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探访“水立方”背后的秘密

来源：科技新时代  作者：耿诺  乐樟

在北京奥林匹克公园内，一座通体覆盖着巨大蓝色泡泡的建筑矗立于北京中轴线北端的西侧。这座建筑面积7万多平方米的巨大建筑没有一个混凝土立柱和一根明显的结构梁。巧夺天工的设计、纷繁自由的结构，简洁纯净的造型、环保先进的科技，使它注定要成为建筑史上的标志性建筑，这就是号称“水立方”的国家游泳中心。

理想答案

19世纪末期英国物理学家凯尔文勋爵提出一个问题：“如果我们将三维空间细分为若干个小部分，每个部分体积相等，但要保证接触面积最小，这些细小的部分应该是什么形状？”在此后的100多年里，人们提出过各种各样的解决方案。1993年，爱尔兰教授威尔莱和弗兰提出了一个新的解决方案———在构造模型中采用两种不同的单元体，一种为14面体，另一种为12面体。到目前为止，威尔莱/弗兰多面体组合仍被认为是凯尔文勋爵问题的最理想答案。

实际上，对于这个问题，自然界已经给出了答案：水在气泡状态下的组合就是这个命题的最佳解决方式，细胞组织单元的基本排列形式、水晶的矿物结构等也是如此。但这样的形式作为建筑结构还从来没有使用过，直到“水立方”的出现。

“气泡理论”所要解决的问题，是三维空间内各部分的接触表面积最小，对于钢结构来说，就是所用的材料最少。“水立方”的钢结构采用了12面体与14面体组合的理想形式，从而大大减少了需要的钢材数量，整个钢结构仅用钢6700吨。

完美的膜结构

膜结构是21世纪新出现的一种建筑方式，这种结构不仅能体现出结构的力量美，还能给建筑师极大的自由表达自己的创意。作为世界上最大的膜结构工程，“水立方”除了地面之外，所有外表面都采用了膜结构———由ETFE材料构成的3000多个气枕就像一个个巨大的蓝色水泡，覆盖在钢结构的表面。

“水立方”采用的EFTE膜的重量只有同尺寸玻璃的1/100，正是因为膜结构的轻巧才使得“水立方”的空间框架结构成为可能。此外，这种膜材料还具有隔热、自动清洁等优点。膜结构具有较强的隔热性能，有利于节能。它的修补也非常方便，如果被尖锐的东西戳破，监控的电脑会立即发现，而且只需用不干胶一贴就行。膜结构还非常轻巧，并具有良好的自洁性，尘土不容易粘在上面，即使粘上尘土也能随着雨水被排除。