绿色建筑新典范——“水立方”

　　摘要：国家游泳中心又被称为“水立方”，是世界上规模最大的膜结构工程，也是21世纪我国节水、节能、节材的绿色建筑的典范。
　　关键词：水立方，绿色建筑，膜结构，节能
　　
　　国家游泳中心又被称为“水立方”（WaterCube），位于北京奥林匹克公园B区西南角，是北京为2008年夏季奥运会修建的主游泳馆。“水立方”建设用地62950平方米，总建筑面积79532平方米，建筑物檐口高度31米，基底面积177米×177米，标准座席17000个（其中临时座席约13000个，永久坐席4000个），2003年12月24日开工，在2008年1月28日竣工。
　　这个设计的灵感来自于水分子结构和肥皂泡，也是中国传统文化和现代科技的共生产物。古人云：没有规矩不成方圆。在中国传统文化中，“天圆地方”的设计思想催生了“水立方”，它与圆形的“鸟巢”——国家体育场相互呼应，一方一圆、一蓝一红相得益彰。与主场馆“鸟巢”的设计相比，“水立方”体现了更多的女性般的柔美，一个阳刚，一个阴柔，形成鲜明对比，在视觉上极具冲击力。
　　神奇的膜结构
　　“水立方”最大的特点在于它的膜结构，虽然占地7-8公顷，建筑主体却没有使用一根钢筋一块混凝土，整个水立方工程都是用细钢管连接而成的，杆件多达2.2万根，有1.2万个节点。仅0.24mm厚的淡蓝色ETFE薄膜气枕像皮肤一样包住整个建筑，使水立方散发出一种高贵优雅的气质。水立方的内外立面共由3000多个不规则的气枕组成（其中最小的不足1平方米，最大的达到9平方米），覆盖面积达到11万平方米，展开面积达到26万平方米，堪称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。
　　水立方所使用的ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）是世界上最先进的环保节能膜材料，这种最早用于航天科技的坚韧材料具有很多优良的特性：抗撕拉极强、抗张强度高、高阻燃性、低烟、透光率高，以及出色的抗冲击能力和较长的使用寿命。ETFE充气后，每块膜都能承受一辆汽车的重量，此外，膜的耐火性、耐热性都很明显，因ETFE是含氟化合物能阻隔氧气，即便被点燃，这种材料在也只会熔化而不会燃烧扩散，并且几乎没有烟，也没有燃烧物落下，形成的窟窿还方便人们逃生。跟玻璃相比，ETFE膜不但安全可靠，还可以透进更多的阳光和空气，从而让泳池保持恒温，能节电30%，同时大幅降低整个建筑的重量，这么大体量的公共建筑仅6700吨，这不能不归功于ETFE这种膜结构。
　　在水立方出现之前，英国康沃尔的伊甸园生物圈和德国慕尼黑安联体育场也都使用过ETFE膜材料，安联体育场同样使用气枕式外墙，但与水立方相比，两者的区别在于，安联体育场的气枕覆盖面积为仅为水立方的60%，并且使用的是规则排列的单层气枕，而水立方则是双层气枕，且几乎没有形状相同的两个气枕。
　　新型的绿色环保设计
　　1、节水：
　　作为国家游泳馆，“水立方”自然是奥运场馆中的用水大户。为了保证“水立方”能够达到良好的节约效果，工程师还专门设计了雨水收集系统、中水回用获取净水系统及降低自来水消耗系统和减少废水排放系统。这些系统的运用可使“水立方”每年收集雨水约1万吨、洗浴废水7万吨，游泳池用水6万吨，建筑物所需的绿化、冷却塔补水、护城河补水、冲厕、冲洗地面等用水则全部通过废水回用解决，每年减少废水排放量14万吨。
　　收集和循环雨水，这是充分体现“水立方”绿色设计思想的一个技术亮点，在“水立方”约3万平方米的房顶上专门设计了一套雨水收集系统，将使雨水的收集率达到100%，全年收集雨水约1万吨，相当于北京100个居民家庭的一年用水量。雨水从房顶汇集到“水立方”南广场的中心储蓄池内，经过初期弃流——调蓄——消毒等再回用，如供给空调冷却水补水、冲洗场馆和室外景观用水等。中水回用也是充分体现“水立方”绿色设计思想的另一个技术亮点，运动员洗浴后的废水、游泳池循环净化后排出的废水等，经过生物接触氧化过滤再用活性炭吸附并消毒后，将用于场馆内便器冲洗、地面冲洗以及室外绿化灌溉，仅此一项每年就可节水4万吨以上。
　　同时，为了提高净水系统运行效率，降低电力消耗和净水药剂的使用量，泳池换水全程采用自动控制技术，可以节约泳池补水量50%以上。为尽可能减少人们在使用场馆时对水的浪费，“水立方”内的面盆、沐浴龙头、便器等设备均采用感应式的冲洗阀，合理控制洗具洁具的出水量，预计可以节水10%左右。此外，为了减少水的蒸发量，“水立方”的室外绿地将在夜间进行灌溉，采用以色列的微灌喷头，建成后可以节约用水5%。这一点，也在“鸟巢”工程中得到了充分体现。
　　2、节能：
　　为减少二氧化碳的产生，“水立方”在设计中刻意减少了电的使用。除了利用太阳能电池供电外，在自然光的利用上，由于“水立方”采用了透明的膜材料和相应的技术，使得场馆每天能够利用自然光的时间达到了近10小时，一年下来，8万平方米的“水立方”将节约50%的照明能源。
　　“水立方”双层膜的结构形式也是非常节能的，分布在ETFE膜上的几亿个镀点，起到散光隔热的作用，能有效调节进入室内的光线，把多余的热量挡在场馆之外，保证场馆的温度和采光，并且使酷热天气里的“水立方”不会成为巨大的“温室浴场”。工程师们还根据建筑内不同的功能分区，制作不同薄厚的镀点，如人们集聚的区域使用外层55-60%厚镀点、内层20%薄镀点的ETFE膜。正是这一把把神奇的小遮阳伞，使“水立方”的空调降温费降低了40%。
　　为了使气枕墙保持衡定的压强，“水立方”被分成了18个充气区，每个区的充气管道都由粗到细分成好几个等级，就像人体的血管网一样，并且每个区都有自己的风扇，感应器根据气枕压强控制风扇开关，充气所需的电能仅和一个冰箱差不多。“水立方”内的节能系统还对对废热进行回收，利用空调余热对池水加热，热回收冷冻机的应用一年将节省60万度电。还有现代化消防装置为建筑量身定做，比常规设施节约74%。
　　3、节材：
　　“水立方”建筑面积达8万平方米，整个建筑主体都是用细钢管连接而成的，杆件多达2.2万根，连起来总长约有90公里，但总重量却只有6700吨，重量轻、跨度大、稳定性好，是“水立方”钢结构的特点和优势所在，这就得益于“水立方”肥皂泡的设计灵感。“气泡理论”所要解决的是三维空间内各部分接触的表面积最小问题，对于钢结构来说，就是所用的材料最少。“水立方”的钢结构根植于这种组合形式，使其所用的钢材数量大为减少，但稳定性却非常好，这是因为这种结构形式本身就是一种很稳定的结构形式，已经经过了自然界的验证，设计师无需做太多调整工作，就能达到理想的效果。
　　结语：
　　通过“水立方”，我们看到了建筑科技与艺术的完美结合，也看见了一个节能环保的绿色建筑新典范。高新技术和新型材料的使用使它充满现代科技感，无处不在的节能设计体现着环保、绿色的理念，每一个细节都传承着以人为本的精神，水立方正是“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”三大理念的最好诠释。
　　
　　参考文献：
　　[1]孙黎,周铁涛,李娟.“水立方”中的膜结构——ETFE[J].力学与实践,2008,(03).
　　[2]傅学怡,顾磊.国家游泳中心结构设计[J].建筑结构,2006,(6).
　　[3]徐文毅.水立方多面体空间刚架结构与ETFE膜结构探讨[J].武警学院学报,2009,(8).

《绿色建筑新典范——“水立方”》

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