全球第一座多面体空间钢架结构历经一年多的精雕细刻，已经骨架俱全，这座晶莹的方形水滴接下来将要面对的是世界上规模最大的膜结构安装工程。
6月16日，球迷杨斌忍痛放弃了凌晨直播的两场世界杯足球赛，选择了睡觉。直到清早6：30随同事们一起登上驶向奥林匹克公园中心区的班车时，他对前一晚的赛事还耿耿于怀。
但他心中的小缺憾随即被巨大的成就感冲散，这一天，等待杨斌的是北京奥运会第二大比赛场馆项目施工中的一个历史性时刻。在脱离辅助支撑结构的保护之后，被称作“水立方”的国家游泳中心将依靠自身的钢结构站立起来，成为世界上第一座多面体空间钢架结构建筑。
实际上，这已经是水立方的第二次支撑体系卸载。在主体钢结构封顶之后，5月底，杨斌所在的中建一局建设发展公司国家游泳中心项目部已经先选择了热身大厅、嬉水大厅两个屋顶跨度较小部分来做卸载尝试。在总结了上次卸载经验之后，这一次将要卸载的是跨度最大的比赛大厅屋面支撑体系。为了筹备此事，项目组就对参与卸载工作的40名管理人员和200名操作工人先后进行了4次交底、组织了2次演习，并做好了普查和检测等一切想得到的布置。
项目动员了几乎全部管理人员成立现场指挥组、卸载组、脚手架配合组、杆件和焊缝检查组、应急保障组、后勤组、宣传组等七个小组，邀请国内权威钢结构专家组成技术支持组，在完成了70分钟的准备工作后，从8点到11点半的3个半小时内持续进行了35次、95个卸载点的同步卸载，每一次卸载行程为5毫米。脱离了支撑体系的保护之后，钢结构屋顶被证明完全达到设计要求，前所未有的新型多面体空间钢架结构建筑设计理念在中国实现。
水立方的主体钢结构工程比预期中的工程进度提前了足足一个半月,这为后续膜结构以及精装修施工赢得了时间。
多面体空间钢结构
水立方工程分成混凝土结构施工、钢结构施工和膜结构安装三大部分。2004年7月中建一局作为总承包方进场时，土方与基础工程已经由北京市机械施工公司完成，一年之后主体混凝土结构完成，施工进入主体钢结构施工阶段。“这个工程最难的两个难点就是钢结构和膜结构。”在水立方项目部项目书记王立丰看来，这个时候，要打的硬仗才开始。
水立方工程外墙体和屋面围护结构采用新型钢膜结构体系，该钢膜结构体系由一系列类似于细胞排列的钢网架单元和ETFE（聚乙烯－四氟乙烯共聚物）充气薄膜共同组成，这一墙体设计的构成是基于“气泡理论”（Foam Physics）。
十九世纪末期，英国物理学家凯尔文勋爵（Lord Kelvin）提出如下问题：“如果我们将三维空间细分为若干个小部分，每个部分体积相等但要保证接触表面积最小，这些细小的部分应该是什么形状？”此后的100多年，许多物理学家为这个问题而着迷，提出了各种各样的解决方案。到1993年，爱尔兰教授Weaire（威尔莱）和弗兰（Phelan）提出一个新的解决方案，采用两种不同的单元体来构造这个“凯尔文模型”，一种为14面体，另一个为12面体。到目前为止，威尔莱-弗兰多面体组合仍被认为是凯尔文勋爵问题的最理想的解答。
“在一个空间里，12面体和14面体的气泡组合起来，可以形成一个无缝的海绵体，水立方的外墙钢结构正是这样一个海绵体，内外墙的薄膜气枕就是这些多面体气泡的一个面。” 国家游泳中心设计联合体中方执行总负责人、中建国际设计顾问公司体育事业部总建筑师郑方解释道。
并没有说起来那么简单。为了实现这种多面体空间钢框架结构，施工队需要在空中把一根根钢杆件当成气泡的边棱，逐个在空中按照设计好的位置固定，再与连接边棱的钢球焊接，制成气泡形状。“活儿太细致，结构复杂，规律性又小，做起来要花很大精力。”项目部总工程师高俊峰把水立方项目施工特点归纳为“精雕细作”。
整个水立方工程使用的焊接球9843个，杆件20670根，构件总数30513个，由于多数是细长的杆件，设计总重量才6700吨（不含埋件和加强板），钢材订货量远低于其他同样规模的钢结构工程项目。但由于每个气泡所在位置的受力情况不同，把具体杆件和球的材质、厚度等参数考虑进去之后，这一项目的钢材订货采购品种达到59种，其中还包括生产难度较高的Q345C、Q420C钢材。虽然考虑了钢材损耗率之后，项目组对钢材的总订货量达到近9600吨，但国内对这单生意感兴趣的钢厂寥寥无几。
“我们的钢材订货量很小，但品种规格很多，钢厂就不愿意生产，因为他形不成规模，成本就高。”王立丰对钢厂的不积极表示理解。“加上Q420C这样的钢材普遍生产经验少，钢厂有畏难情绪。”一般钢厂的钢材起订量是30吨，而水立方所需钢材品种里小于这个数的就有16种，甚至有2种的订货量仅为2吨。何况这些订货量本来就少的钢材还要分成300多个规格定尺。
各方努力下，鞍钢和舞阳钢厂接下了“水立方”约8000吨的合同，其中包括最难“啃”的用作支撑梁柱的2600吨抗层断撕裂建筑结构用钢。这种钢板除具备建筑结构用钢的高强度、高抗震性等外，对垂直方向上的力学性能有较高要求，而且所需规格最大厚度达到60毫米，之前在国内从未有钢铁企业生产过。
跟钢材细碎的品种对应的是，制作钢构件时的机械化加工率也很低。水立方屋盖上下及墙体外表面使用的箱形焊接杆件虽然高度都相同，但按照不同的宽度和壁厚，共分出21种杆件形式；中间层框架的圆钢管杆件又分成16种类型；而钢球的规格也多达28种。
“鸟巢的构件一吊起来就是上百吨，而我们只是单干单球吊装作业,每吊次吊装量很小,工效很低。”王立丰望望工地对面钢结构几近完工的鸟巢，无奈地说。多面体气泡在空间的特殊定位决定了水立方钢结构需要在脚手架支撑体系基础上，采用高空散装的吊装工艺，到钢结构施工后期，大量脚手架的使用使国内市场上的租赁公司都感到货源紧张，项目部转而使用法国公司提供的插口式脚手架（这种工具化程度高、搭设快捷方便的脚手架后来被证明是提高施工效率的催化剂）。整个钢结构施工中被使用的脚手架多达1.7万吨——这是水立方自身用钢量的3倍。
但另一方面，轻质的构件对重型吊装设备的依赖性小，用于应对机械化程度低的办法是加大人力的投入。为了保证施工进度，项目部把原计划中施工队的电焊机80台、焊工100多人部署提高到了200多台和300多人。加上脚手架、焊点和供火点等看护人员的增员，整个施工现场施工人数最多达到800多人，即便是春节，也在工地留下200名劳动力，保证施工的持续。
水立方的外墙和里层由上千个气泡组成，而要把钢梁拼成气泡形状、找到钢梁在空中的准确位置非常困难。工程师们试了GPS定位、激光定位等很多办法，但工程进度总是太慢。刚开始的时候，每天只能安装几根杆件，焊工们熟练之后，速度提高到每天几十根。“我们计算了一下，如果每天有30多个组件能够焊接上，我们可能到2008年以后都焊不完。”国家游泳中心总经理康伟对中央电视台记者说。
没想到，这个难倒了工程师的问题却被几个工人师傅通过摆弄火柴棒找到了答案。施工工人们发现，中学几何里的“一条直线和线外一个点确定一个平面”定理可以用于杆件定位，新方法顿时让工程进度猛增了3倍，加上焊工技艺越发熟练，工地高峰时每天杆件的焊接速度最高提到200多根。钢结构提前一个多月封顶后，工人自创的这套工作方法也同水立方工程师们的建筑理论一起，被写进了《多面体延性钢架结构施工管理技术规程》。
首创采用ETFE膜结构
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，但两者的区别在于，安联体育场的气枕覆盖面积为6万平方米，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，并且几乎没有长宽高相同的两个气枕。
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，也是唯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。
“我也去看过安联，它的视觉效果非常好。”项目书记王立丰回忆说。虽然ETFE薄膜的使用在国内是首创，但过去20年内，由于这种材料耐腐蚀性、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。此前业主、设计方、施工方等多方人员组成的考察组分赴各地考察ETFE薄膜的使用经验，包括安联体育场、英国“伊甸园”植物园和一些学校在内的膜结构建筑的成功修建与维护给了他们极大的信心。
今年1月份，水立方膜结构定标，邀请了德国制作ETFE薄膜的公司Vector Foiltec来为水立方提供膜材料。Vector Foiltec曾为英国的“伊甸园”提供膜产品，在水立方之前，伊甸园是世界上最大的ETFE膜结构工程。Vector Foiltec专门在北京顺义建了制膜厂，根据具体的曲率、热合参数来制作与加工气枕。目前，Vector Foiltec的国内合作方沈阳远大已经开始铝合金夹具和屋面排水天沟施工，计划今年年底完成膜的安装工作。
在郑方办公室的一角摆着一个镶嵌在铝框里的对角线约长1.5米的大塑料气枕，这是诸多水立方ETFE膜气枕试验品之一。“不同性能的模型我们有十几个，已经在办公室外的阳光下做过几十次实验，做不同的组合测试，包括看什么样的颜色符合我们最初对水的颜色的设想。”中建国际和澳大利亚设计方刚刚完成了对膜材料的声学、热学、抗风沙、抗冰柱等多种性能的测试与深化设计。针对国内是首次使用ETFE膜材料作为幕墙，设计方编制了国内首部ETFE膜结构验收标准。
根据室内与室外、里面与屋顶环境的不同，具体部位的气枕将由2~5层薄膜组成。在外墙上的气枕最外层薄膜带浅蓝色，中间透明，里层镀点；内墙气枕的最里层为透明，外层镀点。外墙的内层膜和内墙的外层膜上镀着的密度不等的指甲盖大小的镀点用于控制膜的透光度，同时还起到散射阳光的作用。由于ETFE薄膜的透光性，这种立面装配系统能使水立方在白天最高节约50%的照明能耗。
整套ETFE薄膜的成本相当于同面积的中高档玻璃幕墙，而其2层膜可实现的热功性能就顶得上3层玻璃幕墙的效果。与此同时，轻巧的ETFE幕墙大大减轻了水立方主体钢结构的荷载。ETFE膜的设计寿命是30年。
水立方项目部已经在2005年地就在南外立面上成功完成了500平方米气枕的试安装。本次主体钢结构安装完成之后，水立方的外墙膜结构安装工程将于8月份开始，在今年年底完成水立方外表面的膜结构安装后，将进行内部装修和内层膜的安装。
曾成功地为2004年雅典奥运会于2006年德国世界杯提供弱电系统综合性解决方案的德国公司西门子已经与中国建筑一局(集团)有限公司签订超过千万元的合同，将为“水立方”提供包括楼宇自控设施、消防报警和控制系统在内的一整套弱电基础设施。这是西门子迄今为止揽下的最大一套弱电解决方案。
水立方的机电和装修工程也已经展开。王立丰表示，地下室的机电管道已经完成了40%。对项目组来说，眼下最重要的是总结出1.7万吨钢管架料的安全拆除,为膜结构和装修施工提供工作面。“毕竟是第一次吃螃蟹，我们专门做了培训。”为了保证架料的安全拆除,项目部制定了脚手架的拆除方案,对架子工进行了培训,并加强了拆除过程的监督管理。
设计师详解水立方
这座场馆在设计之初注重的却不仅仅是奥运会，而是“为赛后而建” 水立方的设计寿命是100年，而奥运会只有短短16天，所以其生命价值更主要的是体现在赛后国家游泳中心工程位于北京奥林匹克公园B区，奥林匹克中心区西南角，与国家体育场相对于中轴线均衡布置。北邻规划成府路，东邻规划景观路，南接北顶娘娘庙，西邻规划景观西路。
这一项目的总建筑面积87283平方米，赛时总面积为79532平方米。建筑总体布置为正方形，总平面尺寸约177米×177米。地上约31米，地下深度约12米，主要由比赛大厅、热身大厅和嬉水大厅三大部分组成，包括1个25米X50米的10泳道标准游泳池、1个25米×50米的10泳道热身训练池、1个25米×30米的跳水池和其他辅助功能设施。[本文共有 2 页，当前是第 1 页] <<上一页 下一页>>
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