国家游泳中心水立方结构分析
水立方结构
对“水立方”工程结构体系选型的分析一，工程概况：国家游泳中心又被称为“水立方”，2008年北京奥运会标志性建筑物之一，位于北京奥林匹克公园内。
“水立方”由中方建筑师提出的方型建筑造型体现了与国家体育场(“鸟巢”) 的和谐共生, 由ARUP 工程师创造的摹仿水泡组合形式的全新结构形式，具有高度重复性又呈现出一种随机无序的总体感觉，屋面和墙体内外统一采用ETFE 充气枕覆盖，整体建筑形态简洁纯朴而又富于变化。
“水立方”的平面尺寸为176.538m×176.538m，高度约31m，地下2层，地上主体单层、局部5层。
建筑外包钢结构屋盖和墙体采用新型多面体空间刚架结构,屋盖厚71211m，墙体厚31472m 和51876m。
墙体底部支承于11009m(外墙落地墙) 和61350m(内墙及门洞) 标高的钢板2混凝土组合梁平台上。
“水立方”的覆盖结构采用ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物) 充气枕结构，屋盖和墙体的内外表面均覆以ETFE 充气枕，最大的单个气枕面积约71㎡、跨度9m 左右,ETFE 膜材的用量约30万平方米。
水立方建筑造价约10.2亿，自101个国家和地区的35万多港澳台同胞及海外侨胞共捐献了9.4亿人民币。
其中郑裕彤、郑家纯父子及属下企业曾捐赠五千万元人民币。
奥林匹克比赛大厅平面图多功能厅平面图二，建筑特色及材料应用：1)建筑风格：这个看似简单的“方盒子”是中国传统文化和现代科技共同“搭建”而成的。
中国人认为，没有规矩不成方圆。
在中国传统文化中，“天圆地方”的设计思想催生了“水立方”，它与圆形的“鸟巢”——国家体育场相互呼应。
在中国文化里，水是一种重要的自然元素，设计者将水的概念深化，还利用其独特的微观结构。
基于“泡沫”理论的设计灵感，他们为“方盒子”包裹上了一层建筑外皮，上面布满了酷似水分子结构的几何形状，表面覆盖的ETFE膜又赋予了建筑冰晶状的外貌，使其具有独特的视觉效果和感受，轮廓和外观变得柔和，水的神韵在建筑中得到了完美的体现。
水立方结构特点
水立方结构特点1. 介绍水立方是位于中国北京奥林匹克公园的一个建筑，是2008年北京奥运会的游泳比赛场馆。
它以其独特的建筑造型和创新的结构设计而闻名于世。
本文将深入探讨水立方的结构特点。
2. 外观设计水立方的外观设计灵感来源于水的分子结构。
建筑采用了透明的膜结构，并使用了蓝色的光线照射，形成了一种水波纹的效果，给人一种清新凉爽的感觉。
水立方由四个主要的外部立面构成，每个立面上都有大型的泡泡窗口，增加了建筑的透明感。
3. 结构材料水立方的结构采用了先进的材料和技术。
建筑主体结构主要由钢结构和膜材料组成。
钢结构使用了大量的空心钢管和钢板，使得整个结构更加坚固和稳定。
膜材料则用于覆盖建筑的外部立面，提供了透明性和光线传递性。
这种结构材料的选择不仅降低了建筑的重量，也提高了结构的刚度和稳定性。
4. 内部结构水立方的内部结构设计非常独特。
游泳馆的主要支撑结构是一个类似于网格的三维结构，由钢材组成。
这种结构不仅能够承受水的重量，还能够分散荷载，保证了建筑的稳定性。
内部结构的设计还考虑到了人流量的分布和游泳池的布局，以及观众席和其他功能区的位置，使游泳馆的使用更加便捷和高效。
5. 抗震设计水立方作为一座地震频发地区的建筑，其抗震设计非常重要。
建筑采用了多种抗震措施，如增加了钢结构的强度和刚度，采用了抗震支撑系统，以及合理布置了防火墙和防震隔离带等。
这些措施有效地提升了建筑的抗震能力，使其能够在地震发生时保持稳定和安全。
6. 可持续发展水立方的结构设计也注重了可持续发展的原则。
建筑利用了太阳能和地热能等可再生能源，减少了能源消耗。
同时，膜材料的使用也降低了建筑的能耗。
此外，水立方还采集了雨水，用于冲洗厕所和灌溉周围的植物。
这些举措使水立方成为一个环保和可持续的建筑。
7. 总结水立方的结构特点主要体现在外观设计、结构材料、内部结构、抗震设计和可持续发展方面。
其独特的建筑造型和先进的结构设计使其成为一座世界级的建筑，不仅体现了人类创新和科技进步的成果，也对未来建筑设计提供了有价值的借鉴。
《水立方结构分析》课件
展望水立方在未来可持续发展方面的前景，如节能减排、绿色建 筑等。
THANKS
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环保意识
水立方的膜材料具有良好的自洁性 和耐久性，降低了对环境的负担。
水立方的建筑特点
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独特造型
水立方呈现出半透明的外 观，与周围环境和谐相融 ，成为北京的标志性建筑 之一。
高效节能
水立方的设计和建造采用 了多项节能技术，如自然 采光、太阳能利用等，有 效降低了能耗。
科技应用
水立方运用了先进的科技 手段，如智能化建筑管理 系统，提高了运营效率。
养等。
特殊情况处理
02
针对水立方可能遇到的特殊情况，如自然灾害、突发事件等，
制定相应的应急处理措施。
使用管理规定
03
制定水立方的使用管理规定，明确使用者的责任和义务，确保
建筑安全运行。
未来发展与展望
技术创新与应用
探讨未来在水立方施工与维护方面可能出现的新的技术和方法。
建筑改造与升级
分析水立方在未来可能进行的改造和升级，以满足新的使用需求 和技术要求。
金属屋面采用镀铝锌钢板和钛锌板等 材料，具有耐腐蚀、高强度和长寿命 等特点，能够保证屋面的防水和保温 性能。
玻璃幕墙
玻璃幕墙采用中空玻璃和Low-E玻璃 ，具有优良的保温、隔热和隔音性能 ，同时能够反射太阳光，减少室内温 度波动。
特殊功能材料
特殊功能材料
为了实现水立方的特殊功能，如水处理、水质监测和景观装饰等 ，需要采用一些特殊功能的材料。
水处理材料
水立方采用特殊的净水系统和循环水处理系统，需要使用相应的水 处理材料，如过滤器、消毒设备和水质监测仪器等。
水立方
国际上在建筑使用膜结构时，多用的是 PTFE膜，这是一种纤维材料，特点是不透 明，但是，使用技术比较成熟。而“水立 方”使用的是ETFE膜，这是一种透明膜， 能为场馆内带来更多的自然光。在国内对 这种薄膜结构的理论研究几乎就是空白。
反应
节能：3000多个半透明的气枕可以使整个游泳 中心的绝大部分区域日间不需点灯，进入室内的 光线是最柔和的。 隔热保温：控温方面，膜结构就能帮助“水 立方”节省30%的电力。 会呼吸的水立方：“水立方”的屋顶有自然 排风的风机，两层膜结构的中间底下开口也有， 等于有8个自然通风口，空气进来，通过屋顶的空 腔出去，这样就把建筑空间中的热量散发出去。 节水省电的“水立方”：3万平方米的屋顶， 可100％的收集雨水。每天9．9小时使用自然光。
水 立 方
水立方全称国家游泳中心，位于北京奥林 匹克公园内，2008年北京奥运会标志性建筑 物之一。其与国家体育场分列于北京城市 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。
水立方最大特点
不规则 由气泡衍生改良的多面体为基本单元
建筑用膜结构
膜结构建筑是21世纪最具代表性的一种 全新的建筑形式，有人称为第五代建筑材 料。 膜结构使用轻质、高强度柔软性薄膜材 料与支撑体系相结合而形成具有一定刚度 的稳定曲面，可承受一定载荷，能够覆盖 较大空间的结构形式。
膜结构的三种类型：薄膜，网材和织物。 膜结构的材料：聚四氯乙烯（PTFE）、 聚氯乙烯(PVC)和加面层的PVC膜材。 膜结构的优点:耐久性、透气传热性、防 火性能、自洁性、轻量结构、舒畅空间、 积雪对策、使用寿命长。水立方的膜结构 Nhomakorabea
“水立方”是国内首次采用ETFE（乙烯-四 氟乙烯共聚物）膜结构的建筑物，也是国 际上面积最大、功能要求最复杂的膜结构 系统。 成就“水立方”建筑独特风格的正是性能 优异的ETFE膜材料。
国家游泳中心_水立方
国家游泳中心 —“水立方”
3、合成的平板状空间网架结构
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国家游泳中心 —“水立方”
3、合成的平板状空间网架结构
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国家游泳中心” —“水立方”
ETFE薄膜围护结构示意图
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国家游泳中心 —“水立方”
ETFE薄膜围护结构详图
由透明薄膜气囊分割成三个独立的空气层, 既 能透光，又是很好的保温层，可节省大量采光、采 暖和空调所需的能源。
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国家游泳中心 —“水立方”
ETFE薄膜围护结构详图
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国家游泳中心 —“水立方”
整个“水立方”工程自2003年12月 24日开工，历时四年多的建设，于2008 年1月28日竣工并交付使用。 “水立方”和“鸟巢”都是体育场 馆，但结构却大不相同。“水立方” 钢 结构的最大特点就是不规则，纵横交错 中透着一股自然美。
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国家游泳中心 —“水立方”
多面体组成的空间网架结构示意图
1、由两种多面体单元构成的完整空间
只保留棱
14面体
12面体
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国家游泳中心 —“水立方”
2、以空心多面体边棱单元构成的多面体空间网架
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若用两个平行的平面来切割这个多面体空间网架，切出来是 国家游泳中心 —“水立方” 什么样呢？ 切出来的将是一片平板状空间网架，但切割平面只与多面体 空间网架结构模型 空间网架的棱相交，所以是一个两面带“刺”的平板状网架。若 再用杆件把切割平面内的 “刺尖” 连系起来，就成为我们需要 的平板状网架。这些连接“刺尖”的构件就组成了“鸟巢”的表 面图案。
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国家游泳中心 —“水立方”
“水立方”这种自然的不规则形态给设计和施工 带来了极大的困难。
水立方结构简介PPT课件
结构体系确定 •下部采用钢筋混凝土筒体剪力墙—框架扁梁—大板体系 •上部采用延性钢框架空间结构（屋面、墙） •上部钢框架墙体结构刚性支承于0.000及6.400钢筋混凝土平台
结构分析软件 •下部混凝土结构采用ETABS、SATWE、TAT、SAFE计算分析 •上部钢结构采用MST、STRAND7、SAP2000进行截面优化设计 •整体结构采用SAP2000、STAND7进行整体分析和抗震设计
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Hale Waihona Puke STRAND7 静力计算结果
自重下的位移
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焊接空心球节点
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典型节点
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墙体局部施工顺序
1
2
3
4
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三、膜结构
膜结构建筑是21世纪最具代表性的一种全新的建筑形 式，至今已成为大跨度空间建筑的主要形式之一。它集建 筑学、结构力学、精细化工、材料科学与计算机技术等为 一体。在2008年的奥运会建筑设计上，膜结构应用就得到 完美的体现。
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水立方 “水立方”整体建筑由3000多个气
枕组成，气枕大小不一、形状各异，覆 盖面积达到10万平方米。除了地面之外， 外表都采用了膜结构。安装成功的气枕 将通过事先安装在钢架上的充气管线充 气变成“气泡”，整个充气过程由电脑 智能监控。
如果ETFE膜有一个破洞，不必更换， 只需打上一块补丁，它便会自行愈合， 过一段时间就会恢复原貌。
土。其墙身和顶棚都是用细钢管连接而成的，有1.2万个节点 。只有2.4毫米厚的膜结构气枕像皮肤一样包住了整个建筑， 气枕最大的一个约9平方米，最小的一个不足1平方米。跟玻 璃相比，它可以透进更多的阳光和空气，从而让泳池保持恒温 ，能节电30%。
膜结构自身就具有排水和排污的功能以及去湿和防雾功能 ，尤其是防结露功能,对游泳运动尤其重要。
解读水立方
采用同样材料作为表皮的其他建筑案例
伊甸园植物馆 表面材料由一层ETFE膜嵌入3层充气 垫制成，顶部传感器可通过感知风、 雪等荷载来调节气垫压以适应不同的情况。透明的材质使 其光线充裕明亮，同时起到隔热效果。 对于植物园来说，充裕的光 线渗透有利于园内植物的生长培 植，减少能耗，促进了内外空间 的交流。
解读水立方
09建筑学01班 查新彧
建筑简介
由中建设计联合体，澳大利亚PTW建筑师事务所、 ARUP澳大利亚有限公司联合设计的国家游泳中心（水立 方）位于北京奥林匹克公园内，以水为设计理念，以薄膜 结构，空间钢架结构为主要结构。
整个建筑如水珠一般滴落在地面上，是一个美观，环 保，节能的绿色建筑，给人带来全新的体验。
建筑内部的光处理
水立方内部不同于一般大型场馆内部空气的沉闷和采 光的阴暗，它在一层和二层的走廊顶部安装的无数小灯泡， 把整体的光束划分成一道道细小的光线，再加上室外阳光 透过薄膜和支撑钢架的缝隙自然地洒向室内，两种光源的 光线融合在一起，不仅把“水立方”内部的空间切割得错 落有致，又照亮到空间每一个转角等光线不足的地方，拓 宽了观众的视线。 从观众的角度看，游泳池跳水台由于室外天然光源与 室内补充光源的叠加，直射光与反射光的叠加，使观众获 得了极其丰富的视觉体验。
全程自动化
气垫气泵压强的强弱，排风机风速的大小，防火防 雨雪的设置，乃至于建筑内部的气温水温高低都可以通过 计算机程序控制，确保了人在场馆中的舒适度以及安全性。
水立方的一些遗憾
采用全新材料技术，使得建筑造价高达十多个亿。虽 然维修方便，但是表皮材料使用寿命毕竟有限，而定时的 更新材料费用十分高昂。 而在尺度的处理方面，观众席与泳池周边路径的水平 距离偏短，这就使得观众在观赏 运动员胜出游行时有很大的视线 阻碍。
水立方详细介绍
水立方详细介绍国家游泳中心是北京2008年奥运会比赛场馆之一，其创意来自于肥皂泡的结构，因其外观酷似一个蓝色方盒子而被称为“水立方”。
与“鸟巢”一样，“水立方”独特的结构设计给施工带来了很大难度，因为它是世界上第一个尝试实现这一肥皂泡结构体系的建筑。
“水立方”的建筑外围护采用新型的环保节能ETFE（四氟乙烯）膜材料，由3000多个气枕组成，覆盖面积达到10万平方米。
建设地点：奥林匹克公园建筑面积（M2）：65000－80000。
座席数：永久座席为6000个，临时性座席11000个。
赛时功能：游泳、跳水、花样游泳、水球。
开工时间：2003.12.24。
工时间：2007年四季度。
“水立方”是世界上首个基于“气泡理论”建造的多面体钢架结构建筑。
独特的结构设计给施工带来了很大困难。
国家游泳中心总经理康伟说，“水立方”的创意来自于肥皂泡的构造。
这种在自然界常见的形态从未在建筑结构中出现过。
“从截面上看，‘水立方’墙面和屋顶都分为内外3层，9803个球形节点、20870根钢质杆件中，没有一个零件在空间定位上是完全平行的，传统的二维图纸无法标出工件的坐标。
因此，定位难成为‘水立方’施工中遇到的最大挑战。
”康伟说。
在业主的委托下，中建国际（深圳）设计顾问有限公司联合国内4家研究单位，仅用了半个多月便把“水立方”的所有工件在三维空间上一一标出了坐标。
30513个工件、91539个坐标值，堆成了两尺多高的施工图纸。
作为自主创新成果，《新型多面体空间钢架结构设计理论》为“水立方”的钢结构搭建提供了技术标准。
随着奥运工程进度的不断推进，新标准、新工艺不断涌现。
这些新标准、新工艺是奥运工程留下的一笔宝贵财富，今后将成为同类建筑的参照标准。
“水立方”膜结构的表面覆盖面积达到10万平方米。
为确保正式安装的顺利进行，2006年春节前完成了实体墙面500平方米试安装。
此次正式施工前，“水立方”主体钢结构已完成了施工准备工作，具备了贴膜条件。
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国家游泳中心水立方结构分析
国家游泳中心
水立方结构分析
姓名:岳敏
学号:1101103-21
指导老师:蒋毅
主要内容
一、工程概况
二、多面体刚架结构的几何、受力分析
三、ETFE膜结构材料、力学性能分析
四、荷载与结构整体受力分析
1、工程概况
本工程的建筑造型为“充满水的立方体”，平面尺177.338m×177.338m，建筑墙体底标高+1.059m，屋顶标高30.587m。
屋面及支撑墙结构由新型多面体空间钢架构成水滴的骨架。
钢结构总用钢量共约6300吨，钢材选用Q345C、Q420C。
结构节点形式分为球型、半球型、方钢管相贯三种，杆件分为圆钢管、方钢管两种形式。
所有构件壁厚由6mm到40mm。
节点9290个，杆件数量将近20670根。
1、三维空间的最有效分割
十九世纪末，爱尔兰数学家Lord Kelvin提出这样一个问题:如果将三维空间细分为若干个小部分，并且每个部分体积相等但要保证接触面积最小，那么这些细小的部分应该是什么形状,” 1993年，爱尔兰教授Denis Weaire和Robert Phelan提出一种解答:在一个组合体系中设置6个十四面体和2个十二面体，两
者共有三种表面形状，一种六边形和两种五边形，棱边有四种边长，有三种角点形式(如图1)。
这种空间者虽不能被认定为最终解答，却是三维空间最理想的空间组合结构。
如果将这样的解答延伸到建筑、结构领域，无疑会给材料的节约与经济带来很大的优势。
这是Weaire-Phelan(下称W-P)多面体组合成为国家游泳中心的原因之一。
2、整体结构的生成
该结构最基本的特点是其几何构成不同于传统的空间网架结构，传统的网架结构都是由简单的基本单元(三角锥，四角锥等)组合而成。
而该结构以由W-P气泡衍生改良得到的多面体为基本单元，进行空间阵列，形成一个比“水立方”的实际体量大得多的空间多面体阵列结构。
这种经过阵列而未经旋转即进行切割得到的平板型多面体空间刚架结构的
俯视图，上下弦图案一致，非常简洁。
为了满足建筑立面上随机无序的视觉效果要求，将整个空间多面体阵列绕矢量轴(1,1,1)旋转60?，这时经过切割形成的屋盖和墙表面具有高度的重复性且仍能表现随机性。
多面体单元在两个切割平面上切出的边线就分别构成了屋盖结构的上弦、下弦杆件和墙体结构内外表面弦杆，两个切割平面之间的多面体棱边便为结构的腹杆。
3、单元结构力学性能
如前所述，W-P多面体组合构成的基本结构沿三个正交坐标轴是有规律的重复的。
因此，尽管外观呈现随机分布
状态，但实际上这种结构是建立在高度重复的基础上的。
这个阵列组成的无限空间内部只包含三个不同的表面、四种不同长度的边线和三种不同的节点。
这种结构上的高度重复无疑有利于对空间结构的建造同时，这种新型空间结构体系具有节点汇交杆件少的明显特征，每个节点的汇交杆件仅为四根。
而普通钢架结构中单个节点汇交杆件最少的蜂窝型三角锥网架为六根，在这种传统情况下，杆件在空间坐标上的定位是一个技术性的难题，而且费工费时，同时，多个杆件连接在一个节点上，对于节点处杆件位置的预留问题也提出了很高的要求。
而这两个问题在该新型空间结构中得到了很好的解决。
这种空间结构当杆件之间铰接时几何可变，且结构刚度会产生较大退化而影响正常使用，不能承受外荷载，因此杆件之间必须刚接，如此才能形成结构承受外力。
而传统的网架结构中，结构单元基本上是几何不变的三角形，杆件与节点之间为铰接或近似于铰接，在这种情况下，杆件仅在杆端存在拉力或压力这种沿轴分布的力(轴力)，而不存在弯矩形成的弯曲应力，是最为简单的二力杆结构。
而由于
W-P空间组合结构杆件均为刚接，其杆件内力除小部分的轴力外，还存在剪应力、弯曲应力等力。
其杆件两端弯矩大，弯曲应力比轴向应力大很多。
部分杆件弯矩产生的应力甚至达到总应力的80%以上。
另外，这种结构体系相比传统情况下汇交力系的二力杆结构，具有更好的
延性。
• “水立方”的膜结构采用ETFE膜材料，是双层气枕充气
膜材料，共由3097个气枕组成，是世界上规模最大的
膜结构工程，也是唯一一个完全由膜结构来进行全封闭
的大型公共建筑ETFE膜材在力学性能上强度大、韧性
好、抗拉性能好。
此外，ETFE膜材还具有很好的抗老
化能力，它无色透明、透光率好，具有很好的防火性能
与自洁能力。
作为整个建筑的维护结构，ETFE充气枕
中充满热的不良导体——空气，成为很好的保温隔热材
料同时，它密度小、自重轻，为结构问题的改良提供了
机会。
空间网架作为桁架形式的一种拓展，在节点荷载作用下，杆件主要承受轴力作用，其受力方式在某种程度上与桁架一致。
只是将线均布荷载转化为面均布荷载，荷载的传播路径基本不变。
3、新型多面体空间刚架结构的荷载分析
新型多面体结构虽然各杆件间采用刚接，杆件之间存在较大的弯曲应力。
但作为一个整体来看，整个结构可以简化为如图所示。
根据上述对空间网架的荷载分析，可以获得对空间刚架结构荷载作用浅层次的理解。
4、混凝土结构
游泳中心结构除主体“多面体空间刚架结构”外，其下部还设
置了全现浇钢筋混凝土池结构。
作为游泳池和跳水池。
空间刚架结构将荷载传递到混凝土结构上，再由此结构传至基础。
总结:
国家游泳中心设计新颖，尤其是结构的设计史无前例，是建筑结构界的创举。
该结构从无限等体积肥皂泡阵列几何图形学获得起源，经过组合、阵列、旋转、切割等过程，创造性的设计出了无先例、无规范、无标准的“三无”新型空间多面体延性刚架结构。
这一新型空间结构体系具有构成简单、重复性高、汇交杆件少、节点种类少等特点，简化了施工过程。
另一方面，“水立方”还大胆使用了ETFE膜材料作为维护结构，形成独特的美学效果。