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出品|網易新聞
作者|須臾千秋，清華大學土木工程博士
如果說在21世紀的北京，最能體現城市風格的建築是國家體育場「鳥巢」的話，那麼最能體現城市格調的建築，恐怕一定要數國家遊泳中心「水立方」了。如此巨大的一棟建築，竟然讓人覺得輕盈如泡沫，又精致如水晶。可以說，這座靈動的建築為古都北京帶來了一股後現代風。
12月26日，北京市重大項目建設指揮辦公室對外宣布，即日起啟動對水立方的改造，變身「冰立方」以滿足2022年北京冬奧會測試賽的需求，整個永久設施改造任務將於2020年7月完成。距離2008年北京奧運會已經過去了10年時間，作為其標誌性場館的水立方究竟隱藏著哪些建設技術上的「秘密」，我們一起來揭開。
建築難度高出「親兄弟」鳥巢一個數量級！
水立方最吸引人的地方，當然是它晶瑩剔透的藍色薄膜「泡泡」。但這些「泡泡」本身並不能承重，它們起到的是建築的封閉和圍護作用。
這些「泡泡」，其實並不是獨立的薄膜，而是在這些鋼網架的外側和內側分別填充的四氟乙烯聚合物薄膜的氣枕。
「泡泡」之間的棱是由鋼管組成的鋼網架，這些鋼網架才是真正承擔受力、支撐起水立方牆面和屋頂的核心要素。
網架的下部座落在厚重的鋼筋混凝土結構上。這種結構穩定性強，因此作為水立方的基礎。
而比賽用的泳池則與外部結構完全脫離，在主體結構的內部採用獨立結構，減少主體結構中人員活動、溫度變化等因素對泳池的影響，保障比賽環境的穩定。
可以說，水立方是人類最高建築科技的結晶。它上面的每一個晶瑩的「泡泡」都來之不易。不和普通建築比，就是比起它的「親兄弟」鳥巢來，水立方的複雜程度也要高上一個數量級。從鋼骨架的結構建設到最終薄膜的清潔，幾乎每一步都是一個不可能完成的任務。
取法於自然的氣泡疊加鋼膜結構，遠超出地球人的經驗范疇
盡管模擬氣泡疊加的鋼膜結構設計十分精妙，但到水立方的修建時，地球上還從未有人試驗過，它超出了整個人類的經驗范疇，可謂是「開天辟地」的結構形式。
更何況，水立方主體鋼結構總共有1.2萬個承重節點，鋼構件總數有30513個，其中球節點9843個，桿件20670根，這些構件幾乎每個都不相同，構造極其複雜多樣，形狀極不規則，定位極難控制，安裝十分複雜，焊接要求極高。任何一個零件的誤差超限，都會使得整個結構無法安裝成功。
鋼網架的設計是模擬了擠在一起的氣泡，再經過調整形狀而形成的。這種模式取法自然，在自然界中，細胞組織單元的排列、水晶的礦物結構和肥皂泡的天然構造都是這種形式。雖然整體的形狀富於變化，但實際上每個基本氣泡單元的幾何尺寸固定為7.211米，這樣可以使得重復的單元盡可能多，鋼材的利用效率最大化。
更絕妙的是，填充在鋼網架中間的氣枕可以天衣無縫地結合在一起，不會產生鋼結構與膜結構相互干擾的問題。
為完成高難度焊接，向造船廠要焊工
但是這樣一來，就給測量和誤差控制帶來了很大的挑戰，還必須要有技藝精湛的焊工才能完成這樣高難度的焊接。但在12年前，中國的高級技工非常緊缺。在第一次焊工考試中，100人，合格的只有10人。為此，項目組四處招兵買馬，甚至向壓力容器製造企業和造船廠求援，最終終於集結了300名優秀焊工，「精英團隊」攻堅克難，從最初每天安裝十幾個、幾十個構件，到最後日最高記錄達到了270個構件。
「火柴棍」式的拼裝模式，加快建造速度
為了保證精度，在施工之初，工人們採用了小單元組裝的方式。他們先在地面上拼裝出小單元體，再將其裝配到結構中。但是，這樣的安裝方式太慢了，即使到開奧運會的那一天也安裝不完。工人們於是發明了一球一桿的最小單元拼裝模式，也就是「火柴棍」式的拼裝模式，大大加快了建造速度。
「塑膠之王」國產化，開啟了一種全新的建築形式
完成了鋼結構網架的安裝後，就開始向網架中填充氣枕，也就是安裝「泡泡」。這種氣枕材料名叫「ETFE」，中文名叫「四氟乙烯共聚物」。它熔點高、耐腐蝕、不易破損、無毒無害，而且還有自潔功能，這對於無法經常打理的建築材料而言是難能可貴的，因此，這種材料又被叫做「塑膠之王」。
在水立方中，這種建築材料最大的亮點就在於它的透光率可以調節。在ETFE膜表面印刷不同的圖案，可以改變進入室內的陽光和熱量，最大限度地利用光能的同時，又不破壞室內的舒適環境。
做成氣枕後，其熱傳導效率極低，隔熱性能好，室內冬暖夏涼，不受外界環境干擾。對於水立方來說，這是一種非常出色的建築材料。
但在水立方修建的2006年，具有ETFE生產能力的國家只有日本、美國和德國，而具有ETFE膜工程深化設計和施工能力的廠商則幾乎全集中在德國。在國內則從生產到施工完全是一片空白。因此，國產化勢在必行。
通過引進外國技術、在中國設廠的方式，我們的工程師們一方面如期生產出了ETFE薄膜，滿足了水立方工程的按期完工；另一方面也掌握了ETFE的加工、安裝技術，在行業中占有了一席之地。
在水立方之後，採用相似技術的建築如雨後春筍般湧現。可以說，水立方的成功不僅僅意味著一座水立方，而是在中國開創了一種全新的建築形式，創造了一個蓬勃發展的市場。
奧運結束了，水立方就閒置了？並不是
與兄弟建築鳥巢一樣，水立方也契合綠色奧運主題，節能減排。比如，奧運會期間的電力消耗很大，如果單純配置永久供電，奧運結束後必定會造成閒置和浪費。為了同時兼顧奧運使用和賽後節能，水立方採用了永久系統和臨時系統相結合設計，賽中同時工作，賽後關閉臨時系統，節約能源。
在建築環境方面，因為採用了自然通風及空腔通風等措施，水立方每年可以少消耗一百多萬度電。此外，由於ETFE材料本身的透光性能很好，自然光的利用效率極高，因此在照明和采暖兩方面的能耗遠低於一般建築。
薄膜如何能抗住北京的夾著沙子的大風？
解決了材料，建造過程又出了難題。北京是個多風的地方，每年秋天的狂風夾著沙子，從西伯利亞吹打到薄膜上；到了冬天，薄膜又要面對積雪的重壓。即使是ETFE薄膜身強力壯，也深感壓力山大。想要加強薄膜，國外通常採用加強鋼索的方法。
加強鋼索附著在氣枕表面，將氣枕分割為幾部分來分擔壓力，確實可以起到很好的加強效果。但這樣一來，整個水立方晶瑩圓潤的外觀就被破壞了。因此，我們的工程師選用了新的做法，在風壓超大區域的ETFE氣枕外側增加一層250微米厚的透明附加膜作為加強措施。它與ETFE薄膜「戮力同心」，抵禦外部荷載。
水立方這座建築，為北京城帶來了一股江南水鄉的清新。或許在當時水立方是中國建築史上最難的建築之一，但也一定會有越來越多的更有挑戰性的建築湧現出來，工程師們也在不斷突破，創造更多奇跡。