中国人民的梦- 水立方篇

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讲起水立方,它当然是建筑工程科技的另一大创举,我之前都有介绍过京奥的规划,鸟巢是圆,水立方是正方形,正所谓天圆地方,一阴一阳的理念。

水立方有17,000个坐位,但在奥运后便减至6000个坐位以减低维修成本。近日当大家收看比赛时都知道水立方是有一个游泳池,一个跳水池。水立方最大的特点当然是外墙,设计的理念是当然是H20 ,由水份子组织成的比赛空间。如要制造这样的屋顶就只可用ETFE一种物料,因为只有ETFE才可造到不规则的图案而只需要很幼的结构支架。而加上设计的理念是希望整个场馆在日间时是接近全用自然光照明, ETFE正好能提供高透光度而隔热度强的屋顶物料,这正好配合环保奥运的主题。

如大家有看我在英国伊甸园项目和之前鸟巢的博客,便会知道ETFE的特性。尽管ETFE只是玻璃的1 %重量,但没柱没梁而117米的跨度的情况下,仍是一个非常大的挑战。伊甸园项目的跨度都只是50 -60M而且是圆拱形的结构,相对水立方而言是比较简单,而且一个正方形的全ETFE结构在世界从未发生过。

照常理,如要有117米的横跨度的话,应用圆拱形结构。但今次因为要挑战技术上的极限,负责这工程的澳洲PTW建筑师和奥雅纳结构工程师使用了如峰巢的六角形结构,因为峰巢的结构是全世界最坚固,最轻的结构之一。而水立方的结构框架比伊甸园项目明显加强,但问题是整个水立方是成不规则的六角形图案,所以不能先在工厂制作预制件然后到现场安装。

单是屋顶便有数万个连接点,整个水立方的构件总数近30,000个,而构件与构件之间的距离不能错,否则便影响其他六角形构件。所以每天只能连接数十条构件,工程师在2006年时说按现在的进度至2010年还未能完成。最后如何解决呢?

另外,我在伊甸园项目提及过, ETFE最大的坏处之一是低隔声效能,所以室外的汽车噪音问题和下雨时的声浪又如何解决呢?

续上会,为方便连接各部件,工程师设计了使用连接球(节点)来连接各钢部件(框架构件) ,但始终工程进度很慢,一定不能在08年前完成。在某一天特然数位烧焊师傅一同讨论如何提高进度时,便想出一个惊人的创举,他们建议先把节点和框架构件先在地上连接,然后便运上大楼连接其他部件,每次烧焊都只用调教一个框架构件。情况好像先把框架构件与节点连接成火柴枝一样,烧焊时方尾接圆尾,每次只用调节一个框架构件的角度,不用像先前一样用一个结点来同时连接三个框架构件,并需同时调较三个框架构件。

此举便把工程进度大幅提高三倍, 300烧焊工人同时开工,高峰期可以每天可完成200个构件,相对以往每天数十条,的确大大改善了。

最令人惊讶是,用这样的烧焊方式令屋顶的中央部份只下沉81毫米,比设计时预计下沉240毫米,有大大的改善。这不单可以确保外形成正方形,而且亦可防绩水的问题,因为整个水立方的屋顶是没有水坑只有一些少的排水管。

要解决隔音的问题的责任落在清华大学身上,一般的ETFE最多只做三层,通常只做一层但水立方为解决隔音的问题做了四层来隔声,如只做一层的话,当下雨时室内好像万人打鼓一样,做了四层虽然有所改善但来自结构震动的声音(结构边界)仍是很难解决,清华大学设计了一系列的吸震器来解决结构​​包围这问题,当清华完成这设计连厂商都来抄袭我们的设计,因为直至现在发明这物料的厂商根本没有这技术解决这问题。

最后的问题是光的问题, ETFE是高透光度的物料,它可以令水立方90%的时间都用自然光但ETFE同样是高反光的物料,所以天黑的时候如开灯的话很难控制反光效果,对运动员,观众和电视直播都是一件坏事。解决的方法是不解决,水立方室内只用像太阳光线的太阳灯,然后让光线四处反射,营造自然环境四周有自然光的效果,灯的位置和强度当然经过精密设计,但理念是很简单。

外墙的灯光效果当然是用红,蓝,绿三个LED灯造成的,所以只要调节红,蓝,绿的比例便可以制造不同的效果,但问题是光线不只是从ETFE射出室外亦同时射进室内,所以跳水台背后加了一道墙来阻隔光线。

水立方和鸟巢开创了不少工程上的先河,亦成了很多人的实验室。中國人為了科技奧運、環保奧運這一句話便不知付上了多少的人力物力,總之為京奧所開創出來的技術永遠都會造福後世.