水立方建筑结构

建筑特色及材料应用二工程概况一结构选型和受力体系分析三对“水立方”工程结构体系选型的分析对工程设计优缺点的评价四一，工程概况：国家游泳中心又被称为“水立方”，2008年北京奥运会标志性建筑物之一，位于北京奥林匹克公园内。“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。水立方建筑造价约10.2亿，自101个国家和地区的35万多港澳台同胞及海外侨胞共捐献了9.4亿人民币。其中郑裕彤、郑家纯父子及属下企业曾捐赠五千万元人民币。二，建筑特色及材料应用：1)建筑风格：这个看似简单的“方盒子”是中国传统文化和现代科技共同“搭建”而成的。中国人认为，没有规矩不成方圆。在中国传统文化中，“天圆地方”的设计思想催生了“水立方”，它与圆形的“鸟巢”——国家体育场相互呼应。在中国文化里，水是一种重要的自然元素，设计者将水的概念深化，还利用其独特的微观结构。基于“泡沫”理论的设计灵感，他们为“方盒子”包裹上了一层建筑外皮，上面布满了酷似水分子结构的几何形状，表面覆盖的ETFE膜又赋予了建筑冰晶状的外貌，使其具有独特的视觉效果和感受，轮廓和外观变得柔和，水的神韵在建筑中得到了完美的体现。2)设计特色：“水立方”是世界上最大的膜结构工程，建筑外围采用世界上最先进的环保节能ETFE(四氟乙烯)膜材料。“水立方”整体建筑由3000多个气枕组成，气枕大小不一、形状各异，覆盖面积达到10万平方米，堪称世界之最。除了地面之外，外表都采用了膜结构。ETFE薄膜的使用在国内尚属首次,但过去20年内,由于这种材料耐腐蚀性、保温性俱佳、自清洁能力强,欧洲有600至800个建筑都用了这种材料，同时由于自身的绝水性，它可以利用自然雨水完成自身清洁，是一种新兴的环保材料。ETFE膜具有较好抗压性，甚至可以承受一辆汽车的重量。气枕根据摆放位置的不同，外层膜上分布着密度不均的镀点，这镀点将有效的屏蔽直射入馆内的日光，起到遮光、降温的作用。水立方”占地7.8公顷，却没有使用一根钢筋，一块混凝土。其墙身和顶棚都是用细钢管连接而成的，有1.2万个节点。只有2.4毫米厚的膜结构气枕像皮肤一样包住了整个建筑，气枕最大的一个约9平方米，最小的一个不足1平方米。跟玻璃相比，它可以透进更多的阳光和空气，从而让泳池保持恒温，能节电30%。膜结构自身就具有排水和排污的功能以及去湿和防雾功能，尤其是防结露功能,对游泳运动尤其重要。3)建筑节能：在设计中还充分考虑了环保的需要。为了减少二氧化碳的产生，在设计中减少了电的使用。利用太阳能电池提供电力。大幅地使用了新型材料，使空调和照明负荷降低了20%-30%。另外，游泳中心消耗掉的水分将有80%从屋顶收集并循环使用，这样可以减弱对于供水的依赖和减少排放到下水道中的污水。系统对废热进行回收，热回收冷冻机的应用一年将节省60万度电。还有现代化消防装置为建筑量身定做，比常规设施节约74%。4)声学效果:“水立方”的声学专家采用了：“膜”加“板”提高隔声性能、“声学大厅”控制混响时间、增大吸声面积，安装吸声性能高的材料等方法解决“水立方”的膜结构在建筑声学方面带来的难题。“水立方”投入使用后，多次举办了各类音乐会、交响乐、演唱会、大型文艺活动等，受到了经营者和观众极高的评价，是水立方赛后多元经营成为可能。三，结构选型和受力体系分析：1)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。如图所示：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“水立方”结构几何体的基本模型是基于优化改（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。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。水立方”占地7.8公顷，却没有使用一根钢筋，一块混凝土。其墙身和顶棚都是用细钢管连接而成的，有1.2万个节点。只有2.4毫米厚的膜结构气枕像皮肤一样包住了整个建筑，气枕最大的一个约9平方米，最小的一个不足1平方米。跟玻璃相比，它可以透进更多的阳光和空气，从而让泳池保持恒温，能节电30%。膜结构自身就具有排水和排污的功能以及去湿和防雾功能，尤其是防结露功能,对游泳运动尤其重要。3)建筑节能：在设计中还充分考虑了环保的需要。为了减少二氧化碳的产生，在设计中减少了电的使用。利用太阳能电池提供电力。大幅地使用了新型材料，使空调和照明负荷降低了20%-30%。另外，游泳中心消耗掉的水分将有80%从屋顶收集并循环使用，这样可以减弱对于供水的依赖和减少排放到下水道中的污水。系统对废热进行回收，热回收冷冻机的应用一年将节省60万度电。还有现代化消防装置为建筑量身定做，比常规设施节约74%。4)声学效果:“水立方”的声学专家采用了：“膜”加“板”提高隔声性能、“声学大厅”控制混响时间、增大吸声面积，安装吸声性能高的材料等方法解决“水立方”的膜结构在建筑声学方面带来的难题。“水立方”投入使用后，多次举办了各类音乐会、交响乐、演唱会、大型文艺活动等，受到了经营者和观众极高的评价，是水立方赛后多元经营成为可能。2)防雷防震:“水立方”与“鸟巢”相似，也是采用了传统的防雷技术。“水立方”的地下及基础部分是钢筋混凝土结构，地上部分是钢网架，钢结构与钢筋混凝土结构中的钢筋通过焊接连接，共同形成了一个立方体的笼子。“水立方”是典型的外柔内刚。外部只看到充气薄膜，好像弱不禁风，而支撑这些薄膜的是坚实的钢结构，里面观众看台和室内建筑物为钢筋混凝土结构。“水立方”的墙壁和天花板由1.2万个承重节点连接起来的网状钢管组成，这些节点均匀地分担着建筑物的重量，使其坚固得足以经受住北京最强的地震。地上部分的钢结构与地下部分的钢筋混凝土结构形成一个牢固的整体。正是靠着优越的结构形式和良好的整体性，“水立方”才拥有了“过硬的身体”，达到了抗震8级烈度的标准。3）ETFE充气膜分析：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。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。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。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。在水立方外层气枕底部周边设置了一系列百叶，内部设有电动开启装置，可根据情况开启或关闭，从而实现为空腔送风。此外，在屋内一部分凸起的气枕周边设有铝合金百叶，一部分链接内不通风管道，另一部分设有点的开关，开启时作为自然通风的出风口。四，对工程设计优缺点的评价：优点：在今天，绿色、健康、和谐、可持续发展，是最重要的建筑设计思想，在“水立方”的设计过程中，时时处处贯穿着这些理念。“水立方”从建筑到结构完全是一个创新的建筑，蕴涵着极高的科技含量。它的建筑外围护采用新型的环保节能ETFE膜材料，覆盖面积达到10万平方米，是目前世界上最大的ETFE应用工程。缺点：采用全新材料技术，使得建筑造价高达十多个亿。虽然维修方便，但是表皮材料使用寿命毕竟有限，而定时的更新材料费用十分高昂。而在尺度的处理方面，观众席与游泳池周边路径的水平距离偏短，这就使得观众在观赏运动员胜出游行时有很大的阻碍。