說起北京的新地標(biāo)，最閃耀的莫過于水立方。水立方能勝于鳥巢搶人眼球，最大的亮點莫過于根據(jù)細(xì)胞排列形式和肥皂天然結(jié)構(gòu)設(shè)計而成的氣泡。夜幕降臨時，這些氣泡時而呈現(xiàn)出藍(lán)、綠、紅等色彩。這樣外形的建筑，全世界獨一無二。

昨天，水立方的建造單位，憑借著建造時的技術(shù)創(chuàng)新，獲得了2011年度國家科技進步一等獎。當(dāng)中的成員單位之一就是浙江大學(xué)。如果當(dāng)初浙江大學(xué)團隊不能解決建筑結(jié)構(gòu)上的難題，或許，今天的水立方造型就不復(fù)存在。

國內(nèi)頂尖專家出馬

水立方建造時提出的是一個多面體剛架結(jié)構(gòu)，屬于空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。在這個領(lǐng)域，浙江大學(xué)卻是全國最強的院校，擁有了國內(nèi)最頂尖的專家之一中國工程院院士董石麟。

“接到任務(wù)時，只看到設(shè)計師提供的方案設(shè)計圖，要將水立方設(shè)計成一個個氣枕圍護的空間結(jié)構(gòu)體系。”董石麟的學(xué)生、浙江大學(xué)博導(dǎo)趙陽說，國內(nèi)外之前也沒有類似的建筑，建筑設(shè)計師提出的新理念能不能運用到實際的建筑，特別是要符合房屋建造安全使用年限，心里并沒有底。

但是，圖紙上水立方的造型誘惑力很大，誰都沒有輕言放棄。作為水立方結(jié)構(gòu)科研攻關(guān)團隊的負(fù)責(zé)人，董石麟帶著成員一次次地往返北京、杭州，尋求突破的辦法。

氣泡”為什么3年后才獲獎？

水立方是2008年1月竣工。時隔3年，才因為建造技術(shù)創(chuàng)新與實踐拿到國家科技進步獎，主要是獎項本身對工程類項目的要求，為了檢驗工程質(zhì)量的安全可靠性。水立方項目剛好趕上這個時間節(jié)點。

工程中應(yīng)用了哪些創(chuàng)新技術(shù)？

8分鐘建模無累積誤差

“每幢房子建造時都會建立數(shù)字化模型，通過計算機計算出結(jié)構(gòu)受力、使用材料等，為實際建造提供依據(jù)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。”趙陽說，結(jié)構(gòu)分析的最終目的，就是要知道怎樣把這些氣枕通過剛架支撐起來，而且要做到百年風(fēng)吹不倒、抗震的建筑。要達到這個目的，就必須先建立起一個分析模型。

如果是一個普通的建筑，外觀不會復(fù)雜，也就是簡單的橫平豎直。趙陽說，可是，當(dāng)建筑目標(biāo)外觀布著若干不規(guī)則的氣泡的水立方時，平時建筑結(jié)構(gòu)分析時使用的建模軟件根本不能用，只能重新開發(fā)一套適合水立方的系統(tǒng)。

董石麟說，最初拿到的水立方的結(jié)構(gòu)模型，是通過圖形建模完成的，每一次修改模型需要熟練人員花7天時間才能完成，而且會形成累積誤差。為解決這一問題，他帶領(lǐng)著團隊建立了精準(zhǔn)率極高的“新型多面體空間剛架幾何構(gòu)成數(shù)學(xué)模型”，開發(fā)了數(shù)學(xué)解析的嵌填式建模技術(shù)，實現(xiàn)了8分鐘建模，而且無累積誤差。

首創(chuàng)空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)技術(shù)

趙陽說，支撐水立方表面氣枕的多面體剛架結(jié)構(gòu)，是理論物理學(xué)的氣泡理論在建筑領(lǐng)域的首次運用。

當(dāng)氣泡理論與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合時，新的問題又?jǐn)[在了董石麟團隊面前。

趙陽介紹，水立方表面有3600個大小不同的氣泡，也就是專業(yè)上所說的ETFE（聚氟乙烯）氣枕。

“還是利用氣泡理論，將一個個多邊形立體化，共形成6000多個節(jié)點。每個節(jié)點只用4根鋼管來支撐。”趙陽解釋，一般空間結(jié)構(gòu)的每個節(jié)點至少有6根鋼管，可是，因為使用了基于氣泡理論的多面體剛架，每個節(jié)點只有4根鋼管，否則就不能形成氣泡了。這就造成節(jié)點的受力情況特別復(fù)雜。“這是在全世界都沒有可以參考的技術(shù)。經(jīng)過很多輪的實驗，我們團隊提出了復(fù)雜受力焊接空心球節(jié)點的設(shè)計方法。”

董石麟說，這一空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)，填補了國內(nèi)外空白，直接運用于水立方設(shè)計，并且還被國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》所采納。

說到構(gòu)成多面體剛架的2萬多根鋼管，趙陽解釋，站在水立方外看到的很多氣泡邊條，那不是鋼管，而是氣枕充氣后的密封裝飾材料。支撐整個水立方的鋼管位置隱蔽，需要近距離透過氣枕才能看到。這樣做是不妨礙氣枕呈現(xiàn)的美觀性。

“水立方的用鋼量，每平方米是97千克；鳥巢的用鋼量，每平方米是420千克。”董石麟說，雖然水立方的用鋼量要少很多，可是安全程度一點都不遜色。

可適用于哪些建筑領(lǐng)域？

董石麟團隊的水立方結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新，他說，可以更多地用于火車站、機場、體育館等大跨度建筑領(lǐng)域的建設(shè)，不僅可以做到外形美觀，還可以達到安全、高效、輕質(zhì)的建筑功效。“不過，現(xiàn)在國內(nèi)外的建筑中，還僅僅用于水立方。”

之所以多面體剛架結(jié)構(gòu)沒有鋪開應(yīng)用，主要是一般的建筑對外形要求并不特殊，無須采用這樣的結(jié)構(gòu)形式。

趙陽提到，雖然大型建筑中尚未用到多面體剛架技術(shù)，但是，氣枕技術(shù)在建筑上應(yīng)用已小范圍嘗試，如廣州新火車站、蘇州時代廣場，并有規(guī)模使用的趨勢。