水立方”膜结构汽车压不坏 “水立方”的建筑外围护为内外两层ＥＴＦＥ（四氟乙烯）膜结构，由三千多个气枕组成，覆盖面积达到１０万平方米。这些气枕大小不一，形状各异，最大的一个约９平方米，最小一个不足１平方米。 国家游泳中心总经理康伟介绍说，这种材料质地轻巧，但强度却超乎想像，“我们做过实验，气枕充好气之后，汽车压过去都没有问题”。
为防止顶层膜结构被划破，施工方还在膜结构表面铺设了很细的钢丝网，这样小鸟也无法啄伤气枕。 此外，这种材料的延展性、耐火耐热性也都非常突出。康伟说：“比如延展性，拉到它本身的三到四倍那么长都不会断裂。而达到７１５度以上它才能被烧成一个窟窿，但是不扩散，也没有烟，也没有燃烧物掉下去。
” 为了呈现出三维设计动画中“水立方”的那种效果，气枕安装完毕后还需要充气。据施工方现场负责人于程松介绍，这个过程完全由“水立方”的电脑自动充气系统监控，该系统可以根据当时的气压、光照等条件控制每个气枕的充气状态。 于程松说，虽然“水立方”的膜结构在外观上是一个统一的整体，但每个气枕都相对独立。
因此，即使其中一块损坏，也不会造成“水立方”的整体“泄气”。而且，更换损坏的气枕也非常方便。 “水立方”具有自洁功能 这种材料不仅环保节能，还具有自洁功能。据国家游泳中心总监代表、公司执行总经理助理韩涛介绍，“水立方”今后不仅能利用雨水自洁，每年还能回收雨水约１万吨。
韩涛介绍雨水从膜上面滑过不会留下水痕，而气枕上面的杂物、浮尘等则会被雨水冲洗掉。另外，“水立方”还专门设计了雨水回收系统，一年回收的雨水量１万吨左右，相当于１００户居民一年的用水量。 此外，ＥＴＦＥ膜透光性好，可保证９０％的自然光进入场馆。
据介绍，“水立方”建成后平均每天有近１０个小时采用自然光照明，这大大节省了能源。 “水立方”人性化 “水立方”工程项目经理孙洪庄说，“水立方”的多处设计体现了人性化的理念，既有助于运动员创造佳绩，同时也充分考虑了观众的观看比赛需求。 “水立方”的泳池深度达到了１３米。
孙洪庄介绍说，这样的深度可充分减少水温对运动员的干扰，在不久的将来，“水立方”内层膜结构安装完成后，泳池的水温将被控制在２８摄氏度，这样的水温最适宜运动员的发挥。 此外，“水立方”在室内环境的设计上也充分考虑了运动员和观众的需要。例如，在屋顶安装照明设备时，施工方对其角度进行了优化，不仅消除了灯光对运动员比赛的影响，同时为观众提供一个理想的观看比赛环境。
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“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。 它是一个双层ETFE系统，外面一层里面一层，从这个角度来讲，它是第一个，是世界独一无二的。
这种ETFE膜材料的质量只有同等大小玻璃的1%，韧性好，又能吸收更多的阳光，并且不会自燃，另外，它们还有奇妙的自洁功能。它们不沾附尘土，风一吹，土就走了。 “智能泡泡”反光遮阳 对一个游泳池来说，它的热需求大于它的冷需求，所以工程设计之初，就要考虑它的整体热负荷问题。
“水立方”晶莹通透的结构特征不仅可以给人带来美丽的视觉感受，而且具有极高的实用性，外面的阳光可以直接进入室内，给游泳池和室内空气加热。 而在夏天，“水立方”的“智能泡泡”系统可以通过不同朝向、不同密度的反光斑点，以及在内外两层泡泡之间实现互相通风的技术手段，来改变遮阳系数，降低它的冷负荷，达到低温的目的。
同时，“水立方”内部的空调系统也充分考虑到了节能和环保的问题，工程设计者实现了分层空调、分区空调这样一个概念，通过技术手段来降低了“水立方”里的空调能耗。 就是上面这些因素,使水立方的高科技成份让世人瞩目!。
“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/NZS ISO 9000 质量管理, AS/NZSISO 9001 质量体系, AS/NZS ISO 9002 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Ethylene Tetra Fluoro Ethylene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。
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