見過水立方的人都會被它美麗輕盈的外表撥動心弦。這個獲得國際橋梁與結構工程協(xié)會杰出結構大獎的作品，除了有建筑師無比空靈的創(chuàng)意設計外，浙江大學空間結構研究中心為之做出的創(chuàng)新與開發(fā)，也是實現(xiàn)“力”與“美”完美結合的關鍵之一。2012年2月14日舉行的國家科技獎勵大會上，水立方工程建造技術創(chuàng)新與實踐項目獲得科技進步一等獎。
水立方的設計靈感來自于“水泡”——一個笨頭笨腦的“方盒子”，如何看起來能輕盈活潑？中外聯(lián)合設計師團隊提出，可以用理論物理學中的氣泡理論與ETFE氣枕來實現(xiàn)——當“方盒子”穿上3615個大小不一的“水泡”簇擁而成的外衣，呆板的氣氛就一掃而光，動感而時尚?？墒?，怎樣實現(xiàn)這個如夢似幻的構想？在此之前，國內(nèi)外沒有任何工程先例可以參考。中國工程院院士董石麟帶領浙大空間結構中心的科研團隊要做的，就是如何讓水立方真正“立”起來。“方案理念都是世界一流的，完成它們有很大的艱巨性，我們還有很多工作可以做。”董石麟說。
一般而言，進行這樣一個龐大的工程，需要工程師先在電腦中建立結構模型，經(jīng)過復雜的計算分析，繪出施工圖，再根據(jù)圖樣進行實地安裝施工。“水立方的剛架結構由20000多根桿件和6000多個節(jié)點組成，如果對建筑方案進行任何改動，整個結構模型就需要重新調(diào)整。”董石麟介紹，在方案的初步設計階段，水立方的結構模型是設計師通過圖形建模完成的。每一次修改模型，需要熟練的設計人員花費7天的時間才能完成，而且會形成累積誤差。從設計到施工，還有巨大的時間鴻溝。
“在設計階段修改模型是一件隨時都可能進行的事，必須有快速成型的方法，才能保證大體量工程的流暢進行。”董石麟介紹，浙大的科研團隊為此專門開發(fā)了一個建模軟件，能同時“駕馭”數(shù)萬個數(shù)據(jù)的變化。運用這種數(shù)學模型軟件，普通計算機8分鐘即可完成水立方多面體剛架整體結構的建模，而且無累積誤差，精度達16位有效數(shù)字。這樣，在水立方的深化設計階段，模型的修改就變得非常簡單快捷，這為水立方結構設計深化和施工提供重要的技術支持。結構工程師只需在電腦前等待片刻，一個符合實際建筑模型的水立方剛架模型就會馬上生成。
雖說“水泡”是輕盈的，但支撐這種“輕盈”的卻是一個造型獨特的大力士——“新型多面體空間剛架結構。”“多面體空間剛架作為大跨度建筑主體結構，它的設計施工國內(nèi)外都沒有專門規(guī)范規(guī)程可遵循。”浙大空間結構研究中心趙陽教授介紹，這種結構的核心部件是一個空心球節(jié)點和與之相連的4根鋼管。水立方對設計施工有一個前所未有的挑戰(zhàn)：從前的空間結構中，空心球節(jié)點只受到來自鋼管的軸力，其設計方法相對簡單，但在水立方中，節(jié)點將同時受到軸力和彎矩等多種力量的“牽拉”，其難度也是成倍增加。浙大的科研團隊經(jīng)過研究，對空心球節(jié)點的受力情況進行了“庖丁解牛”式的分析，揭示了焊接空心球節(jié)點在軸力和彎矩共同作用下的受力性能和破壞機理，建立了焊接球節(jié)點復合受力條件下的承載力設計方法。“雖然一般人看起來這些錯綜復雜的鋼管及其所連接的節(jié)點沒有規(guī)律可循，但其實是經(jīng)過了嚴密的力學計算與分析。”據(jù)了解，浙大開發(fā)的這一設計方法填補了國內(nèi)外已有設計規(guī)程中的空白，目前已被國家行業(yè)標準《空間網(wǎng)格結構技術規(guī)程》（JGJ7-2010）所采納。
由于在國家游泳中心科技創(chuàng)新工作中的突出貢獻，浙江大學水立方科研項目組被“科技奧運（2008）行動計劃”領導小組、北京奧運會科學技術委員會授予“科技奧運先進集體”，并獲“北京市奧運工程科技創(chuàng)新特別獎”。“這一種結構在過去，不單單在我們國家，在世界上還是沒有的，世界上第一個采用多面體剛架結構形式的建筑物是在我們中國實現(xiàn)的。”董石麟說。
（文 周煒/攝影 盧紹慶）
