水立方建筑结构详解

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
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%。
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：
2)设计特色：“水立方”是先进的环保节能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
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。
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。
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。
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
“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。
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。
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。