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人类历史上最大形的建筑–万里长城(汉代篇)

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在讲汉长城之前,就先为秦长城作一些补充,蒙恬当时建长城的方法其实很简单。先制好夹板,然后把泥土放入夹板之中。跟着便用大量的人力把泥土压实,便形成秦长城。由于这方法非常简单,现在中国农村亦是用这方法来建墙。之前有很多谣传,长城的底部是用人的尸骨堆叠而成的。但考古学家作了多种的考察后发现,原来长城的底部只有个别动物的尸骨,没有发现大量人类的尸骨。因为人的尸体会腐化,这会令长城的底部空间增大令结构不稳,所以如用这方法的话就不会把人的尸骨放在长城的底部。但由于建造这种长城需要极庞大的人力,蒙恬需不惜一切代价,心恨手辣地行事,所以便有民间留传关于孟姜女的故事。孟姜女的夫君在新婚之夜被强行带去建长城,而孟姜女在寒冬时四处找寻她的夫君,为他带来寒衣。但原来孟姜女的夫君早已离世,在孟姜女的大声放哭之下便哭倒八百里长城,最后投河自尽。

到汉代,匈奴一样经常来犯,而漢高祖劉邦亦曾親率大軍北上,但匈奴軍隊假裝退兵,但劉邦到達白登山之後.漢軍被匈奴的冒頓單于的四十萬精銳騎兵包圍了七天七夜,最後劉邦賄賂匈奴閼氏才得以逃出重圍,使称白登之围。此事之後,漢朝元氣大損,從此之後一直被迫與匈奴和親。但為了抵御匈奴的入侵,一边把边境居民屯田移民,而同时亦建造历史以来最长的长城,西起莆昌海,东至鸭绿江以南,全长近一万公里的长城。

但汉代主要皇帝都是与匈奴又防又和,和亲政策是常用的手法。其中有名的是汉元帝以王昭君嫁与呼韩邪单于的一次和亲,这亦是历史有名的昭君出塞。

西汉时期只有少数皇帝如汉武帝般采取精极的进攻策略,他先後派衛青和霍去病擊退匈奴,收復了河南地並出征隴西,深入匈奴兩千餘里,奪得禮連山與河西走廊,切斷了匈奴與西姜的關係,為漢朝開闢了通往西域之間的通道.之后便是历史有名的张骞出西域,经张骞的努力下建立了著名的丝绸之路。

丝绸之路是由长安作起点,经甘肃,新疆,到中亚,西亚,并联结地中海各国的陆上通道。但汉武帝深知道如要保护丝绸之路,就必须保护戈壁沙漠上各绿州的控制权,但在沙漠上是绝对不能用秦代的方法来建做长城,如何是好呢?

 汉武帝为确保丝绸之路的安全,就建立西边的长城来确保沙漠上各绿州的控制权。汉代长城的建造方式是用芦苇或柳条,加以层层铺沙修筑而成的。情况有如现代建筑方式,当建造混凝土楼板时,我们会先放入钢筋网之后才放下混凝土。由于接触点加强,这会使混凝土更为稳固。现在汉长城亦同样利用这原理,利用芦苇或柳条然后一层一层放入沙和泥土,这样便可以造出32尺高的城墙。这建设方式竟然可以令汉长城经历2000多年的风沙。所以现存在甘肃的长城部份仍是在汉代所建,但主要都是唐代的,亦是现存最古老的长城之一。

但这方法仍是需要大量的人力和物力,所以早期时汉长城不是建高而建深,一条大的坑道令马和羊都不能跳过,到后期才建立如玉门关较有规模的要塞。现存的玉门关是唐代时所修建的,现在亦只剩下玉门关的中心部份。

汉武帝此举虽然保护了丝绸之路的商队,但这是害了整个汉代的人民。因为数个重要的绿州被占领,匈奴为求水源就必须多次来犯。两国连年征战令国力大减,而汉长城亦需不停加建和修建,这令前朝积蓄被挥霍殆尽,经济遭受巨大冲击,人民生活苦不堪言,这亦导致西汉国力开始走下坡的主因。直至汉武帝发表了“轮台之诏” (即反省自已的悔过书) ,不再奉行穷兵黩武的政策,才能使汉朝不至于灭亡。




人類歷史上最大形的建築 –萬里長城(漢代篇)

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在講漢長城之前,就先為秦長城作一些補充, 蒙恬當時建長城的方法其實很簡單. 先製好夾板, 然後把泥土放入夾板之中. 跟著便用大量的人力把泥土壓實, 便形成秦長城. 由於這方法非常簡單, 現在中國農村亦是用這方法來建牆. 之前有很多謠傳, 長城的底部是用人的屍骨堆疊而成的. 但考古學家作了多種的考察後發現, 原來長城的底部只有個別動物的屍骨, 沒有發現大量人類的屍骨. 因為人的屍體會腐化, 這會令長城的底部空間增大令結構不穩, 所以如用這方法的話就不會把人的屍骨放在長城的底部. 但由於建造這種長城需要極龐大的人力, 蒙恬需不惜一切代價,心恨手辣地行事, 所以便有民間留傳關於孟姜女的故事. 孟姜女的夫君在新婚之夜被強行帶去建長城, 而孟姜女在寒冬時四處找尋她的夫君, 為他帶來寒衣. 但原來孟姜女的夫君早已離世, 在孟姜女的大聲放哭之下便哭倒八百里長城, 最後投河自盡.

到漢代, 匈奴一樣經常來犯, 而漢高祖劉邦亦曾親率大軍北上,但匈奴軍隊假裝退兵,但劉邦到達白登山之後. 漢軍被匈奴的冒頓單于的四十萬精銳騎兵包圍了七天七夜,最後劉邦賄賂匈奴閼氏才得以逃出重圍, 使稱白登之圍. 此事之後,漢朝元氣大損,從此之後一直被迫與匈奴和親。但為了抵御匈奴的入侵, 一邊把邊境居民屯田移民, 而同時亦建造歷史以來最長的長城, 西起莆昌海、東至鴨綠江以南、全長近一萬公里的長城.

但漢代主要皇帝都是與匈奴又防又和, 和親政策是常用的手法. 其中有名的是漢元帝以王昭君嫁與呼韓邪單于的一次和親, 這亦是歷史有名的昭君出塞.

西漢時期只有少數皇帝如漢武帝般採取精極的進攻策略, 他先後派衛青和霍去病擊退匈奴,收復了河南地並出征隴西,深入匈奴兩千餘里,奪得禮連山與河西走廊,切斷了匈奴與西姜的關係,為漢朝開闢了通往西域之間的通道. 之後便是歷史有名的張騫出西域, 經張騫的努力下建立了著名的絲綢之路.

絲綢之路是由長安作起點, 經甘肅、新疆,到中亞、西亞,並聯結地中海各國的陸上通道. 但漢武帝深知道如要保護絲綢之路, 就必須保護戈壁沙漠上各綠州的控制權, 但在沙漠上是絕對不能用秦代的方法來建做長城, 如何是好呢?

 漢武帝為確保絲綢之路的安全, 就建立西邊的長城來確保沙漠上各綠州的控制權. 漢代長城的建造方式是用蘆葦或柳條,加以層層鋪沙修築而成的. 情況有如現代建築方式, 當建造混凝土樓板時, 我們會先放入鋼筋網之後才放下混凝土. 由於接觸點加強,這會使混凝土更為穩固. 現在漢長城亦同樣利用這原理, 利用蘆葦或柳條然後一層一層放入沙和泥土, 這樣便可以造出32尺高的城牆. 這建設方式竟然可以令漢長城經歷2000多年的風沙. 所以現存在甘肅的長城部份仍是在漢代所建, 但主要都是唐代的, 亦是現存最古老的長城之一.

但這方法仍是需要大量的人力和物力, 所以早期時漢長城不是建高而建深, 一條大的坑道令馬和羊都不能跳過, 到後期才建立如玉門關較有規模的要塞. 現存的玉門關是唐代時所修建的, 現在亦只剩下玉門關的中心部份.

漢武帝此舉雖然保護了絲綢之路的商隊, 但這是害了整個漢代的人民. 因為數個重要的綠州被佔領, 匈奴為求水源就必須多次來犯. 兩國連年征戰令國力大減, 而漢長城亦需不停加建和修建, 這令前朝積蓄被揮霍殆盡,經濟遭受巨大衝擊, 人民生活苦不堪言, 這亦導致西漢國力開始走下坡的主因. 直至漢武帝發表了”輪臺之詔”( 即反省自已的悔過書),不再奉行窮兵黷武的政策,才能使漢朝不至於滅亡.




人类历史上最大形的建筑–万里长城(秦代篇)

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秦代当时的首都是咸阳,离西安2500公里。咸阳位于黄河河套以南,但黄河分流流经的地方,而西是西藏高原,戈壁沙漠,北有横山等多种山脉作天然屏障。因此,咸阳和西安一带土地肥沃,战事上比较安全,而西安(即古代的长安)一直以来都是中国皇朝的首都热门地,所以西安被称为十朝古都。 (当然有人称十一朝,十七朝古都,但要视乎皇朝的定义。 )尽管长安是比较安全,但黄河以北就相对危险,匈奴什至可以沿着沙漠上的绿州,越过沙漠向秦国进攻。

当蒙恬当时带领30万兵将匈奴赶至塞外,收服内蒙古河套一带,秦始皇要求蒙恬留下来,连接燕,赵,秦5000余里旧长城,

秦長城可大致分為西段和北段。西段起甘肅,循洮河北至臨洮縣,經定西縣向東北至寧夏固原縣、甘肅環縣、陝西靖邊、橫山、榆林、神木,然後向北折至今內蒙古托克托南,抵黃河南岸。北段即黃河以北的長城沿陰山西段的狼山,向東至大青山北麓,再向東經今內蒙集寧、興和至河北尚義,再向東北經今河北張北、圍場,再向東經撫順、本溪後向東南,終於朝鮮清川江入海處。

长城除为没有天然屏障的地方如东北三省和北京以北一带,提供防御屏障外,还作了一个重要军事功能,就是通讯。一个这么大的长的防线,如何防守?就算要防守都需要大量的兵力,而峰火台的监察便有效能观察远处的敌人,所以长城很多时都建在山脊之上。万一敌人来犯便点燃狼粪通知大家,狼粪的多少代表敌人的数目。于是军队便可以集中兵力在一处抵敌,这样对兵力的要求便可以大减。

虽然秦长城有32呎高,但其实是不能抵抗敌人,敌人要爬上3层楼高的长城是没什么难度。但长城的第一个防御功能是防马,因为人可以爬上3层楼高的长城,而马不可以跳上3层楼高的长城。在古代战争中人力是其次,以马力为主。没有马移动力,运输力都大减,亦不能高角度进攻。

长城的第二个防御功能是防羊,外敌的主要粮食是羊肉,而羊奶亦是他们生活的饮料之一。若有长城的话,外敌根本不可能只用人力把数千头羊运过长城。这样进攻唯一的方法,就是先把长城上的人杀光,然后攻破城墙把马和羊从破洞运过去,令外敌在攻击上的难度大增

长城的最大作用是提升士兵的作战力,除峰火台的通信外,士兵可以从高角度放箭。若在地面放箭,只能射中首排的敌人。若从高角度放箭的话,便可以射到前,中,后排的敌人,令秦兵力量大大提高。

明天继讲秦,汉长城。




人类历史上最大形的建筑–万里长城(外敌篇)

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大家都知道万里长城的功能是用来防御外敌,历史以来长城都是战事频繁的地方,所以有血肉长城一词的出现。

但是大家有否想过外敌为何要攻击中国?为何长城只在北方,而南方没有的?

中国历史以来的战争多数都是南征,北伐相对而言是非常少,如果我沒錯的話,歷史以來能從南方向北攻上,而又能一統中國的應只有漢高祖劉邦、明代朱元章、蔣介石三人是從南方開戰而一統中國.

第一,在古代要千军万马渡长江,黄河并不是一件易事。

第二,没有这需要,因为长江以南地方土地肥沃,适易耕种的土地多的是,人民根本不用为粮食和食水问题而开战。如不是影响他们生活的情况下,南方人根本不想离开家园和人并命。正所谓,山高皇帝远,我有我天地,不理皇帝是姓李还是姓朱,若南方人满足生活上的所足又怎会北伐,因此北方人很少担心南方人来犯。

相反在塞外的外敵如突厥(即現在的新疆、土耳其、阿塞拜疆、哈萨克、烏兹别克斯坦人) ,匈奴,西夏(羌族) ,女真族人(满族,金人) ,辽(契丹)和蒙古。大多都是游牧民族为主与汉族的农耕社会体系截然不同。

这些外族都旅居在黄河以北的塞外地区,气候寒冷和干燥,农作物难于生长。尽管女真族和契丹族旅居的东北三省有黑龙江提供足够的水源,但零下20多度的冬季,又怎能适合农作物生长。

至于蒙古,由于是内陆地方的关系,欠缺河流只有一些湖,所以欠缺昆虫和动物为植物传播花粉,一切生果,疏菜,稻米都大不能在蒙古生长。因此蒙古是最多的植物是草,因为草是用风传播花粉。

至于突厥,匈奴和西夏的旅居地是新疆,甘肃,青海一带,由于邻近戈壁沙漠而且比蒙古更加内陆,农作物更不适合生长,只有根部植物如薯仔(土头儿)和蕃薯才比较适合生长,水源方面更可能只靠绿州。

从以上的天然的条件看,他们都唯有以游牧民族方式生存,当这区的草被羊群吃完,便要迁居,另觅水源和草原。但万一当地的资源欠缺时,为求生存便自然便向四周攻击。若你是游牧民族,第一不会向俄罗斯北攻;向东北韩的情况与你相若,没有进攻的价值,向西是戈壁沙漠或西藏高原,进攻就等如自杀;南下是最正路的做法。

所以,中国自秦朝至清朝都有外族的侵略,而历代只有少数天子如汉武帝,成吉思汗般,向东,西两边扩展版图,因为所得的土地不是有太高的价值,但开战的代价很大。基于这因素,历代天子甚少北伐攻击外族,只把他们赶至塞外并建长城来防护。现实的是,外族是游牧民族为主,若要攻击都不知攻击那一点。

明天讲万里长城的建造方式。




人類歷史上最大形的建築 –萬里長城(外敵篇)

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大家都知道萬里長城的功能是用來防禦外敵, 歷史以來長城都是戰事頻繁的地方, 所以有血肉長城一詞的出現.

但是大家有否想過外敵為何要攻擊中國? 為何長城只在北方, 而南方沒有的?

中國歷史以來的戰爭多數都是南征, 北伐相對而言是非常少, 如果我沒錯的話,歷史以來能從南方向北攻上,而又能一統中國的應只有漢高祖劉邦、明代朱元章、蔣介石三人是從南方開戰而一統中國.

第一, 在古代要千軍萬馬渡長江、黃河並不是一件易事.

第二, 沒有這需要, 因為長江以南地方土地肥沃, 適易耕種的土地多的是, 人民根本不用為糧食和食水問題而開戰. 如不是影響他們生活的情況下, 南方人根本不想離開家園和人併命. 正所謂,山高皇帝遠, 我有我天地, 不理皇帝是姓李還是姓朱, 若南方人滿足生活上的所足又怎會北伐, 因此北方人很少擔心南方人來犯.

相反在塞外的外敵如突厥(即現在的新疆、土耳其、阿塞拜疆、哈萨克、烏兹别克斯坦人) 、匈奴、西夏(羌族)、女真族人(滿族、金人) 、遼(契丹) 和蒙古. 大多都是遊牧民族為主與漢族的農耕社會體系截然不同.

這些外族都旅居在黃河以北的塞外地區, 氣候寒冷和乾燥, 農作物難於生長. 儘管女真族和契丹族旅居的東北三省有黑龍江提供足夠的水源, 但零下20多度的冬季, 又怎能適合農作物生長.

至於蒙古, 由於是內陸地方的關系,欠缺河流只有一些湖, 所以欠缺昆蟲和動物為植物傳播花粉, 一切生果、疏菜、稻米都大不能在蒙古生長.因此蒙古是最多的植物是草, 因為草是用風傳播花粉.

至於突厥、匈奴和西夏的旅居地是新疆、甘肅、青海一帶, 由於鄰近戈壁沙漠而且比蒙古更加內陸, 農作物更不適合生長, 只有根部植物如薯仔(土頭兒) 和蕃薯才比較適合生長, 水源方面更可能只靠綠州.

從以上的天然的條件看, 他們都唯有以遊牧民族方式生存, 當這區的草被羊群吃完, 便要遷居, 另覓水源和草原. 但萬一當地的資源欠缺時, 為求生存便自然便向四周攻擊. 若你是遊牧民族,第一不會向俄羅斯北攻; 向東?北韓的情況與你相若,沒有進攻的價值, 向西是戈壁沙漠或西藏高原, 進攻就等如自殺;南下是最正路的做法.

所以, 中國自秦朝至清朝都有外族的侵略, 而歷代只有少數天子如漢武帝、成吉思汗般, 向東、西兩邊擴展版圖, 因為所得的土地不是有太高的價值,但開戰的代價很大. 基於這因素, 歷代天子甚少北伐攻擊外族, 只把他們趕至塞外並建長城來防護. 現實的是, 外族是遊牧民族為主, 若要攻擊都不知攻擊那一點.

明天講萬里長城的建造方式.




人类历史上最大形的建筑- 万里长城(误解篇)

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大家都知道万里长城是中国最大形的建筑,亦是国家一级保护的文物。但万里长城其实亦是人类历史上长度最长,占地面积最大,重量最大的建筑,这当然是世界文化遗产之一。

但世人对万里长城有不少误解

第一误解:万里长城不是秦始皇建的

最早期的长城是在春秋战国时所见,大约2700多年前。长城早期由秦,赵,燕三国都有兴建各自的长城,主要是为防御匈奴的来犯。当秦一统六国后,秦始皇便连接秦,赵,燕三国的长城,当时的长城从临洮到辽东的绵延万里,所以取名“万里长城” 。除秦代之外,长城主要都在汉代和明代都作大规模复修,现存的长城主要是明代时所建的。

 第二误解:万里长城不是10万里长

万里长城从地图上估计量度只有7,600公里(千米) ,即14,600华里,但在1900年,有人徒步跑完整条长城,用计步器计算,长城只长6700公里。

但是根据长城专家罗哲文的计算,由于长城不只是一道,而且弯弯曲曲,高高低低。所以,在汉代的长城,的确可能有过万公里,但在秦代就没有过万公里长。

第三误解:万里长城不是东起山海关,西至嘉峪关

万里长城是东起鸭绿江边的虎山长城,鸭绿江是位于北朝鲜与中国交界附近,虎山長城於遼寧省丹東市寬甸滿族自治縣虎山鎮虎山村,是明長城的東端起點。在明代主要是用來防禦滿清,所以自满清入关后,虎山长城便日久失修,现在不容易发现。

山海关之所以成为天下第一关,是因为山海关控制着由北京通往东北的要冲 – 辽西走廊,而嘉峪關則位于祁連山與龍首山之間的狹窄隘口,控制河西走廊,為明長城最西端關口,亦是“丝绸之路”的交通要衝,所以有“天下第一雄关”之称。

明天待续。




人類歷史上最大形的建築 – 萬里長城(誤解篇)

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大家都知道萬里長城是中國最大形的建築, 亦是國家一級保護的文物. 但萬里長城其實亦是人類歷史上長度最長、 佔地面積最大、重量最大的建築, 這當然是世界文化遺產之一.

但世人對萬里長城有不少誤解

第一誤解: 萬里長城不是秦始皇建的

最早期的長城是在春秋戰國時所見, 大約2700多年前. 長城早期由秦、趙、燕三國都有興建各自的長城, 主要是為防禦匈奴的來犯. 當秦一統六國後, 秦始皇便連接秦、趙、燕三國的長城, 當時的長城從臨洮到遼東的綿延萬里, 所以取名” 萬里長城”.除秦代之外,長城主要都在漢代和明代都作大規模復修, 現存的長城主要是明代時所建的.

第二誤解: 萬里長城不是10萬里長

萬里長城從地圖上估計量度只有7,600公里(km), 即14,600華里, 但在1900年, 有人徒步跑完整條長城, 用計步器計算, 長城只長6,700km,.

但是根據長城專家羅哲文的計算, 由於長城不只是一道, 而且彎彎曲曲、高高低低. 所以,在漢代的長城, 的確可能有過萬公里, 但在秦代就沒有過萬公里長.

第三誤解: 萬里長城不是東起山海關、西至嘉峪關

萬里長城是東起鴨綠江邊的虎山長城, 鴨綠江是位于北朝鮮與中國交界附近, 虎山長城於遼寧省丹東市寬甸滿族自治縣虎山鎮虎山村,是明長城的東端起點。在明代主要是用來防禦滿清, 所以自滿清入關後, 虎山長城便日久失修, 現在不容易發現.

山海關之所以成為天下第一關, 是因為山海關控制著由北京通往東北的要衝——遼西走廊, 而嘉峪關則位于祁連山與龍首山之間的狹窄隘口,控制河西走廊,為明長城最西端關口,亦是“丝绸之路”的交通要衝, 所以有“天下第一雄關”之稱。

明天待續.




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.




中國人民的夢 – 水立方篇

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講起水立方, 它當然是建築工程科技的另一大創舉, 我之前都有介紹過京奧的規劃, 鳥巢是圓, 水立方是正方形, 正所謂天圓地方, 一陰一陽的理念.

水立方有17,000個坐位, 但在奧運後便減至6000個坐位以減低維修成本. 近日當大家收看比賽時都知道水立方是有一個遊泳池、一個跳水池. 水立方最大的特點當然是外牆, 設計的理念是當然是H20, 由水份子組織成的比賽空間. 如要製造這樣的屋頂就只可用ETFE一種物料, 因為只有ETFE才可造到不規則的圖案而只需要很幼的結構支架. 而加上設計的理念是希望整個場館在日間時是接近全用自然光照明, ETFE正好能提供高透光度而隔熱度強的屋頂物料, 這正好配合環保奧運的主題.

如大家有看我在英國EDEN project和之前鳥巢的blog, 便會知道ETFE的特性. 儘管ETFE只是玻璃的1%重量, 但沒柱沒樑而117m的跨度的情況下, 仍是一個非常大的挑戰. Eden project的跨度都只是50-60m而且是圓拱形的結構, 相對水立方而言是比較簡單, 而且一個正方形的全ETFE結構在世界從未發生過.

照常理,如要有117m的橫跨度的話,應用圓拱形結構. 但今次因為要挑戰技術上的極限, 負責這工程的澳洲PTW建築師和Arup結構工程師使用了如峰巢的六角形結構, 因為峰巢的結構是全世界最堅固、最輕的結構之一. 而水立方的結構框架比Eden project明顯加強, 但問題是整個水立方是成不規則的六角形圖案, 所以不能先在工廠製作預制件然後到現場安裝.

單是屋頂便有數萬個連接點, 整個水立方的構件總數近30,000個, 而構件與構件之間的距離不能錯, 否則便影響其他六角形構件. 所以每天只能連接數十條構件, 工程師在2006年時說按現在的進度至2010年還未能完成. 最後如何解決呢?

另外, 我在Eden project提及過,ETFE最大的壞處之一是低隔聲效能, 所以室外的汽車噪音問題和下雨時的聲浪又如何解決呢?

續上會, 為方便連接各部件, 工程師設計了使用連接球(Node)來連接各鋼部件(frame member), 但始終工程進度很慢, 一定不能在08年前完成. 在某一天特然數位燒焊師傅一同討論如何提高進度時, 便想出一個驚人的創舉, 他們建議先把Node 和frame member先在地上連接, 然後便運上大樓連接其他部件, 每次燒焊都只用調教一個frame member. 情況好像先把frame member與Node連接成火柴枝一樣, 燒焊時方尾接圓尾, 每次只用調節一個frame member的角度, 不用像先前一樣用一個node point來同時連接三個frame member, 並需同時調較三個frame member.

此舉便把工程進度大幅提高三倍,300燒焊工人同時開工, 高峰期可以每天可完成200個構件, 相對以往每天數十條, 的確大大改善了.

最令人驚訝是, 用這樣的燒焊方式令屋頂的中央部份只下沉81mm, 比設計時預計下沉240mm, 有大大的改善. 這不單可以確保外形成正方形, 而且亦可防績水的問題, 因為整個水立方的屋頂是沒有水坑只有一些少的排水管.

要解決隔音的問題的責任落在清華大學身上, 一般的ETFE最多只做三層, 通常只做一層但水立方為解決隔音的問題做了四層來隔聲, 如只做一層的話, 當下雨時室內好像萬人打鼓一樣, 做了四層雖然有所改善但來自結構震動的聲音(Structural bounding)仍是很難解決, 清華大學設計了一系列的吸震器來解決Structural bounding這問題, 當清華完成這設計連廠商都來抄襲我們的設計, 因為直至現在發明這物料的廠商根本沒有這技術解決這問題.

最後的問題是光的問題,ETFE是高透光度的物料, 它可以令水立方90%時間都用自然光但ETFE同樣是高反光的物料, 所以天黑的時候如開燈的話很難控制反光效果, 對運動員、觀眾和電視直播都是一件壞事. 解決的方法是不解決, 水立方室內只用像太陽光線的太陽燈, 然後讓光線四處反射, 營造自然環境四周有自然光的效果, 燈的位置和強度當然經過精密設計, 但理念是很簡單.

外牆的燈光效果當然是用紅、藍、綠三個LED燈造成的, 所以只要調節紅、藍、綠的比例便可以製造不同的效果, 但問題是光線不只是從ETFE射出室外亦同時射進室內, 所以跳水台背後加了一道牆來阻隔光線.

水立方和鳥巢開創了不少工程上的先河, 亦成了很多人的實驗室. 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。