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国家游泳中心：梦幻视觉“水立方”

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-23 10:00:11 [收藏]

    工程档案

    案名：国家游泳中心

    位置：北京奥林匹克公园内，与国家体育场分列于北京城市中轴线北端的两侧，水立方位于西侧。

    规模：国家游泳中心规划建设用地62950平方米，总建筑面积65000-80000平方米，其中地下部分的建筑面积不少于15000平方米。

    建筑设计：中国建筑工程总公司、澳大利亚PTW建筑师事务所、ARUP澳大利亚有限公司联合设计。

    业主单位：北京国资公司

    建筑安装工程总承包：中建一局建设发展公司

    工程进展：2003年12月24日开工建设，目前主体结构已顺利实现封顶，膜结构、机电、装修等工程正在积极进行，全部工程将于2007年10月完工。


    专家点评

    “水立方”创造了两个“世界第一”： 一个是ETFE立面装配系统在国家游泳中心的运用，这是该系统迄今为止在世界上规模最大、构造最复杂、技术综合最全面的一次尝试；另一个是“水立方”建成后，将成为当今最大规模的游泳馆。


    引子

    每一个城市都有它的标志，有着世界第八景之称的悉尼歌剧院是悉尼典型的标志之一, 它白色的外表，建在海港上的贝壳般的雕塑体，象飘浮在空中散开的花瓣，多年来一直令世人叹为观止。悉尼歌剧院被视为世界的经典建筑载入史册。

    由悉尼设计师设计，作为北京奥运三大标志建筑之一的水立方，是世界上唯一一个完全由膜结构来进行全封闭的公共建筑，其高科技应用营造出的梦幻般的奇妙效果，充满东方韵味的“方型合院”的外型设计，让世人对它充满了一个期待―它将会成为未来北京的悉尼歌剧院吗？


    设计：“绿色、科技、人文”的完美体现。

    设计特色

    在外型设计方面，“水立方”，只闻其名，就有清凉、通透、柔美的感觉。其墙面上镶嵌了上百个大大小小的水分子贴膜，这种贴膜共有3000多个，吹起来后都变成“泡泡”。远远望去就像一个蓝色充满气泡的立方体。

    在科研创新方面，它所采用的特殊膜材料、钢结构，以及室内环境设计，在奥运场馆建筑历史当中填补了很多空白，因此，科技创新成为 “水立方”建设工作中的重头戏，经过参建各方共同努力，“水立方”项目中经国家有关部门批准立项的科研项目达到10多项，此外，“水立方”的建设还产生了类似项目的施工验收标准。

    在环保与节能方面，其设计也有独到之处。在“水立方”总共8万平方米的建筑面积中，3万平方米的屋顶将使雨水的收集率达到100%；在光的利用上，由于“水立方”采用了特殊的膜材料和相应的技术，使得该场馆每天能够利用自然光的时间达到了9.9小时，一年下来，8万平方米的“水立方”将节约大量的电力资源。

    在地面设计方面，设计师们花费了不少心思，由于比赛池和热身池中间有一定距离，运动员在这两池之间往往是赤脚往返，“水立方”对这段路程的地面做了特殊、细致的处理，届时，运动员走过去都很舒适，不会觉得脚凉。

    设计理念

    国家游泳中心设计成方形的三大理念：

    1，中国传统建筑格局的理念

    国家游泳中心中方建筑师胡小明说：“方形在建筑文化中尤其是在中国传统中具有很主要的地位，北京就是方形网格的城市格局，所有的民宅、故宫、四合院都是方形。所以“水立方”被设计成方形也反映了中国的传统建筑格局。” 方形的“水立方”与圆形的国家体育场“鸟巢”，这两个标志性建筑在外形上相互呼应，一起体现了“天圆地方”的理念。

    2，城市规划角度理念

    北京是个从方形演化成的城市，在这个格局里，方形代表着人类的智慧。从工程上来讲，方形和长方形能为赛后利用留下足够的空间。

    3，观众视觉感受理念

    我们对水的理解，是外表上很宁静，但又蕴藏着很多可变的可能性，这是水的特点。再加上膜材料的使用，让观众在不同的时期通过不同的光线，得到不同的感受。

    背后故事

    “水立方”的方案由中澳双方联合设计。中建国际（深圳）设计公司董事赵小钧带领王敏、商宏作为中国建筑师参加了“水立方”的设计，是方案的主创人员。方案设计从2003年4月2日起在悉尼的PTW（澳方一家设计公司）总部进行。设计师都在努力试图讲水的故事，但“叙事”的方式更多地停留在描述水的表象上。

    澳大利亚PTW最年轻的董事、负责此次方案的主要建筑师安德鲁一直主张采用“水波浪”的方案。方案组从5月2日开始把游泳馆的功能放进“水波浪”，让人意外的是许多游泳馆的功能在“水波浪”中难以实现。

    对“波浪”造型一直心存不甘的三位中国建筑师对此颇有些善意的窃喜，“或许我们的机会来了。”赵小钧说，他和王敏、商宏三个人就开始悄悄地尝试自己的方案。他们开始把游泳馆的各个功能往最初设计的一个长方体的方案中摆放，等这些功能都装进去后，三个人惊异地发现：一个四四方方的正方体豁然出现在眼前。“方盒子”与赵小钧对中国哲学的理解不谋而合，“方形是中国古代城市建筑最基本的形态，它体现的是中国文化中以纲常伦理为代表的社会生活规则，但规则并不限制智慧的光芒。”他坚信，一个尊重现实规则而又灵光四射的事物，必然容易被人接受。

    赵小钧、王敏、商宏立刻开始了精心的策划，“我们希望澳方的建筑师能够接受我们的建议。”已经意识到中国的建筑师们正在有所动作的安德鲁，也在深夜就赶到了中国设计师的工作室。看到“方盒子”后他眼睛里放出异样的光彩，他沉默了半分钟，也正是在这半分钟内，他做出了决定。

    在离开办公室之前，安德鲁给设计组的其他每位成员发了一封短信，他告诉大家，从第二天开始，大家将要共同来做这个“盒子”了。在所剩时间无多的情况下，做出这样重大的改变，并不惜修改自己最初的决定，安德鲁不计较个人得失的品质得到了中方设计师发自内心的尊重。

    设计师语

    “水立方”的设计方PTW建筑事务所的主设计师约翰•保林 (John Pauline)对于这项工程有如下看法：

    “作为来自悉尼的设计师，我们在设计国家游泳中心的方案时考虑最多的问题是如何体现中国运动场馆的东方特点和中国文化血脉，特别是游泳馆这种形式感和功能性都很强的建筑。”

    “在设计过程中，我们印象最深刻的是中方合作伙伴向我们阐释‘方形合院’在中国文化中的重要性，所以我们对方形建筑作了特别的探索。最后的效果很好，与椭圆形的鸟巢形成了鲜明对比。”


    规划: 未雨绸缪、放眼规划赛后运营

    目前，奥运场馆的赛后运营和可持续发展问题是世界范围内的一个难点，在国际上，大型场馆在赛事结束后得不到合理利用、甚至连年亏损的问题比较严重，而水立方就是要做世界场馆运营良性循环的“带头人”。

    前期规划实现可持续发展

    为保证国家游泳中心在奥运赛后继续以科学、优质、高效的场馆运营，实现可持续发展，为广大人民群众的文化体育生活服务，北京国资公司未雨绸缪，提早着手“水立方”运营，积极推进赛后运营功能研究。

    北京市国资公司副总经理、国家游泳中心公司总经理康伟表示，对“水立方”的综合

    开发，已经有了比较全面的前期规划。据他介绍，2008年奥运会比赛任务完成后，“水立方”

    将被改造成一个面向全体市民开放的综合水上娱乐中心。赛时的17000个坐席经过改造后，

    将只剩6000个永久性坐席。79%的场馆将通过改造成为市民休闲、娱乐、健身、戏水的综

    合水上娱乐中心。

    7个主要功能区解决赛后运营

    北京市发改委聘请的奥运经济高参、比利时专家范克高夫说，奥运会场馆的赛后运营，

    单靠收门票是不可能确保场馆运行费用持平的，需要吸引更多的游客、商人、运动员、观众，

    拉动就业和周边的商业发展。

    他举例说，目前中国有专业的训练场馆275处，其中北京就有45处。这些场馆真的很好，设备齐全且现代化程度很高。但是这些都跟百姓体育无关，也不可能成为百姓体育运动的场馆。事实是，随着经济的发展，中国人民对健康和运动的需求越来越大。在北京，我们随处可见那些拿着中国传统扇子翩翩起舞的人。为他们提供的运动场馆是非常有限的。

    为此，“水立方”改造后，将被划分为7个主要功能区，包括奥林匹克比赛大厅、热身厅、南商业小楼、北商业小楼、网球场、戏水乐园和商业街。国家游泳中心将对其进行综合的价值发掘，使之成为一个极具价值的品牌。


    建筑品质：膜结构挑战建筑技术

    国家游泳中心作为2008年北京奥运会的主要比赛场馆和唯一一座由港澳台侨同胞捐资建设的奥运场馆，从方案设计到开工建设到赛后运营都受到了广泛的社会关注。在政府相关部门的指导、支持和协调下，业主单位北京国资公司协调国家游泳中心总承包建设单位――中建一局建设发展公司和参建各方，贯彻落实“安全、质量、工期、功能、成本”五统一的原则，经过不懈努力，确保了“水立方”建设的顺利进展。

    亮点解析

    亮点1：全球最大的膜结构工程

    “水立方”是世界上最大的膜结构工程，除了地面之外，外表都采用了膜结构―――ETFE材料，蓝色的表面出乎意料的柔软但又很充实。

    据了解，膜结构建筑是21世纪最具代表性的一种全新的建筑形式，它集建筑学、结构力学、精细化工、材料科学与计算机技术等为一体，建造出具有标志性的空间结构形式，它不仅体现出结构的力量美，还充分表现出建筑师的设想，享受大自然浪漫空间。由于技术难度较大，目前世界上只有三家企业能够完成这种膜结构工程。

    亮点2：全球最复杂的膜外套

    水蓝色的“水立方”像一个透明“冰块”，游泳中心内部设施尽收眼底。水立方”设计采用了泡沫理论，建筑外墙分布着3000个不规则的气枕，犹如一个个”水泡泡”的ETFE膜具有较好抗压性。ETFE膜里面装配系统在国家游泳中心的运用、尝试是迄今世界上规模最大、构造最复杂、技术综合最全面的一次。

    亮点3：开尔文定律解决设计难题

    “水立方”的设计师在设计之初就将目光锁定在“水泡”上。如果将“水立方”视为一个可以细分为若干均等部分的三维空间，何种形状能够保证界面接触面积最小？

    经过潜心研究，最终设计人员发现，19世纪末英国物理学家开尔文发现的开尔文定律能够解决这个问题：14边形的三维结构球体组成的结构接触界面最小，后在经过1993年英国的两位科学家对其进行研究和改进后，使得界面接触面积又缩小了3%。“泡沫理论”最终帮助“水立方”形成了复杂的节点，成为其庞大的钢结构体系的依托。

    亮点4：全封闭场馆实现自然通风

    “水立方”的设计充分考虑透气问题和声学问题，通过技术实现自然通风，并保证了馆内人们之间交流时的语言清晰度。

    “水立方”是一个膜结构的全封闭室内场馆，必须要解决透气问题和声学问题。在解决透气问题时，“水立方”在设计时便在屋顶设置了自然排风机，八个自然通风口可实现馆内外空气流通，这样就能将建筑空间中的热量散发出去，实现自然通风，保证17000人观赛时的透气问题。

    据了解，在遵循了大型体育场馆的有关规范要求外，“水立方”同时还考虑到了这个项目的特殊性，在场馆中使用了一系列特殊的材料达到语言清晰度的标准。届时，在这个封闭的建筑内不会出现声音模糊的情况。

    亮点5：雨水回收实现自我清洁

    “水立方”的膜材料ETFE本身具有不侵水性，就是水从上面走，滑过却不留水痕，而气枕上面的杂物、尘埃、尘土等，则会通过雨水的自然降落而被清洗掉。另外，国家游泳中心也已经制定了一套完整的清洁方案，用以对整个屋面或墙面进行整体清洁。

    “水立方”不仅利用雨水自洁，还专门设计了雨水回收系统，一年回收的雨水量一万吨左右，相当于一百户居民一年的用水量。

    专家解难

    技术难点1，材料发霉

    质疑： “水立方”所用的ETFE(四氟乙烯聚合物)薄膜是一种有机化合物，在一定条件下会受到霉菌侵蚀，英国伦敦“伊甸园”植物园同种材料建筑就已长霉，而且清洗起来非常困难。

    对策：“我曾访问‘伊甸园’，并没有发现这种现象大量存在，但不否认，可能在局部很小的地方会出现一些斑点。”中建国际(深圳)设计公司设计董事郑方认为，这种斑点是不是材料发霉导致，需要经过进一步精细分析才能确定。据郑方介绍，设计方曾专门咨询了北京市塑料研究所所长和其他国内专家，他们均指出，这种膜材料的化学性质非常稳定，一般不会出现发霉现象。

    技术难点2，薄膜起皱

    质疑：由于薄膜的面积较大，从建筑实践上来说，两个方向不可能绷得一样紧，受力不均必然会产生皱纹。

    对策：郑方说，由于使用的膜材料富有弹性，因此如果张力失控肯定会产生变形。据介绍，这种材料的起皱可能出于三个原因：一是膜本身的结构计算不准；二是剪裁加工工艺不精；三是安装过程中工艺不当。郑方说，在“水立方”工程中，这三个方面都必须精益求精，否则任何瑕疵都有可能使“水立方”在今后的使用中出现表面起皱问题。

    技术难点3，松弛变形

    质疑：由于ETFE薄膜的边缘在钢材料构件上，时间一长，薄膜就会松弛变形。“水立方”可能需局部加固。

    对策：用钢丝支撑的专业术语叫“锁支撑”，郑方介绍，下雪后，雪堆积在屋面，会让屋顶结构受到很大的压力，有的地方膜材料的面积比较大，积雪压力也相应较大，所以局部用这种锁在下部支撑，来抵抗雪的压力，而并不是为了其他原因。据介绍，针对北京地区风大雪多的气候特点，设计方专门请了加拿大的专业机构，对“水立方”进行了风洞和雪洞实验，在目前的方案深化设计中，设计方将根据测算结果，针对每一个细节进行分析，以确保场馆的安全性毫无问题。

    技术难点4，拼缝明显

    质疑：由于ETFE材料生产出来时是条状的，要把它连接起来就会有比较显眼的拼缝，也难以消除。

    对策：膜生产时为带状，需要通过焊接连接在一起，而这种焊接的工艺已经比较成熟，因此接缝本身在外墙上并非清晰可见。虽然“水立方”表面免不了会出现拼缝，但郑方说，从建筑师的观点看，在巨大表面上出现因工艺产生的连接缝，反而有利于创造出建筑的特色感觉。


    后记：社会反响

    “水立方” 一经推出，就立即在多年来被传统与现代、民族与世界这些问题困扰着的建筑界引起巨大反响。“水立方”的设计得到了专家和广大市民的认可和喜爱，这个湛蓝色的水分子建筑充分体现了中国建筑的理念。“水立方”将现代与传统演绎得如此完美，其魔幻、柔美的形象带给人们的不仅仅是视觉上的享受，更重要的是让我们从更为广阔的视野来看待传统文化及其创新，让我们了解到文化不再是一个束缚，文化可以变成一种原动力，是我们创新的一个良好基础。

    我们有理由相信，一个更加开放的北京正在逐步接纳新一代原创的建筑，一系列标新立异的建筑正带给北京乃至整个中国一个越来越新的形象！

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