关于水立方和鸟巢的物理知识

【专家解说】：国家体育场建筑顶面呈鞍形，长轴为332.3米，短轴为296.4米，最高点高度为68.5米，最低点高度为42.8米。在保持“鸟巢”建筑风格不变的前提下，新设计方案对结构布局、构建截面形式、材料利用率等问题进行了较大幅度的调整与优化。原设计方案中的可开启屋顶被取消，屋顶开口扩大，并通过钢结构的优化大大减少了用钢量。大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上，柱距为37.96米。主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置，有22榀主桁架直通或接近直通。为了避免出现过于复杂的节点，少量主桁架在内环附近截断。钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件，交叉布置的主桁架与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。主看台部分采用钢筋混凝土框架一剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。 “鸟巢”是2008年北京奥运会主体育场。由2001年普利茨克奖获得者赫尔佐格、德梅隆与中国建筑师合作完成的巨型体育场设计，形态如同孕育生命的“巢”，它更像一个摇篮， 寄托着人类对未来的希望。设计者们对这个国家体育场没有做任何多余的处理，只是坦率地把结构暴露在外，因而自然形成了建筑的外观。 “鸟巢”以巨大的钢网围合、覆盖着9.1万人的体育场；观光楼梯自然地成为结构的延伸；立柱消失了，均匀受力的网如树枝般没有明确的指向，让人感到每一个座位都是平等的，置身其中如同回到森林；把阳光滤成漫射状的充气膜，使体育场告别了日照阴影；整个地形隆起4米，内部作附属设施，避免了下挖土方所耗的巨大投资。 鸟巢是一个大跨度的曲线结构，有大量的曲线箱形结构，设计和安装均有很大挑战性，在施工过程中处处离不开科技支持。“鸟巢”采用了当今先进的建筑科技，全部工程共有二三十项技术难题，其中，钢结构是世界上独一无二的。“鸟巢”钢结构总重4.2万吨，最大跨度343米，而且结构相当复杂，其三维扭曲像麻花一样的加工，在建造后的沉降、变形、吊装等问题正在逐步解决，相关施工技术难题还被列为科技部重点攻关项目。 现在，“鸟巢”已经完成混凝土施工，开始进行钢结构施工。在桁架柱内柱受力最大的部位，为了有效控制构件的最大壁厚，减小焊接工作量，使连接构造比较合理，在设计中采用了高强度的Q460钢材。 说起Q460钢材，大多数人可能都不了解。“鸟巢”结构设计奇特新颖，而这次搭建它的钢结构的Q460也有很多独到之处：Q460是一种低合金高强度钢，它在受力强度达到460兆帕时才会发生塑性变形，这个强度要比一般钢材大，因此生产难度很大。这是国内在建筑结构上首次使用Q460规格的钢材；而这次使用的钢板厚度达到110毫米，是以前绝无仅有的，在国家标准中，Q460的最大厚度也只是100毫米。以前这种钢一般从卢森堡、韩国、日本进口。为了给“鸟巢”提供“合身”的Q460，从2004年9月开始，河南舞阳特种钢厂的科研人员开始了长达半年多的科技攻关，前后3次试制终于获得成功。如今，为“鸟巢”准备的Q460钢材已经开始批量生产。2008年，400吨自主创新、具有知识产权的国产Q460钢材，将撑起“鸟巢”的铁骨钢筋。 ——小鸟筑巢 从东刚果至南非州热带稀树干草原，常常可以见到有一种叫苍头燕雀的织布鸟。它们用草和许多不同柔韧度的纤维织成的巢，象一粒粒奇异的果实一样悬挂在树枝上。织布鸟选择结实的动物毛发——最常见的是斑马或羚羊身上的毛，将巢牢牢地系在树枝上，还用嘴将毛发缠成总是一个式样的结子作为记号。这样的鸟巢能承受在里面栖身的一对成年雀鸟和几只幼鸟的全部重量，任凭风吹雨打也不会脱落下来。 本世纪初，自然科学爱好者矣热恩·玛雷发现年轻的雀鸟在筑巢时并未仿效它们的年长伙伴。为了排除年轻雀鸟受训的可能，矣热恩从织布鸟巢取走几粒卵，把它们偷偷地放到他家哺养的金丝雀的巢里去孵化。当雏鸟破壳而出逐渐长大后，又把它们转移到另一个特定的地方， 让它们在那里结成“伴侣”，生儿育女，同时不让它们获得可供筑巢的任何合适材料，而是让它们直接把卵产在笼底。产下的卵又取走，再让金丝雀孵化……就这样反复试验，使得第四代的织布鸟不仅断绝了与前辈和自然界的联系，而且完全被人工所驯化。 现在，他在鸟笼里放进一小撮草，一些纤细树枝和纤维物。织布鸟就在笼里利用这些材料开始工作。很快，鸟儿就编好了悬挂在笼子里的巢，而且其式样与它们自由自在的上几代所营造的巢毫无二致。它们熟谙营造技术，这方面的知识绝不比它们的曾祖、高祖逊色。它们也懂得用松软但不够结实的马的毛垫在笼子底部，而决不会将它错织到巢壁上。如材料有剩，它们就会用剩料来加固巢与笼上树条的联接，用它扎成带“商标”的特别的结子。 “鸟巢” 的含义：它是一个用树枝般的钢网把一个可容10万人的体育场编织成的一个温馨鸟巢！用来孕育与呵护生命的“巢”，寄托着人类对未来的希望。鸟巢”三大工程——钢筋混凝土结构、钢结构、膜结构。在“鸟巢”里一共用了4.2万吨钢材。全钢结构，热胀冷缩系数较大，“鸟巢”就像个向日葵，总是随着太阳转，这就要求膜的张力一定要够强。鸟巢”的整个钢筋铁骨焊接在一起，自身形成了一个巨大的避雷网，能把雷电迅速导入地下，而且做了特殊处理，雷电决不会伤害到人。“鸟巢”外形结构主要由巨大的门式钢架组成，共有24根桁架柱。 “鸟巢”顶部的网架结构外表面还贴上一层半透明的膜。使用这种膜后，体育场内的光线不是直射进来的，而是通过漫反射，使光线更柔和，由此形成的漫射光还可解决场内草坪的维护问题，同时也有为座席遮风挡雨的功能。滑动式的可开启屋顶，当它合上时，体育场将成为一个室内的赛场。开启屋顶，它又成为一个防水的壳体。“鸟巢”之所以是一个不完全封闭的“鸟巢”，是因为这样的设计既能使自然空气流通，又能为观众和运动员遮风挡雨。采用太阳能光伏发电系统。无锡尚德太阳能电力有限公司研发的尚德太阳能光伏发电系统落户“鸟巢”，将清洁、环保的太阳能发电与国家体育场容为一体，不仅是对北京奥运会三大主题的极好体现，同时对于提倡使用绿色能源、有效控制和减轻北京及周边地区大气污染，对国家体育场电力供应将起到良好的补充。鸟巢”的下层膜采用的吸声膜材料、钢结构构件上设置的吸声材料，以及场内使用的电声扩音系统，这三层“特殊装置”使“巢”内的语音清晰度指标指数达到0.6——这个数字保证了坐在任何位置的观众都能清晰地收听到广播。鸟巢”的相关设计师们还运用流体力学设计，模拟出91000个人同时观赛的自然通风状况，让所有观众都能享有同样的自然光和自然通风。“鸟巢”的观众席里，还为残障人士设置了200多个轮椅座席。这些轮椅座席比普通座席稍高，保证残障人士和普通观众有一样的视野。赛时，场内还将提供供助听器并设置无线广播系统，为有听力和视力障碍的人提供个性化的服务。和“水立方”不同的是，“鸟巢”所采用的是单层膜。“鸟巢”顶棚的外层膜结构虽然和“水立方”一样，能常保清洁、抵抗低温烟火的侵蚀，但仅有0.25毫米厚度的膜却也有个很大的弱点：怕鸟雀的利爪。此外，群鸟在“鸟巢”停留，粪便也是个大问题。为了拒鸟于“鸟巢”之外，在其顶部四周，安上了类似于机场用的驱鸟装置。考虑到此法拦不住一些“漏网之鸟”，在“鸟巢”外层膜上，还铺设了停鸟线，既能让鸟雀有地方落，不致伤膜，也不影响外观 ★水立方”是北京奥运会国家游泳中心，它的膜结构已成为世界之最。它是根据细胞排列形式和肥皂泡天然结构设计而成的，这种形态在建筑结构中从来没有出现过，创意真是奇特。 ★“水立方”的墙面和屋顶都分内外三层，设计人员利用三维坐标设计了3万多个钢质构件，这三万多个钢质构件在位置上没有一个是相同的。这些技术都是我国自主创新的科技成果，他们填补了世界建筑史的空白。 “水立方”位于奥林匹克公园B区西侧，和国家体育场‘鸟巢’隔马路遥相呼应，建设规模约8万平方米，最引人注意的就是外围形似水泡的ETFE膜（乙烯-四氟乙烯共聚物）。ETFE膜是一种透明膜，能为场馆内带来更多的自然光，他的内部是一个多层楼建筑，对称排列的大看台视野开阔，馆内乳白色的建筑与碧蓝的水池相映成趣。 国家游泳中心的设计方案，是经全球设计竞赛产生的“水的立方”（[H2O]3）方案。该方案由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。其中中方设计者：中建国际(深圳)设计顾问有限公司总裁、总建筑师赵小钧、总工程师毛红卫，PTW建筑事务所的两名主设计师为约翰·保林 (John Pauline)与托比·王(Toby Wong)。 设计体现出 [H2O]3(“水立方”)的设计理念，融建筑设计与结构设计于一体，设计新颖，结构独特，与国家体育场比较协调，功能上完全满足2008年奥运会赛事要求，而且易于赛后运营。 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，按照制定出来的规矩做事，就可以获得整体的和谐统一。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，相得益彰。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。而这个“方盒子”又能够最佳体现国家游泳中心的多功能要求，从而实现了传统文化与建筑功能的完善结合。 在中国文化里，水是一种重要的自然元素，并激发起人们欢乐的情绪。国家游泳中心赛后将成为北京最大的水上乐园，所以设计者针对各个年龄层次的人，探寻水可以提供的各种娱乐方式，开发出水的各种不同的用途，他们将这种设计理念称作“水立方”。希望它能激发人们的灵感和热情，丰富人们的生活，并为人们提供一个记忆的载体。 为达此目的，设计者将水的概念深化，不仅利用水的装饰作用，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。轻灵的“水立方”能够夺魁，还在于它体现了诸多科技和环保特点。合理组织自然通风、循环水系统的合理开发，高科技建筑材料的广泛应用，都共同为国家游泳中心增添了更多的时代气息。泳池也应用了许多创新设计，如把室外空气引入池水表面，带孔的终点池岸，视觉和声音出发信号等，这将使比赛池成为世界上最快的泳池。★“水立方”不仅是一幢优美和复杂的建筑，她还能激发人们的灵感和热情，丰富人们的生活，为人们提供记忆的载体。因此设计中不仅利用水的装饰作用，同时还利用其独特的微观结构。采用在整个建筑内外层包裹的ETFE膜（乙烯-四氟乙烯共聚物）是一种轻质新型材料，具有有效的热学性能和透光性，可以调节室内环境，冬季保温、夏季散热，而且还会避免建筑结构受到游泳中心内部环境的侵蚀。更神奇的是，如果ETFE膜有一个破洞，不必更换，只需打上一块补丁，它便会自行愈合，过一段时间就会恢复原貌！ ★国际上在建筑使用膜结构时，多用的是PTFE膜，这是一种纤维材料，特点是不透明，但是，使用技术比较成熟。而“水立方”使用的是ETFE膜，这是一种透明膜，能为场馆内带来更多的自然光。在国内对这种薄膜结构的理论研究几乎就是空白。 2006年德国世界杯主要赛场之一的慕尼黑安联体育场也使用了ETFE气枕式外墙，但与水立方相比，两者的区别在于，德国安联体育场的气枕覆盖面积为6万平方米，而水立方则达到为10万平方米；安联运动场是单层气枕并且是规则排列的，水立方则是双层气枕，并且几乎没有形状相同的两个气枕。 按照设计方案，水立方的内外立面膜结构共由3065个气枕组成（其中最小的1－2平方米，最大的达到70平方米），覆盖面积达到10万平方米，展开面积达到26万平方米，是世界上规模最大的膜结构工程，也是惟一一个完全由膜结构来进行全封闭的大型公共建筑。无论对设计还是施工、使用都是一个极大的挑战，对ETFE膜的材料、通风空调、防火、声、光、电的控制等技术提出了一个难度很大的课题。 ★防雷设计： “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。屋面上，镶嵌、固定一块块充气枕的是槽形的钢构件，钢构件又宽又厚，与“水立方”四壁的钢网架焊接为一体，支撑着整个屋顶。雷雨天气里，这些钢构件的作用更是非同小可。它们一方面作为天沟，收集、排除屋面的雨水；同时又充当了接闪器，及时将雷电流引到“笼式避雷网”，保护整个建筑物的安全。这是一个非常理想的“笼式避雷网”，完全依靠建筑物自身结构中的材料，无须单独架设避雷针、做引下线或接地体，屋面没有突出的避雷针或避雷带，既经济美观又安全可靠。 ★抗震设计： “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。“水立方”的地下部分是钢筋混凝上结构，在浇筑混凝上的时候，在每根钢桂的位置都设置了预埋件(上部为钢块)，钢结构的钢柱与这些预埋件牢固的焊接在一起，就这样，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。 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。