走近科技奥运:探秘国家游泳中心“水立方”

　　编者按

　　2008北京奥运会离我们越来越近。作为一届“人文、绿色、科技”奥运会，科技与奥运在精神上相通，在实践中互动。北京将站在世界科技发展的最前沿，充分吸收和利用当代最先进的科技成果，把2008年北京奥运会办成奥运史上一届精彩的高水平运动会。

　　科技奥运的内涵之一，就是要把当代所有最新的科技，尽可能地嵌入和渗透到奥运会的所有环节中去。从今日起，本版特开设《走近科技奥运》栏目，向读者介绍奥运会筹办、场馆建设、信息技术、竞技运动和安全保卫等诸方面的科技含量，展现“科技奥运”的动人风采。

　　神奇的“泡泡”世界

　　——探秘国家游泳中心“水立方”

　　一个透明的房子，里面装着水，阳光照进来，水天一色，呈现出梦幻般的水蓝色……

　　这不是童话，这是北京奥运会标志性建筑之一，俗称“水立方”的国家游泳中心。1月28日，这座历时4年多建设的建筑竣工，并迎来了首批游泳选手。

　　“水立方”为什么是透明的？里面有什么奥妙？“水立方”穿上“泡泡衣”

　　一般的建筑都是用钢筋混凝土做成的，而“水立方”的透明，在于它裹着两层“泡泡衣”，这也是它设计上最神奇的地方。

　　透明的、手按压有轻微凹陷，像塑料一样有点软———在“水立方”设计的唯一能让观众触摸到“泡泡”的泡泡吧里，记者与一个近一人高的“泡泡”进行了亲密接触。

　　在“水立方”，这样的“泡泡”多达3000多个，拼成了“水立方”的外墙和屋顶。“泡泡”大小不一，形状各异，最大的一个约9平方米，最小的不足1平方米。最外层的“泡泡”带浅蓝色，中间透明，内墙气枕的最里层为透明。

　　从外表看，“水立方”极像一个攒了许多小泡泡的肥皂泡，表面挤满了泡泡的微微凸出———只不过，这是个方形的、浅蓝色的肥皂泡。而在里面看，“泡泡”像蜂窝一样排列。由于是透明的，支撑“泡泡”的“骨架”清晰可见。

　　这正是自然界里非常普遍的水分子结构，“水立方”也是靠这种纯天然的力学结构稳稳当当地立起来。高科技“塑料大棚”

　　“这是一个蕴含高科技的"塑料大棚"！”“水立方”中方设计师、中建国际（深圳）设计顾问有限公司总工程师郑方说。他与北京国家游泳中心有限责任公司董事长康伟一起，细细道出了“泡泡”的奥秘：

　　“泡泡”既不是玻璃，也不是塑料，它的学名叫气枕，是一种名为ETFE（四氟乙烯）的特殊材料，里面充满空气。这种结构叫ETFE膜结构。“水立方”的建筑外围护由两层膜结构形成，这是我国首次采用，也是目前世界上面积最大的膜结构系统。

　　压不破，抗风沙———这种材料质地轻巧，但强度却超乎想象。“我们做过实验，气枕充好气之后，汽车压过去都没有问题。”

　　防鸟啄，易修补———膜最怕尖锐器物的戳刮，对膜结构气枕最大的威胁来自飞鸟，因为它们的爪子钩在气枕表面，很容易造成表面的划伤。为此，施工方在“水立方”顶部铺设了很细的钢丝网，以阻止小鸟飞落。此外，为防止人为破坏，“水立方”四周设有一圈两米高的护栏，护栏内还有一道宽6米、深0.5米的护城河。

　　“其实，就算出现局部的损坏也无碍整体，因为每个气枕都是独立的，气泵会自动充气。用专用胶水修补表层也不复杂，就像我们用透明胶带粘东西一样。”郑方说。

　　保恒温，不易燃———“泡泡”会不会像放大镜一样，聚焦阳光而引起自燃？到了夏天，这个“大棚”会不会像温室一样热呢？晶莹剔透是很美丽，但是会不会导致光线过于强烈，使人目眩？

　　郑方回答，“泡泡”上布满的一种肉眼看不见的“镀点”在这里发挥了重要作用。它的原材料是一种耐高温的油墨。阳光进入场馆内要通过镀点的过滤，一部分光线会被镀点反射回空中。这些“镀点”布成的点阵，就像一把把遮阳伞，把刺眼的光线和多余的热量挡在场馆之外；而在一把把“遮阳伞”之间，所需光线可以自由通过，保证场馆的温度和采光。此外，膜的熔点高达275℃，耐热防火。

　　场馆温度控制的关键还在于场馆内外两层膜之间留有空间，称为内腔。炎热的夏天，外层膜将热空气隔开后，内腔将通过空调系统进行循环送风，把逐渐发热的空气与冷风流动起来，用这种方法把热空气在内腔消解排出，以保证内层膜下面的场馆保持恒定温度。冬天，寒冷的空气也是这样被阻隔在外界的。

　　防凝雾，防噪音———内腔再一次发挥了作用，通过对空气的调节使室内保持恒湿，有效防止了结雾现象。此外，顶部气枕的膜厚达4层，墙体膜厚则有2～3层，雨打薄膜声不会对场内比赛造成影响。小气泡，大节能

　　晚上，“水立方”里的灯亮起来，深浅不一的蓝色交相辉映，“水立方”犹如一个蓝色的水晶宫殿，引得无数行人驻足赞赏。

　　事实上，神奇的“泡泡”还有许多好处。

　　“当初设计时就是围绕水这个主题做的，气泡有"在水中生成"的含义。”郑方介绍说，“水立方”的设计理念就是“一个方盒子”、“许多水泡泡”和许多“水分子”。

　　与主场馆“鸟巢”的设计相比，“水立方”体现了更多女性般的柔美。方形的游泳中心与圆形的国家体育场一起体现了“天圆地方”的理念。

　　据“水立方”项目经理孙洪庄介绍，采用ETFE膜结构可使室内透明度达到90%。“水立方”平均每天有近10个小时采用自然光照明，加上收集空调余热为池水加热省下的电力等，它比国家相关标准整体节能达9％，比一般节能建筑还省1/3的能耗。

　　“泡泡”自己会“洗脸”。据郑方介绍，ETFE膜的摩擦系数很小，不易附着尘土。即使粘上些尘土，只要下点小雨，立刻就能将膜冲洗干净。

　　据介绍，ETFE薄膜的使用在国内虽属首次，但在西方，这种材料已经使用近30年了。这种材料耐腐蚀性、保温性俱佳、自清洁能力强。项目经理孙洪庄说，“水立方”的自然寿命至少为100年。堆积肥皂泡

　　如何将这些看似娇弱的“泡泡”以分子结构的方式堆积起来，既要无缝隙，又能精确地控制光线，同时还要排列美观？这项前无古人的工作，给施工方带来了巨大的挑战。

　　连接球9843个，杆件20670根，这就是“水立方”建筑的钢结构构成。“泡泡”就附着在钢结构上，支撑起这些气泡的钢结构也相应地被设计成不规则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。

　　气泡形状是立体的，在空中准确定位它非常困难。刚一开始，“水立方”进行钢结构焊接时，施工单位开始考虑的方法也和鸟巢一样，在地面操作台上焊接一部分，再吊装进行整体焊接。但试验几次后发现，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。即使在焊工们操作熟练后，速度也只能提高到每天几十根。按照这个速度，“到2010年也装不完”。为了增加直观感，有些工人师傅干脆搭火柴棍来建模型。后来大家发现，相对于定位立体，定位平面要简单得多。作业人员于是想到了一个好方法：先确定一个平面，然后将平面外的空间点“投影”到平面上，再按照设计的高度将投影点“撑”到空中，形成立体。由于不确定因素大大减少，新方法顿时让工程进度猛增了3倍。

　　两万根杆件、将近一万个连接球在20多个专门负责对号入座的工人传递下，在300多名焊过军舰、拿着至少八级焊工证书的“全国顶级的”焊工手里，像堆积木似地快速而准确地拼插在一起。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》。