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为了迎接2008年北京奥运会，北京市政府在北京北侧征地并建立国家奥林匹克公园，其中国家游泳中心（俗称为水立方）位于奥林匹克公园 B 区西，其主体建筑紧邻城市中轴线，并与国家体育场相对于中轴线均衡布置，工程占地 62828平方米，奥运会时用于游泳、跳水、花样游泳和水球决赛，赛后将成为多功能的大型水上运动中心，既可举办大型的国际国内水上比赛又能为公众提供水上娱乐、运动、休闲和健身服务等。中心内包括游泳池、跳水池、热身池、嬉水乐园、餐饮、电影院、娱乐私人俱乐部等。
水立方的设计建设由中国建筑工程总公司为牵头，联合国内外多家知名设计设计、施工单位共同承担水立方项目的设计和建设任务，在该项目的设计、建设过程中遇到了很多技术难题，但最终都得到了有效的解决，水立方项目获国家授
权发明专利5项、实用新型专利7项、国家级工法两项，在国家一级出版社出版专著 4本、国内外核心期刊发表学术论文85篇。
为了更好的了解水立方项目中的相关创新技术，以便于同行业之间的学习交流，本文特以《北京奥运会游泳馆水立方的创新技术总结》为毕业课题，对水立方项目中涌现出的创新技术进行总结。
二、北京奥运会水立方项目简介
水立方游泳馆的建设完满的完成了为奥运会提供竞技场所的任务，从整体而言，水立方游泳馆在国内外无先例可参考、无规范可遵循前提前，秉持脚踏实地的精神和自主创新的意识，成功地开发了世界首创多面体空间刚架结构体系。
水立方游泳馆的设计团队为中建国家游泳中心设计联合体，该组织共4家单位组成，中国建筑工程总公司为牵头单位，负责整个设计工作的协调以及与外界的沟通和联络。同时，中国建筑工程总公司对整个项目的设计工作承担主要的责任和风险，外方设计人员主要为澳大利亚PTW公司和ARUP公司。其中PTW公司具有丰富的奥运会设计经验曾经参与过悉尼奥运会游泳馆、雅典奥运会游泳馆和其它奥运工程的设计工作，强大的设计研发团队为水立方游泳馆的建设提供了充足的动力。
水立方游泳馆的在设计阶段就借鉴了国际上以往的奥运会场地在赛后荒废的教训，充分考虑了在满足比赛需求之外，在赛后要充分发挥其社会功用，制定了赛后通过适当改造，就可以打造成北京最大型的、最全面的市民水上游乐中心的方案。对赛场北侧的临时座椅拆除可形成独立的高级水上健身会所，对南侧的临时座椅拆除后可形成连接东侧主场轴线与西侧商业区的室内步行街，以人造冲浪海滩为主体，围绕其建设水上娱乐、健身、培训等设施，它将是奥运匹克公园附近重要的城市休闲娱乐中心。
三、水立方馆结构设计创新
（1）水立方馆结构设计创新
水立方馆的结构体系是基于三维空间的最有效分割模型，结构设计的灵感来源于Kelvin的“泡沫”理论，此结构模型自然界中普遍存在.例如水晶的矿物结构,以及肥皂泡沫的天然构造等，但是，鲜有人将水泡的结构应用到大型建筑结构的设计尺度，这种独特设计会给人一种神秘的美感。
水立方馆是世界上首次采用不规则多面体空间钢架结构的建筑物，在国际上填补了该项的技术空白。
这种多面体钢结构的设计是建立在高度重复的基础上的，每个阵列组成的无限空间内部只包含三个不同的表面、四种不同长度的边线和三种不同的节点，这种结构上的高度重复无疑有利于对空间结构的建造。同比于普通网架结构中单个节点汇交杆件最少的蜂窝型三角锥网架为六根，这种新型空间结构体系具有节点汇交杆件少的明显特点，每个节点的汇交杆件仅为四根。
因此，基于多面体理论的新型空间结构体系具有构成简单、重复性高、汇交杆件少、节点种类少等特点。
除了以上优点外，此种新型空间结构构件的受力状态介于汇交力系的网架结构和刚性连接的直腹杆空腹桁架之间, 既不同于汇交力系网架的二力杆,也不同于空腹桁架的纯弯杆, 而表现为类似空腹网架的刚接梁 。杆件同时承受弯曲 、剪切 、拉压等作用 ,弯曲应力与轴向应力的比值在不同区域 、不同位置还有所变化。相比汇交力系的二力构件，新型空间结构具有更好的延展性。水立方馆多面体钢结构如下图1所示：
图1.水立方馆多面体钢结构
（2）水立方馆结构施工创新
在对水立方钢结构的建造施工中，经过多次讨论，除了总结以往的施工经验外，及时收集最新的反馈，适时地优化施工策略，最终制定了先进行墙体的施工, 形成受力支撑后, 再进行屋面钢结构的施工的水立方多面体钢结构施工的总原则，具体每一层的施工策略是以一层墙体以入口处为界形成三个单元, 分别向上施工。 二层墙体以内墙交叉点为出发点, 由里向外扩散形成完整体系，屋面以墙体位置分成三个单元, 南侧的一区可先作为钢结构构件的加工及堆料场地, 首先从西侧的二区由南向北施工, 随后东侧的三区由东向西, 呈阶梯状向东北方向扩散, 最后施工南侧的一区。
四、水立方ETFE膜结构应用创新
（1）水立方馆ETFE膜结构设计创新
2008年北京奥运会的游泳馆“水立方”首次大规模地在大跨建筑使用了充气膜结构，开拓了此技术在建筑设计成熟应用的纪元。
ETFE（乙烯 -四氟乙烯共聚物）膜由生料挤压成型, 是一种典型的非织物类膜材, 为目前国际上最先进的薄膜材料。ETFE最初由美国航天局为太空计划研制开发, 但是首次在建筑项目中的应用由德国Foiltec公司在1982年完成的，所谓的充气膜结构，一般采用双层气膜，在两者中间冲入压缩性气体，使其膨胀开，以承受自身和外界的载荷。
经过几十年的发展，ETFE已经目前国际上最先进的薄膜材料，不仅具有质地轻巧和强度高的特点,其外层膜的延展性很强,可被拉伸到本身长度的三到四倍，除此之外，它重量小、寿命长、抗拉伸、延展性好, 应用于建筑行业具有装配系统较同等透明装配体系更简单、轻盈, 透光性好, 抗紫外线和化学物质侵袭能力强的特点, 并且属于阻燃性材料，防火安全性高，价格相对低廉，施工速度快，结构抗震性能好。
在水立方项目中，所用的气膜也采用了ETFE材质，双层 ETFE薄膜围护结构体系，主体结构是多面体空间钢架结构, 其内、外立面与屋顶分别覆盖着充气的 ETFE薄膜，ETFE膜结构由 3 097个气枕组成 ,覆盖面积达 10.5万平方米 ,展开面积达 26万平方米 , 是目前世界上规模最大的 ETFE膜结构工程，其外层充气膜结构如下图2所示：
图2.水立方外侧充气膜结构
（2）水立方馆ETFE膜结构施工技术创新
在ETFE 膜结构气枕的安装施工, 在引进消化国外原有技术基础上，进行一系列的创新突破，具体创新点总结如下：
1. ETFE 气枕形状复杂, 大小不一, 导致个别部位易产生褶皱, 因此在气枕的充气调试时, 采用了热熨、调腔压等除皱工艺, 避免褶皱的产生, 满足外饰效果的需求
2. ETFE 气枕采用嵌入式自锁构造，顶棚 ETFE 气枕, 施工过程中采用了滑移式脚手架。
3. 立面 ETFE 气枕, 施工过程中采用了液压爬升式垂直升降平台及悬挑伸缩式脚手架。
（3）水方馆ETFE膜结构气压自动补偿技术创新
ETFE 膜结构气枕的充气压强系统采用了压力自动补偿系统，该系统共有 18 个充气单元给所有气枕供气,每个充气单元负责一定区域气枕的充气任务。 在该区域指定一个气枕作为气压感应气枕, 该气枕与气泵之间由一个传感器进行连接。 当气压感应气枕的内部气压达到额定气压时, 传感器会向气泵传出信号, 气泵得到信号后自动降频或停机; 当气压感应气枕的内部气压不足额定气压时,传感器向气泵传出信号, 气泵得到信号后自动开机或增频。
五、水立方节能节水技术创新
水立方国家游泳中心的设计和建设当中，应用了大量的节能环保技术，为了进一步贯彻环保节约的设计理念，考虑到对水资源的保护，在设计、建造阶段也充分考虑先进的游泳馆节水技术的应用，下面针对水立方国家游泳馆中节能和节水创新技术进行依次的总结。
（1） 水立方馆节能技术创新
首先水立方所采用的是ETFE膜表面覆盖面技术，因为其透光的特性，在白天最多的能够达到节约50%照明能耗，水立方游泳馆的夜间照明所采用LED景观照明系统相比传统的照明技术具有较大的节能效果，水立方工程的配套广场有 8 个圆形凉亭应用了太阳能光伏发电技术，系统容量可达50 千瓦，总结水立方馆节能创新技术如下：
1. 热回收空调系统。 回收余热， 减少用水量， 属于国内的先进技术。 冬季回收热量， 用来预热室外的暖气风， 应用于比赛， 可以节能达到60%， 可热回收约1260 千瓦。
2. 采用多功能机械通风系统。 根据奥运会赛时需求，多功能机械通风系统在赛时之前就考虑安装应用。 赛后可以采用机械通风的办法节约能耗。
3. 绿色节能灯具的应用。 荧光灯管和照明系统， 均达到了国际领先水平， 应用数量和电照明灯具的百分比还要在景观设计之时确定， 高效的提补荧光灯，用电量减少45%，太阳能灯可以十几年免修，可以做到绿色节能环保。
（2） 水立方馆节水技术创新
水立方游泳馆的节水创新技术总结如下：
1. 水池防渗与节水技术应用。游泳池、水上乐园采均用了防渗混凝土，可有效减少蒸发量。
2. 应用透水铺装、 回灌及涵养地下水技术。室外景观设计红线场地内硬质地面的总面积达到了11400 平方米，平均每年补充地下水3240 平方米。
3. 雨水净化存储再利用技术。消毒处理为主，根据雨水季节的特点，雨水处理后用于景观补水，平均每年利用雨水 10500 立方米，水收集面积 29000 立方米，雨水利用达到 76%。
4. 节水型供水系统技术及产品。 控制每个水点的水压，对流水量进行合理的控制，采用设置水表计量， 做到供水有量，整个场馆覆盖全部的供水系统， 节约量达到10%，预计每日可节约水 110 立方米。
五、结论
本项目的主要创新内容有四点：
1. 建立了新型多面体空间刚架结构的建模技术，完成了整体结构施工安装全过程模拟分析技术，通过实践完善了多面体钢结构组织施工的策略与详细的技术要点，积累总结了宝贵的经验。
2. 创立多面体空间刚架结构节点精确测量技术以及高空组装技术，并对大型多面体钢构的焊接变形进行了有效的控制。
3. 建立符合我国国情的ETFE 膜结构设计，并形成了一套的气枕围护结构设计、密封、施工安装的成套技术。
4. 创立气枕围护结构节能环保技术， LED 透光照明技术及新一代光源 LED 规模化系统集成应用，场馆内部节水技术的创新应用。
六、致谢
在指导老师的帮助下，确定了本文的研究题目《北京奥运会游泳馆水立方的创新技术总结》，由于初期对论文题目的不熟悉，缺少相关的基础知识，以及文献检索能力薄弱等不足，在论文的初期研究中遇到了非常大的困难，在完成过程中遇到了很多棘手的问题，但是经过老师的指导和帮助，我不断的查阅相关资料，自学相关的专业知识，查阅相关专业书籍、检索相关文献、搜索信息，从而对本课题有了一定的认识，通过和指导老师的沟通，逐步掌握的掌握了本文的研究方法，并一步步的克服了这些困难，，通过本次毕业论文的锻炼， 使我对北京奥运会游泳馆水立方的创新技术进行了相关的调研和总结，得出了一般性的结论，加深了对本课题的理解，为以后工作、学习奠定了坚实的基础。
感谢我的家人和好友，他们的关爱和支持永远是我前进的最大动力，在任何时候，他们都给予我最大的鼓励和支持，最后，向审阅我论文和参加答辩的老师们表示衷心的感谢，感谢你们抽出宝贵的时候参加我的论文答辩会，感谢你们对论文不当之处提出的宝贵意见和建议。
七、参考文献
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