中国北京国家游泳中心
项目概述

       作为所有跳水和游泳赛事的举办地，国家游泳中心（俗称“水立方”）是2008年北京奥运会的标志性场馆之一。该场馆可容纳1.7万名观众，总建筑面积达7万平方米，不仅在奥运会期间发挥重要作用，赛后还将作为多功能休闲及精英游泳中心继续使用。

       2003年7月，由奥雅纳工程顾问公司、建筑事务所PTW、中国建筑股份有限公司（CSCEC）及中建深圳设计总院（CSCEC+DESIGN）组成的联合体，在2008年北京奥运会国家游泳中心国际设计竞赛中胜出。设计团队以自然界中普遍存在的三维形态——肥皂泡形成并相互连接以最高效方式填满空间的模式为灵感进行创作。

       主要结构

        建筑结构是一个3D空旷空间框架，高176m * 176m * 29m，基于由12个五边形和2个六边形组成的几何单元，可3维重复，不留任何空白。所有墙壁厚约 3.6m，屋顶区域深 7.2m。最终结构由 22,000 个管状钢构件组成，并通过 12,000 个节点连接。


       尽管建筑结构的有机设计看似随机，但独特的几何形状实际上具有高度重复性和可建造性。由此产生的结构具有很强的延展性，非常适合北京的地震条件。


本项目中使用的软件

Oasys 如何彰显其价值

        气泡设计
        Vector Special Projects赢得了提供形成包层的乙烯四氟乙烯（ETFE）箔垫的合同，并聘请了David Dexter Associates（DDA）进行分析和设计。

        DDA请来了GSA来做这项工作：他们意识到其他任何事情都无济于事。
       DDA将气泡几何形状直接从奥雅纳的3D制造模型导入GSA。这最大限度地提高了分析和后续覆层制造的准确性。

       大垫子实际上分为三层（外层、中间层和内层），其内部空气被加压至200pa，产生类似于空腔壁的效果。中间层主要用于隔热和隔音，但在外层被刺破的不太可能的情况下，它也是一种安全措施。虽然DDA认为，鸟击造成的损坏不太可能刺穿ETFE箔，但北京经历的台风中飞行碎片存在明显的风险。

       枕头压力是通过主动压力监测来维持的。如果屋顶枕头确实倒塌了，那么积水可能是一个问题，必须由维护人员来处理。枕头压力将足以承受雪荷载，而不会折断。



找形
       小垫子的找形很简单，因为它们被简单地切割以适应开口，并充气至200pa的工作压力。这导致ETFE屈服并塑性变形，从而有机地找到最终形状。

       对于大型缓冲垫，这种方法是不可能的，因为它们必须屈服于可接受的极限之外。因此，为了找到箔片的初始几何形状并防止应力过大，有必要进行找形。

       DDA使用GSA的肥皂膜法，该方法可以找到边界之间的最小表面积，并结合表面压力将膜推出最终位置。GSA还可以使用力密度法（通常用于电缆网）和强制永久性大挠度来形成合力。这三种技术都使用动态松弛算法。

        

        分析

       一旦DDA完成了找形操作，下一阶段就是使用非线性分析，以确保箔片在包括内部气压、外部风和雪在内的工作载荷下不会承受过大的应力。

      为确保分析的准确性，ETFE供应商Vector提供了材料特性，RWDI进行了风洞试验以测量气动力。

      由于ETFE箔只能承载张力，所有外部载荷实际上都由表面承载，远离应用。换句话说，当风吹到外面时，里面的箔膜会抵抗它，负载通过内部气压通过垫子传递。这减少了外层的预应力，但它只应在极端风荷载下松弛，例如台风时。在正常风荷载下，外层将保持拉紧状态。

       该分析的结果是对制造商的箔厚度要求和支撑钢结构的连接力。

    制造和安装

       一旦完成找形和分析，DDA将结果交给Vector进行制造。由于ETFE箔是1.7米宽的条带，任何比这更大的垫子都需要焊接。小垫子的切割图案很简单，因为这些垫子会变成最终的形状，Vector可以保持箔带的矩形。对于大型垫子，他们需要进行图案化练习，以获得箔带的正确弯曲边缘，这样当它们连接时，整个膜已经接近最终曲率。

       当分层垫子完成后，它们被运往北京并安装到位。一旦就位，它们就会充气至200pa的工作压力。泵将在包壳的使用寿命内持续保持压力，并监测实际压力是否存在过度泄漏。

结论

       凭借其创新的建筑和先进的工程技术，“水立方”理所当然地成为北京奥运会的中心建筑之一。当全世界的目光都聚焦在奥运会上时，ETFE的“泡沫”包层必须是正确的。正如他们的首席工程师Gavin Sayers所说：“我们选择GSA来设计‘水立方’ETFE垫，因为它受到了广泛的尊重和认可。直观的界面对于提取原理应力等结果非常有用。这是这项工作的最佳选择。”