水立方的结构设计原理

   国家游泳中心是一座封闭式的体育馆类建筑,按照设计规划,它将被建成世界上最大的游泳馆。出于赛事需要和赛后运营的综合考虑,需要将建筑内部划分为若干个功能区域,而其中最主要的当然是奥运会赛事使用的比赛大厅。由于观看比赛的需要,比赛大厅内部是不能有立柱的。这就决定了比赛大厅内部120余米的空间内不能有立柱,需要采用大跨度膜结构屋面。这样大的跨度,采用钢膜结构作为立面和屋面的结构主体是必然的,但如果采用传统的钢桁架或网架结构,则屋面的厚度尺寸可能会很大,用钢量也会很大,而且立面和屋面上的“泡泡”的形状和尺寸也会比较单一,可能会形成单调的重复,无法使立面效果更加丰富。于是,建筑师团队中的结构设计专家大胆地提出,采用多面体空间钢架结构。多面体空间钢架结构体系,是一种全新的建筑钢结构体系,其理论基础应归结为一种数学理论—“肥皂泡阵列几何图形学”。

   这种数学理论来源于自然界的肥皂泡,因而人们俗称之为“气泡理论”。相同或不同规格的“泡泡”紧密堆积在一起, “泡泡”间相互交割,球形的“泡泡”变成了规则或不规则的空间多面体,这些多面体单元之间接触面积最小,空间利用率最高,而所形成的体系又是很稳固的体系。基于这种理论,爱尔兰数学家威尔(Weaire)和菲兰(Phelan)提出了一种数学模型,这一模型由两种规格的多面休单元组成,分别为14面体和12面体。这一体系一直被认为是最理想的空间体系。这一数学理论和模型虽然提出了很多年,而且经过了大量的科学论证,但一直还停留在理论层面,没有真正应用于实践。“水立方”的主体钢结构设计,经过有关专家的反复论证,创造性地将“气泡理论”应用于实践,将原有的概念性的理论进行深化、细化,并进行了大胆地突破创新。

深圳市金鑫空间膜结构建筑设计院是国内专业的膜结构建筑设计单位,是一家专注于膜结构建筑设计与研究的设计院。业务涉及张拉膜结构、骨架式膜结构、充气膜结构、钢结构;对PVC、PTFE、ETFE膜材有着丰富的设计经验。我们尤其擅长大跨度结构、异型空间结构、索结构、封闭式建筑以及开启结构的设计与研究,涉及的领域有景观膜结构、停车棚膜结构、体育设施膜结构、污水加盖池膜结构等。