建筑和结构的完美结合：鸟巢、水立方

钢结构

以钢材制作为主的桁架结构，是主要的建筑结构类型之一。桁架钢材结构的特点是强度高、自重轻、刚度大，故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特别适宜；材料匀质性和各向同性好，属理想弹性体，最符合一般工程力学的基本假定；材料塑性、韧性好，可有较大变形，能很好地承受动力荷载；建筑工期短；其工业化程度高，可进行机械化程度高的专业化生产；加工精度高、效率高、密闭性好，故可用于建造气罐、油罐和变压器等。其缺点是耐火性和耐腐性较差。主要用于重型车间的承重骨架、受重力荷载作用的厂房结构、板壳结构、高耸电视塔和桅杆结构、桥梁和库等大跨结构、高层和超高层建筑等。钢结构今后应研究高强度钢材，大大提高其屈服点强度；此外要轧制新品种的型钢，例如H型钢（又称宽翼缘型钢）和T形钢以及压型钢板等以适应大跨度结构和超高层建筑的需要。钢结构又分轻钢和重钢。

膜结构

索膜结构是用高强度柔性薄膜材料经受其它材料的拉压作用而形成的稳定曲面，能承受一定外荷载的空间结构形式。其造型自由、轻巧、柔美，充满力量感，阻燃、制作简易、安装快捷、节能、易于、使用安全等优点，因而使它在世界各地受到广泛应用。

“鸟巢”和“水立方”两个奥运主要场馆的建设，就是钢结构与膜结构的典型范例。 

鸟巢

国家体育场(“鸟巢”)是2008年北京奥运会主体育场，位于北京奥林匹克公园中心区南部，工程总占地面积21公顷，建筑面积258,000㎡。场内观众坐席约为91000个，其中临时坐席约11000个。由2001年普利茨克奖获得者赫尔佐格、德梅隆与中国建筑师李兴刚等合作完成的巨型体育场设计，形态如同孕育生命的“巢”，它更像一个摇篮，寄托着人类对未来的希望。设计者们对这个国家体育场没有做任何多余的处理，只是坦率地把结构暴露在外，因而自然形成了建筑的外观。“鸟巢”外形结构主要由巨大的门式钢架组成，共有24根桁架柱。国家体育场建筑顶面呈鞍形，长轴为332.3米，短轴为296.4米，最高点高度为68.5米，最低点高度为42.8米。2008年奥运会期间，这里举行了奥运会、残奥会开闭幕式、田径比赛及足球比赛决赛。奥运会后成为北京市民广泛参与体育活动及享受体育娱乐的大型专业场所，并成为具有地标性的体育建筑和奥运遗产。 

鸟巢外景

鸟巢的焊接结构示意图  

鸟巢的主要结构是由24个桁架组成。上图中第一个是其中两个桁架的端部。上图中第二个所见约有6-7个桁架，桁架之间有斜杆连结，保持稳定。其它看起来杂乱的杆件，不是主结构的构件，只是放上去做成‘鸟巢’效果的。 

主结构的桁架都已经完成。这些是次要构件的加工。看，多复杂啊，钢板都弄成弯曲，还要扭曲，按着电脑计算出来的曲度加工拼装。 

那些拼装了的构件，将会吊到上面，在现场焊接。看到在上面的工作台吧。为了做成鸟巢效果，所有构件的外部尺寸大小都一样，其实钢板厚度各有不同。主构件受力大的，钢板很厚。那些次要构件，就用薄薄的钢板。这些都要结构师通过复杂而精密的计算定出来。 

工人在焊接之后要补上油漆。

鸟巢里面

结构桁架其实也算是传统的桁架形式（横梁是一种叫Vierendeel Truss的结构），但通过高低不同，24个桁架绕着一周排列，就做成平面椭圆型的布局，然后看上去好像就杂乱无章。那些红色的塔，只是临时的支撑，回头会拆掉。 

水立方

国家游泳中心又被称为“水立方”（Water Cube），位于北京奥林匹克公园内，是北京为2008年夏季奥运会修建的主游泳馆，也是2008年北京奥运会标志性建筑物之一。它的设计方案，是经全球设计竞赛产生的“水的立方”（[H₂O]₃）方案。2003年12月24日开工，在2008年1月28日竣工。其与国家体育场(俗称鸟巢)分列于北京城市中轴线北端的两侧，共同形成相对完整的北京历史文化名城形象。国家游泳中心规划建设用地62950平方米，总建筑面积65000-80000平方米，其中地下部分的建筑面积不少于15000平方米，长宽高分别为177m×177m×30m。2008年奥运会期间，国家游泳中心承担了游泳、跳水、花样游泳等比赛，可容纳观众坐席17000座，其中永久观众坐席为6000座，临时性座位11000个。赛后将建成为具有国际先进水平的、集游泳、运动、健身、休闲于一体的中心。 

水立方外景 

水立方，这是从场馆里面看

这套结构却是一点也不传统了。外承重墙（空心的）厚3.5米，屋顶结构（也是空心的）高7米，都是用同一种空间结构做成。这结构是利用一系列的多面体，杆件互相受拉受压组成，如下图。 

工人正在为外立面铺上双层的PTFE膜。这是一种超强的物料，一般天幕结构采用的。外墙的外面、里面，屋顶的顶面、天棚，都各铺上两层PTFE（聚四氟乙烯）膜。 

风管沿着多面体杆件走，向双层膜当中送气，如下图。 

膜鼓起了，就是水泡泡啦。 

屋顶的雨水，通过许多虹吸雨水管排下来再带走。 

场馆内通风、排烟系统。设计顾及外观，排风排烟到屋顶上，也通过设计处理，不会破坏屋面的水泡泡效果。 

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