸多科技和環(huán)保特點。合理組織自然通風、循環(huán)水系統(tǒng)的合理開發(fā)，高科技建筑材料的廣泛應用，都共同為國家游泳中心增添了更多的時代氣息。泳池也應用了許多創(chuàng)新設計，如把室外空氣引入池水表面，帶孔的終點池岸，視覺和聲音出發(fā)信號等，這將使比賽池成為世界上最快的泳池?！铩八⒎健辈粌H是一幢優(yōu)美和復雜的建筑，她還能激發(fā)人們的靈感和熱情，豐富人們的生活，為人們提供記憶的載體。因此設計中不僅利用水的裝飾作用，同時還利用其獨特的微觀結(jié)構(gòu)。采用在整個建筑內(nèi)外層包裹的ETFE膜（乙烯-四氟乙烯共聚物）是一種輕質(zhì)新型材料，具有有效的熱學性能和透光性，可以調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，冬季保溫、夏季散熱，而且還會避免建筑結(jié)構(gòu)受到游泳中心內(nèi)部環(huán)境的侵蝕。更神奇的是，如果ETFE膜有一個破洞，不必更換，只需打上一塊補丁，它便會自行愈合，過一段時間就會恢復原貌！ ★國際上在建筑使用膜結(jié)構(gòu)時，多用的是PTFE膜，這是一種纖維材料，特點是不透明，但是，使用技術(shù)比較成熟。而“水立方”使用的是ETFE膜，這是一種透明膜，能為場館內(nèi)帶來更多的自然光。在國內(nèi)對這種薄膜結(jié)構(gòu)的理論研究幾乎就是空白。 2006年德國世界杯主要賽場之一的慕尼黑安聯(lián)體育場也使用了ETFE氣枕式外墻，但與水立方相比，兩者的區(qū)別在于，德國安聯(lián)體育場的氣枕覆蓋面積為6萬平方米，而水立方則達到為10萬平方米；安聯(lián)運動場是單層氣枕并且是規(guī)則排列的，水立方則是雙層氣枕，并且?guī)缀鯖]有形狀相同的兩個氣枕。 按照設計方案，水立方的內(nèi)外立面膜結(jié)構(gòu)共由3065個氣枕組成（其中最小的1－2平方米，最大的達到70平方米），覆蓋面積達到10萬平方米，展開面積達到26萬平方米，是世界上規(guī)模最大的膜結(jié)構(gòu)工程，也是惟一一個完全由膜結(jié)構(gòu)來進行全封閉的大型公共建筑。無論對設計還是施工、使用都是一個極大的挑戰(zhàn)，對ETFE膜的材料、通風空調(diào)、防火、聲、光、電的控制等技術(shù)提出了一個難度很大的課題。 ★防雷設計： “水立方”與“鳥巢”相似，也是采用了傳統(tǒng)的防雷技術(shù)。 “水立方”的地下及基礎部分是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地上部分是鋼網(wǎng)架，鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋通過焊接連接，共同形成了一個立方體的籠子。屋面上，鑲嵌、固定一塊塊充氣枕的是槽形的鋼構(gòu)件，鋼構(gòu)件又寬又厚，與“水立方”四壁的鋼網(wǎng)架焊接為一體，支撐著整個屋頂。雷雨天氣里，這些鋼構(gòu)件的作用更是非同小可。它們一方面作為天溝，收集、排除屋面的雨水；同時又充當了接閃器，及時將雷電流引到“籠式避雷網(wǎng)”，保護整個建筑物的安全。這是一個非常理想的“籠式避雷網(wǎng)”，完全依靠建筑物自身結(jié)構(gòu)中的材料，無須單獨架設避雷針、做引下線或接地體，屋面沒有突出的避雷針或避雷帶，既經(jīng)濟美觀又安全可靠。 ★抗震設計： “水立方”是典型的外柔內(nèi)剛。外部只看到充氣薄膜，好像弱不禁風，而支撐這些薄膜的是堅實的鋼結(jié)構(gòu)，里面觀眾看臺和室內(nèi)建筑物為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)?！八⒎健钡膲Ρ诤吞旎ò逵?.2萬個承重節(jié)點連接起來的網(wǎng)狀鋼管組成，這些節(jié)點均勻地分擔著建筑物的重量，使其堅固得足以經(jīng)受住北京最強的地震?！八⒎健钡牡叵虏糠质卿摻罨炷辖Y(jié)構(gòu)，在澆筑混凝上的時候，在每根鋼桂的位置都設置了預埋件(上部為鋼塊)，鋼結(jié)構(gòu)的鋼柱與這些預埋件牢固的焊接在一起，就這樣，地上部分的鋼結(jié)構(gòu)與地下部分的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形成一個牢固的整體。正是靠著優(yōu)越的結(jié)構(gòu)形式和良好的整體性，“水立方”才擁有了“過硬的身體”，達到了抗震8級烈度的標準。 泳池換水自動控制 為確?！八⒎健钡乃|(zhì)達到國際泳聯(lián)最新衛(wèi)生標準，泳池的水將采用砂濾——臭氧——活性炭凈水工藝，全部用臭氧消毒。據(jù)介紹，臭氧消毒不僅能有效去除池水異味，而且可消除池水對人體的刺激。 此外，泳池換水還將全程采用自動控制技術(shù)，提高凈水系統(tǒng)運行效率，降低凈水藥劑和電力的消耗，可以節(jié)約泳池補水量50%以上。此外，泳池和水上游樂池將采用防滲混凝土以防滲漏。 洗澡水用于沖廁及灌溉 除了泳池用水，“水立方”的其他用水也十分節(jié)約。洗浴等廢水，將經(jīng)過生物接觸氧化、過濾，再用活性炭吸附并消毒后，用于場館內(nèi)便器沖洗、車庫地面的沖洗以及室外綠化灌溉。僅此一項就可每年節(jié)約用水44530噸水。此外，為了減少水的蒸發(fā)量，“水立方”的室外綠地將在夜間進行灌溉，采用以色列的微灌噴頭，建成后可以節(jié)約用水5%。 衛(wèi)生潔具設水表計水量 為盡可能減少人們在使用時對水的浪費，“水立方”對便器、沐浴龍頭、面盆等設備均采用感應式的沖洗閥，合理控制衛(wèi)生潔具的出水量，并在各集中用水點設置水表，計量用水量。預計通過這些措施，可以節(jié)水10%左右。 除了浴池用水，“水立方”還將在比賽大廳設立飲水處，為運動員和觀眾提供飲用水。為避免飲水的二次污染，避免浪費，“水立方”的飲用水將采用末端直飲水處理設備。