水立方建筑结构详解
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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)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
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：
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。
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，
wk.baidu.com
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
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
体阵列经旋转、切割形成结构的屋面 上几乎没有完全平行的杆件, 没有一根直
和墙面后,与表面上节点相连的杆件数 的立柱、杆件纵横交错。墙体和屋盖内外
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。
对“水立方”工程结构体系选型的分析
一
工程概况
二
建筑特色及材料应用
三 结构选型和受力体系分析 四 对工程设计优缺点的评价
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。
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。
“水立方”结构几何体的基本模型是基于优化改
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
（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。
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%。
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)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
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：
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。
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，
wk.baidu.com
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
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
体阵列经旋转、切割形成结构的屋面 上几乎没有完全平行的杆件, 没有一根直
和墙面后,与表面上节点相连的杆件数 的立柱、杆件纵横交错。墙体和屋盖内外
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。
对“水立方”工程结构体系选型的分析
一
工程概况
二
建筑特色及材料应用
三 结构选型和受力体系分析 四 对工程设计优缺点的评价
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。
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。
“水立方”结构几何体的基本模型是基于优化改
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
（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。
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%。