一、從北京奧運會體育場、游泳館的幕墻和屋頂談起
建筑幕墻仍將是
公共建筑中外維護結(jié)構(gòu)的主導。2008年的北京奧運會工程將是全世界建筑幕墻行業(yè)的亮點。奧運主體建筑幕墻工程將是世界頂級幕墻公司展示自己實力和最新技術(shù)的舞臺，也是國內(nèi)外幕墻公司拼實力、拼價格的戰(zhàn)場。其建筑
幕墻技術(shù)將以體現(xiàn)建筑主體風格、通透、
節(jié)能環(huán)保、舒適為特點。幕墻的索
結(jié)構(gòu)設計、
玻璃結(jié)構(gòu)設計等關(guān)鍵的前沿技術(shù)將有所突破。2010年我國的建筑幕墻行業(yè)的主要技術(shù)領(lǐng)域?qū)⑦_到國際先進水平。
新的國家體育場、國家游泳館的方案已確定，稱之為‘鳥巢’、‘水立方’選用ETFE
膜結(jié)構(gòu)屋頂和幕墻，‘鳥巢’和‘水立方’膜結(jié)構(gòu)交相輝映、晶瑩剔透。新的國家體育場位于奧林匹克建設區(qū)中心平緩的坡地上，它被構(gòu)思成一個輕盈的鳥巢，高低錯落的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)緩和了其龐大的體積，并賦予它自然生動的形象，各結(jié)構(gòu)單元互相支撐并聚合成一個網(wǎng)狀的殼體，像一個樹枝編成的鳥巢。
國家體育場的“鳥巢”方案
2003年12月24日上午，國家體育場開工建設，標志著北京奧運會場館建設工程全面啟動。舉世矚目的國家體育場將是展示新世紀奧運會形象、凝聚國內(nèi)外建筑設計工作者智能的
標志性建筑，集中地反映了奧運會舉辦理念和運作水平以及舉辦國的建筑文化特色。國家體育場是2008年北京奧運會的主會場。它位于北京奧林匹克公園內(nèi)，北京城市中軸線北端的東側(cè)，占地20.4萬㎡，建筑面積25.8萬㎡，能容納觀眾10萬人，2006年底建成。其業(yè)主單位是由北京市國有資產(chǎn)經(jīng)營有限責任公司和中信集團聯(lián)合體共同組建的國家體育場有限責任公司。國家體育場有限責任公司負責項目的投融資、設計、建設、運營和管理,國家體育場的設計方案，是經(jīng)全球設計
招標產(chǎn)生的、由瑞士赫爾佐格和德梅隆設計事務所、奧雅納工程顧問公司及中國建筑設計研究院設計聯(lián)合體共同設計的“鳥巢”方案。該設計方案主體由一系列
輻射式
門式鋼
桁架圍繞碗狀坐席區(qū)旋轉(zhuǎn)而成，空間結(jié)構(gòu)科學簡潔，建筑和結(jié)構(gòu)完整統(tǒng)一，設計新穎，結(jié)構(gòu)獨特，為國內(nèi)外特有建筑。
建成后的體育場外觀如同樹枝編織的鳥巢，既符合了奧林匹克國家體育場對功能與技術(shù)的所有要求，又摒棄了建筑界慣用的數(shù)字屏幕與大跨度的手法。其灰色礦質(zhì)般鋼網(wǎng)以透明的ETFE透明箔片膜覆蓋，內(nèi)部是一個土紅色的碗狀看臺，這座可開合的大型
穹頂沒有一根
立柱，在任何座位上觀看比賽都沒有視線遮蔽，它的結(jié)構(gòu)組織形式可以由外立面直接體現(xiàn)出來，從各結(jié)構(gòu)便進入了看臺邊緣的寬闊回廊。從這里不僅可以縱觀整個環(huán)形成一個城市空間的縮影，可供客人閑逛、用餐及購物，起到集散大廳和騎樓的作用。
看臺呈現(xiàn)一種碗形的整體性效果，這種均勻一致的建態(tài)形狀有助于觀眾在觀看比賽時更有效地集中注意力；同時，觀眾席上的人群也與建筑本身融為一個整體。 場館的設施為人們營造了一種舒適和諧的視覺效果與氣氛，在激發(fā)觀眾興奮情緒的同時，也能促進運動員的良好發(fā)揮。
碗形看臺
幕墻和屋頂為氣墊膜結(jié)構(gòu)，就像鳥類用軟物裝填枝條間的空隙一樣，體育場上層結(jié)構(gòu)的空隙采用了氣墊膜進行裝填。建筑表面的氣墊膜不僅起到樓頂
防水的作用，也使頂篷上的雨水通過特殊的裝置加以收集和再利用；而半透明的樓頂設計也使陽光能充分投射進來；為草坪的生長提供必要的紫外線。此外，在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部的飯店、套房、商店和休息間的相應位置的立面上，裝填了氣墊膜，保證立面效果的整體感。這種填裝氣墊的作法允許自然通風，構(gòu)成體育場可持續(xù)發(fā)展設計理念中至關(guān)重要的一個部分。可開合的屋頂是體育場必不可少的一個組成部分。當它關(guān)閉之時，體育場便有了
天窗。屋頂?shù)脑O計按照自身的建筑邏輯與防水氣墊膜共同成一種整體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
2003年12月24日，國家游泳中心舉行了開工奠基儀式，2008年北京奧運會場館中惟一一座由華人華僑自愿捐資修建的比賽場館正式進入開工建設階段。三年后，一座新穎別致的北京奧運會游泳館─“水的立方”將以那晶瑩剔透亮麗身姿與雄踞東側(cè)“鳥巢”型國家體育場交相輝映，共同裝點景觀如畫的北京奧林匹克公園。
國家游泳中心的建設將體現(xiàn)中華民族的偉大的團結(jié)精神，將體現(xiàn)港澳同胞、臺灣同胞和海外華僑華人的愛國之情，將為中華民族的奧運史留下一個永昭世人的標志性建筑。
國家游泳中心位于奧林匹克公園的中心位置，占地6.295公頃，長寬尺寸大約是305m×230m。設計的目標是提供2008年奧林匹克運動會的游泳、跳水、花樣游泳、水球比賽場地；賽后提供重大水上比賽場地，開展有商業(yè)用途的項目；為市民提供綜合水上娛樂中心。
國家游泳中心設計方案確定 “水立方”構(gòu)造 。水是整個建筑的主題，設計師希望人們通過這個建筑能體會與水有關(guān)的種種快樂：流動、多變、不確定、寧靜、奔涌、潮起潮落……水的流動、多變和不確定性給人們不同的體驗。當你靜靜地站在遠處觀看時，可能感覺它只是個立方體，但當你走近時，你會發(fā)現(xiàn)由許多特殊材料制成的“泡泡”氣枕。這個立方體的構(gòu)造非常特別。
遙望“水立方”，呈現(xiàn)在人們面前的是一個水藍色的建筑，宛如一灘平靜的藍色湖面，平和而寧靜。近處的“水立方”則是一個透明的“冰塊”， 如果說規(guī)矩的四方體會讓人感到乏味的話，那幺
氣泡型的膜結(jié)構(gòu)幕墻，使得“水立方”凸顯無邊的浪漫。結(jié)構(gòu)立面的靈感來源于Kelvin的“泡沫”理論，這樣的結(jié)構(gòu)形式還從來沒有使用過，這樣的設計使得這幢建筑具有一個獨特的視覺效果和感受。對三維空間進行了最有效的分割，結(jié)果顯示，模型在自然界中普遍存在。例如，細胞組織單元的基本排列形式、水晶的礦物結(jié)構(gòu)，以及肥皂泡的天然構(gòu)造。盡管結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出復雜性及有機體的形式，但實際上是較簡單的
框架結(jié)構(gòu)，具有很高的重復性。結(jié)構(gòu)構(gòu)成的優(yōu)化目標是屋頂和墻面的氣枕形狀，具有重復性而又能保持一個隨機無序的總體感覺。
鋼結(jié)構(gòu)腹桿和鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部
節(jié)點都具有高度重復性，弦桿
構(gòu)件長度和幾何具有重復性，避免了
切割后節(jié)點位于弦桿內(nèi)。 這種簡潔的結(jié)構(gòu)并非是看上去的雜亂無章，是依據(jù)WeariePhelan給出的“無限等體積肥皂泡陳列幾何圖形學”：肥皂泡是因內(nèi)外氣壓不同而形成的一種自然結(jié)構(gòu)，液體
表面張力抑制肥皂泡的擴張，由于肥皂泡內(nèi)的氣壓對各向都是相等的，因此形成了最小表面積，空中肥皂泡是球形，水
平面會是半球形，泡內(nèi)的壓力方向永遠與表面垂直，如果氣泡基座不是圓形，它會自動形成一個最符合泡內(nèi)、外壓力平衡及最小表面積的形狀。如果兩個肥皂泡靠在一起，中間自然形成120度的隔膜，至于隔膜之所以為平面，是因為隔膜兩方壓力相等，而勿論多少個肥皂泡連在一起，它們相接角度勢必為120度（丹特，1971年）。
（a）大小相等肥皂泡，（b）大小不等肥皂泡，（c）3～4個肥皂泡。
由十四面體、十二面體基本單元沿三個正交坐標軸X、Y和Z生成了巨大的空間立方體。將空間立方體進行旋轉(zhuǎn)和切割，切出建筑的外邊框和內(nèi)部使用空間。十四面體、十二面體被切出的邊線形成上弦和下弦
桿件，
切割面之間原有的線即為腹桿。經(jīng)優(yōu)化選擇旋
轉(zhuǎn)角度和切割面，形成最終的結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)。
這個看似簡單的“方盒子”原來是用中國傳統(tǒng)文化和現(xiàn)代科技共同“搭建”而成的。方方北京城方方水立方。“天圓地方”的設計哲學催生了“水立方”，而這個“方盒子”又能夠最佳體現(xiàn)國家游泳中心的多功能要求。傳統(tǒng)文化與建筑功能就這樣實現(xiàn)了完美結(jié)合。“泡沫”加深“水”記憶基于來自“泡沫”理論的設計靈感，他們?yōu)椤胺胶凶印卑狭艘粚咏ㄖ馄ぃ厦娌紳M了酷似水分子結(jié)構(gòu)的幾何形狀，賦予國家游泳中心與眾不同的外觀。這樣的設計使得這幢建筑具有獨特的視覺效果和感受，建筑物的輪廓和外觀變得柔和，更具有水的特性。讓人們一見到它，就知道這是游泳館，而不是體操館等其它用途的場館。
“水立方”外墻材料采用的則是一種透明的ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)，ETFE膜氣枕直徑達9m，外墻的高度內(nèi)約有5個氣枕。“冰塊”式的外圍護將游泳中心內(nèi)部設施盡收眼底，壯觀而震撼。ETFE膜良好的自潔性，會讓“水立方”一直保持著水的晶瑩剔透。對重力
荷載、
風荷載、
雪荷載、
地震作用、
溫度作用等方面對膜結(jié)構(gòu)進行了初步計算：ETFE膜充氣枕通過反應譜分析，結(jié)構(gòu)為
抗震烈度8度，場地類別是三類，屋頂最大側(cè)移X向達17.3mm，Y向達18.6mm，用鋼量為4900噸，按覆蓋面積計算，每平方米156公斤，按展開面積算86.24kg/㎡。ETFE立面的雙層表皮結(jié)構(gòu)由一系列小的單元組成，每個單元的外面都覆蓋著
薄膜—雙層聚四氟乙烯（ETFE）。
“水立方”呼應“圓鳥巢”在國家游泳中心的東面，是規(guī)劃的奧運會主會場——國家體育場。此前，“鳥巢”方案已被確定為國家體育場的實施方案。如果把這兩個方案模型對照在一起就會發(fā)現(xiàn)，它們之間比較協(xié)調(diào)，且相映成輝�！皥A鳥巢”讓人感到興奮、動感、陽剛氣息，而“水立方”呈現(xiàn)出的則是寧靜、祥和、具有詩意的氣氛。一動一靜，一剛一柔，使得這個區(qū)域?qū)⒊蔀楣姷慕裹c。整個建筑內(nèi)外層包裹的ETFE（四氟乙烯），是一種輕質(zhì)新
型材料，具有有效的熱學性能和
透光性，可以調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，冬季
保溫，夏季散熱，而且還會避免建筑結(jié)構(gòu)受到游泳中心內(nèi)部環(huán)境的侵蝕。
“圓鳥巢”和“水立方”正代表了北京融入世界建筑的發(fā)展潮流。
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