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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.




中国人民的梦 – 鸟巢篇

奥运期间由于我身在英国,奥运开幕礼不能看现场直播,只能看录影。当看完4小时录影后,真的很感动。老实讲,英国传媒一直集中报导京奥的负面新闻,例如北京的污染,人权问题,反奥运动,抢圣火和恐怖袭击等新闻,相反一些正面的报导是相对较少。

以我的偏见,可能英国是下一届奥运的主办国,所以希望自己感觉良好。如你问我,我深信英奥一定比京奥更难成功举办。因为我的家就只离英奥主场馆10分钟路程,英奥主场馆四周的配套很难说服世人是适合奥运使用,因为5分钟的单车车程,驾车要用15分钟才可完成,如车多的话更要20分钟。

最重要是英国人不会像中国人一样全力支持奥运,相反英奥主场馆四周是印度,回教徒和外国人(包括我在内)的聚居地,成功与否留待4年后分晓。

但当大家看到昨日的开幕礼,英国传媒都一致好评,這個用萬金堆出來的開幕禮的確令人感到中國人盡心盡力地、不惜一切代價做好這場表演,除四川救災外,中国人很长时间没有如此同心做一件事。这开幕礼将大家的焦点放回奥运体育比赛项目上多于连带政治关系上。

至于俗称鸟巢的北京国家体育场绝对是建筑史上的创举。鸟巢是由瑞士著名建筑师赫尔佐格和德梅隆设计,赫尔佐格和德梅隆曾在2000年夺得建筑界最高荣誉 – 普利兹克奖,亦曾负责德国世界杯主场馆 – 安联体育场。

鸟巢的结构分两部份,共91,000个永久座位是用混凝土支撑(在奥运期间座位加至110,000个) ,而屋顶则由14,000吨钢铁交差组织而成,这样使整个屋顶不用柱和梁作支撑,这亦是世界上最大的跨度的单一钢结构。设计理念是每一个结构部件互相紧扣在一些互相支持,正如中國人互相緊扣起來支持奧運.鳥巢原先方案是有一個可以開合的屋頂在中央,但為了減少屋頂的載重和結構部件之間的接合點取消了這開合式屋頂,改為全露天場館.

除减少屋顶的载重外,最大的好处其实是在消防系统上的简化。因为全室内场馆的话,虽要设立大量的抽烟喉管和抽烟系统,为避免火灾时浓烟积聚而造成伤亡。第二,钢结构最大的弱点是受热情况下会变软,造成倒塌的危险。所以一般钢结构都会在外层涂上隔热油或喷上混凝土,如全室内的话,危险性更高。从图上看,他们应该在结构上设有自动喷淋系统,令火灾时降低结构受热的程度。

为进一步减少屋顶的载重,他们特意选用ETFE作为屋顶的材料,因为ETFE只是玻璃的1 %重量。以上各样的处理减少3亿元的建造费亦节省2,000吨钢铁。

到这里我先来一个小休,因为如要了解鸟巢和水立方的设计,就必须了解ETFE和PTFE两种物料的特性,而我在英国系列中的伊甸园项目和千年穹顶作了介绍,我在此不作重复,希望大家重看我以往的博客,否则很难理解以下关于京奥的建筑。

鸟巢的结构分两部份,坐位是由混凝土支撑,而梯级形坐位部份是由预制件方式组合上去,情况好像乐高积木一样一块一块组织上去,令工程进度得以加快。现在的坐位是成35度往上斜,奥组委曾担心斜度太高容易造成危险,但如果坐位是成30度的话便会令整个场馆向外扩大14M,令山顶位的观众更难看清赛事,亦大幅增加建筑成本和时间,所以最后保留原来方案。

整个屋顶看起来是杂乱无章,但其实有把结构部件分成主,中,次三个层次,要建造整个屋顶,先打桩然后建起垂直的主要部件,跟着是建造一个临时支架,用来承抬鸟巢内环的结构部份。下一步是连接垂直主部件和内环框架,之后是加上其他横向部件。建造过程最难是移除临时支架,因为当支架移除后,整个内环部份会向下垂。如果左右,前后两边下垂程度不一的话,可以令屋顶失平衡导致倒塌。所以工程师在临时支架与内环之间加了一个油压支架,来调节屋顶下垂的程度。单是移除临时支架这步骤便用了48小时。

如大家有翻看我之前介绍过的ETFE特性时,大家会知道它的好处是又轻又隔热,而阳光可以通过但热量通不过,但ETFE的耐火性很低,只要打火机的热量便可以烧穿ETFE ,不过就不会把火焰继续漫延。但开幕礼有这么多的烟花便马上烧穿整个屋顶?

所以,开幕礼时的烟花的角度是特别调较过,而烟花的高度是比较高,务求令烟火在空气中已完全熄灭才降在ETFE之上。

但大家会发现一幕是,烟花沿着内环短距离发放,這不是會把ETFE燒穿的嗎?為求這效果,內環使用的是PTFE.PTFE的耐火性比較高而且可以用作大型投影的屏幕,所以李宁点圣火的一刻便有大型动画作背景。

讲起圣火,大家有否留意到我上一篇说过,热力可以令钢的硬度减少,尽管这些钢是特别为鸟巢研制出来的高纯度钢,但在连续16日有火燃点的情况下,一样难逃宿命,如何是好呢?方法其实很简单,火炬的位置在屋顶之上,结构是独立的而且是用混凝土建造,这样便可以避免圣火的热力影响结构的安全。

最后不得不题,建造鸟巢时有10名工人牺牲了,因为鸟巢的特别外形不能建造太多临时工作架,工人要冒险只用安全带在鸟巢的屋顶上工作,请大家为庆祝开幕礼成功的同时,不要忘记鸟巢是用中国人的性命换回来的。

明天讲水立方。




中国人民的梦- 京奥规划篇

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当大家一同欣赏京奥开幕礼时, 大家都很希望中国能成功举办奥运, 之前在圣火传递时都发生很多不愉快的事件, 希望在比赛期间能顺顺利利举行赛事, 让旅客有一个愉快的回忆.

讲起京奥的建筑, 大家都很留意鸟巢、水立方等主场馆但大家又有否留意京奥的规划. 奥运会从来都是大白象的工程, 史上只有美国阿特兰大奥运是能收支平衡. 连在1976 年举行Montreal 奥运, Montreal 市政府到今天还未清还兴建奥运场馆时所得的债项.

其实兴建场馆不用太多的费用, 政府最大的开支在于扩建道路、基础设施、机场和铁路等配套设施, 正所谓触一发动全身.

另外, 大笔的费用用在比赛后的场馆维修. 因为, 很多场馆在奥运后使用率甚低, 例如香港如不是举办马术比赛的话, 何来一个如此大型的马术比赛场地. 这一大堆空置的场馆很容易令政府流血不止, 拆卸它亦很浪费, 唯有长期空置.

今次京奥的规划真的看出中国政府办奥运的决心, 首先, 中国政府将各种场馆分为三类: 需要新建的永久场馆、需要扩建现有的场馆和需要新建的临时场馆. 新建和扩建的场馆多数在奥运后会用作国家级的运动项目或大学的运动设施. 这些设施多数是中国的强项体育项目, 相反临时场馆多数是中国比较少人参与的项目如沙滩排球、曲棍球等项目, 所以座位都是临时座位.

大家都知道鸟巢和水立方等新建的永久场馆是位于北京三环与四环之间的奥林匹克公园之内, 整个公园由BOSTON 的日借规划师Sasaki 设计, 设计理念以北京的子午线为中轴线. 左是水立方, 右是鸟巢, 一阴一阳. 水立方以北是进行体操比赛的国家体育馆和临时场馆之一- 剑击馆, 鸟巢以北是选手村. 整个奥林匹克公园以一条龙形的湖连接至公园的北部的射箭和曲棍球场两个临时场馆, 和新建的一个纲球场馆. 规划的理念是令场馆背有靠山好像故宫一样. 原来的设计, 龙形湖的尾部是连接南部的奥体中心体育馆. 关于子午线中轴, 我在故宫建城篇已提及, 我在此不再重复.

今次奥运的场馆规划考虑到在比赛后的使用情况, 所以尽量配合北京市内大学的发展, 当中8 个场馆是在8 所不同的大学之内, 让场馆在比赛之后被大学使用. 而这些场馆所举行的赛事如乒乓球、跆拳道、柔道、举重等室内项目, 所以场馆设计上的要求较为简单, 场馆空间上的弹性亦相当大, 适合大学将来使用.

这样除能确保场馆之后的使用之外, 亦有效分散人流, 避免奥林匹克公园一带的人流过度集中, 对交通造成沉重的压力. 明天讲鸟巢.