国家游泳中心设计方案形式独特、结构新颖，在建筑形式上取得了重大突破。同时，它融合了大量的高新科技，这些技术的应用将不仅可以提高运动员的比赛成绩，也对本中心其它的使用者产生了极大的吸引力。本文重点介绍了本项目在设计中的主要特点和部分高新技术的应用，其中的一些技术在世界上从未应用过。设计人的目标是将国家游泳中心设计成为世界上最先进的游泳设施，使2008年北京奥运会成为历史上最成功的奥运会。本项目的顺利实施将使国内的体育建筑提升到一个新的水平，同时为世界的体育建筑做出重要的贡献。 “水立方”概述
1、国家游泳中心背景介绍
为了举办2008年北京奥运会，北京市政府在城市北侧征地约1135ha，作为举办奥运会的核心区域，并将其命名为“奥林匹克”公园。其中森林公园680ha，中心区(四环路以北)291ha，其余为现状国家奥林匹克体育中心用地及其它用地。
奥林匹克中心区包括体育设施、文化设施、会议设施、商业服务设施和奥运村等。国家游泳中心位于奥林匹克公园中心区的南部，规划用地约6.95ha，主体建筑紧邻城市中轴线，并与国家体育场相对于中轴线均衡布置。
国家游泳中心的总建筑面积赛时将近80000m2。奥运会时用于游泳、跳水、花样游泳和水球决赛，赛后将成为多功能的大型水上运动中心，既可举办大型的国际国内水上比赛，又能为公众提供水上娱乐、运动、休闲和健身服务等，国家游泳中心内具有永久座椅4000个，奥运期间座椅总数为13000个。中心内包括游泳池、跳水池、热身池、嬉水乐园、餐饮、电影院，娱乐、私人俱乐部等。
2、设计团队介绍
中建国家游泳中心设计联合体共由4家单位组成。中国建筑工程总公司为牵头单位，负责整个设计工作的协调以及与外界的沟通和联络。同时，中国建筑工程总公司对整个项目的设计工作承担主要的责任和风险。本项目的中方设计人为中建国家深圳设计顾问有限公司。此公司是一家国内新兴的设计单位，其先进的管理理念和优秀的设计人员使得这家公司在这几年发展非常迅速。
本项目的外方设计人为澳大利亚PTW公司和ARUP公司。其中PTW公司具有丰富的奥运会设计经验，曾经参与过悉尼奥运会游泳馆、雅典奥运会游泳馆和其它奥运工程的设计工作。公司中具有多名奥运会运营和规划专家。ARUP公司为世界知名的工程设计公司，它的业绩遍及全世界做过很多民用工程和体育设施。在中国内地也非常活跃，参与了包括中央电视台新址、国贸三期和国家体育场的设计工作。
3、项目特点
本项目的设计将建筑理念和结构形式完美地结合在了一起，达到了精神与物质的统一。同时，在保证拥有世界级的功能设计的同时，又将中国的传统文化和建筑艺术作为设计指导思想。它的立面和屋顶结构设计独特，看似复杂，但是原理却非常简单，施工有很强的可实施性。设计将奥运会的使用和赛后利用紧密结合在一起，在保证比赛的同时，尽力实现赢利化的运营，减少运营中的投入。
在设计中我们尽量将高新技术融入到场馆当中，保证运动员能够最大限度发挥水平，争取创造更好的成绩。同时，紧密与环境保护和节能设计相结合，积极响应“绿奥运”的理
念。所有的设计都保证了国家游泳中心成为世界上最好的水上运动设施。
建筑设计
“简洁纯净的体形谦虚地与宏伟的主场对话，不同气质的对比使各自的灵性得到的共生，令人感到相得益彰。作为一个摹写水的建筑，纷繁自由的结构形式，源自对规则体系巧妙而简单的变异，却演绎出人与水之间的万般快乐。椰树、沙滩、人造海浪……将奥林匹克的竞技场升华为世人心目中永远的水上乐园。”
我们这样表述着“水立方”，是希望透过不多的文字告诉人们，这一设计的三个重要命题：奥运公园的体关系、结构与外观如何产生以及功能和运营的安排带给建筑的不同意义。
1、关于“水”与“方”
赫尔佐格的主体育场，如同评委所谓“推动性的、革命性的发展”的评语一样，我们看到的是对体育建筑语言模式的重构，雄伟、新奇、单纯、完整、明确、强烈是我们对它的解读。游泳中心与之同处于一组体关系中，构建一种饶有趣味的和谐并非易事。面对空间上一个无可争辩的控制者，任何分庭抗礼的努力都会成为无聊的举动，各自为政、孤芳自赏也会因缺少相互间内在的张力，而使环境变得无趣。要做的就是在主场已经确定的条件下，到一种共生的关系。所谓剑走偏锋，我们在与主场完全不同的审美取向上做了一种极端的努力，产生一个纯净得无以复加的正方形，用一种近乎毫无表情的平静表达对主场的礼让与尊重。同时，尊重并不意味着臣服，一个高级的共生关系应该可以彰显各自不同的特征。没有人希望看到一副木讷的嘴脸，而是期待平静后面的惊异与灵动。尤如文静娴淑的东方女性，时而也会呈现出睿智、活泼和热情。游泳馆是关于水的建筑，无论出于与主场气质上的对比的目的，还是对建筑的功能演绎，我们都希望摹写出关于人与水之间的种种快乐：流动、多变、不确定、宁静、奔涌、潮起潮落……凡此种种。
最终，我们选择了一种自由的结构和气泡的外墙，希望任何一个普通人，穿透平静的第一印象，看到漫天的水泡，伴随着惊喜得到一种仿佛置身在水中的快意。这样平静的外表与内在的浪漫，如同在形体上与主场的对应一样，体现的是事物中矛盾双方的平衡，也即阴阳相济的关系。
方形是中国古代城市建筑最基本的形态，在方的形制之中体现了中国文化中以纲常伦理为代表的社会生活规则。生存空间和生活资源相对匮乏的中国社会，需要严格的社会规则下的生存。对规则的尊重是提升人的社会层次的唯一途径。这不免有些负面的成分，但规则并不限制智慧的光芒。中国历史上经典的文化成果及千古传颂的人物，无不是这种规则与灵性的复合体，一个尊重现实规则而又灵光四射的事物，必然是易于被人接受的。
我们选择一个方形，同样认为“方”是对既有事物最好的尊重，而且可以与其内在的浪漫产生更强烈的对比，从而激发出更多的趣味。“方”的选择是一种极湍的努力，单独接触它并不见得很快被人接受，但面对众多竞赛方案的权衡比较，面对与主场间难以协调的关系，一种极端的努力往往会成为最容易接受的事实。这让我们想起贝氏的卢浮宫金字塔，同样面临需要协调的环境，外观上的极端无为，反而成为其存在的依据。这是一种东方式的思维，一种寻事物间均衡关系的努力。面对主场我们希望得到的均衡就是“我的平静是因为你的热烈与新奇，我的灵动是因为你的壮美与坦然”。
2、结构与表皮
内在的浪漫是靠自由的结构形式和ETFE气泡的外表营造的。这是一种消解了建筑固有的几何关系的自然观感，但它仍然是有严格逻辑的。Arup的工程师精彩地实现了规则与
自由问的对应关系，非常契合整个建筑的思维方式。
规则是建筑被人接受而且易于建造的保证，自由是我们盼望的结果。把一个基本单元体作为一个几何单元，在空间中相互拼合，以每个边线作为钢杆件，形成空间钢框架体系，这就是结构体系的基本规则。设想如果这种体系没有边界，它将是一种统一单元无限重复的空间格构框架。我们将这种格构框架在空间上设定一个角度，然后用建筑所要求的各个界面去切割，由于角度的作用，每一个作为结构几何单元的十二面体与界面相切的位置不同，会呈现不同形状的切面。所以我们在外立面上便得到了一种自然状态的若干多边形组成的图案。每一个多边形上覆盖一个ETFE气泡，这就是“水泡”的外观。可以看到这一结构体系一直是在理性与规则中操作，仅在形成结果的最后一个环节，使之呈现了一个自然状态。值得说明的是，前面提到的切割面与格构框架间的角度，这一角度与几何单元间存在一定的关系，可以使得外观的自由图案以一定范围做“四方连续”的重复，这可以更好地为实施带来方便，但这种重复被控制在不易察觉的程度上。我们认为这一结构解决方案，使代表着建筑内在逻辑体系的“构”没有被“解”掉，而是在一个纷繁自由的外观下得到了强化和尊重，这种努力使“水立方”真正成为建筑而不是雕塑。因为雕塑是依靠艺术家的智慧之手确定每一细节，别人是难以参与的，而这一设计设定的是一个程序，任何人遵循这一程序输入相同的原始条件都会得到同样的结果，这无疑使之具备相当好的工程意义。
ETFE是近年国际上渐渐流行的材料，格雷姆肖、赫尔佐格等大师都有用它建成的作品。它的外观特性用在这一设计中非常恰当。这是一种叫做“聚四氟乙烯”的超稳定有机物薄膜，中间充气形成气枕，
边界固定在铝合金边框上形成一个个扇页，再将边框固定在结构构件上。其节点与施II艺与一般的玻璃天窗大同小异。这种材料与家用不粘锅内的“特富龙”属同族物质，表面附着力极小，对灰尘、污水的自洁性能大大优于玻璃，在北京的特殊气候下，无疑是现有材料中最好的透明半透明的材料。
结构形式和材料将在后面的章节中做详细介绍。
3、功能和运营
现代奥运会已超越纯竞技体育的意义而成为世界性的大聚会，是社会、文化、科技的综合展示场。对中国对北京更有深刻的精神意义。基于这种考虑，在满足比赛需要以后，我们不但安排了大量赛后运营的活动内容，还赋予它更多的场所意义。赛后运营的主体是人造冲浪海滩，围绕它还有种类繁多的水上娱乐、健身、培训等设施，建成后是北京最大型、最全面的市民水上游乐中心。赛场北侧的临时座椅拆除后，形成独立的高级水上健身会所，南侧的临时座椅拆除后，形成连接东侧主场轴线与西侧商业区的室内步行街。步行街一边有若干餐饮、酒吧、商场、电影院等设施；一边是椰林掩映下的冲浪沙滩。它将是奥运公园一带颇具特的城市空间。
4、景观设计和文物保护
景观设计中的圆形水池寓意方块落在水面溅出的水花，水滴四溅，滴水荡出涟漪，形成NSC的自然景
观。这些“水滴”形成场地上与水相关的景观小品，如水池(有选择地种以植物)、雕塑、喷泉等。正如中国古城池被河水环绕一样，四周以线性水池与陆地分开，仅以桥在建筑入口处相连。
国家游泳中心为北顶寺提供了一个多变的背景，我们的设计将两者紧密联系，而不是互相对立。在国家游泳中心南侧的开放空间之中，通过精心设计的景观将北顶娘娘庙和国家游泳中心集合起来，自然而然地完成了天然景观与建筑艺术的转换，也标示着这个城市从历
史走向现代的过程。我们正在兴建一座奥林匹克绿城市，国家游泳中心就在它的最前面。
国家游泳中心延续了奥林匹克公园的总体规划思想，引导了一个方型建筑的序列，使得它北侧的建筑能够根据它所定义的形状向下延伸。
结构设计
国家游泳中心的结构体系基于三维空间的最有效分割模型。此结构模型自然界中普遍存在，例如细胞组织单元的基本排列形式、水晶的矿物结构，以及肥皂沫的天然构造。
结构设计的灵感来源于Kelvin的“泡沫”理论，将水泡的结构放大到建筑结构的尺度。这样的结构形式至今还仅存于自然界，尚未被用于建筑结构模型。这种独特设计带来的特殊视觉效果和空间感受给人一种神秘的美感。
1、空间结构的由来
19世纪末期，Load Kelvin提出了如下问题：“如果我们将三维空间细分为若干个小部分，每个部分体积相等但要保证接触表面积最小，这些细小的部分应该是什么形状7”
在过去的100年中，许多人都对这个数学难题提出了不同的解决方案，但是都不是非常完美。到了1993年，两个爱尔兰教授Weaire和Phelan提出了新的解决方案，即由两个不同的单元体构成，其中一个为14面体(2个面为六边形，12个面为五边形)，另一个为12面体(所有面均为五边形)
Weaire－Phelan模型一直延用至今，它是三维空间最理想的组成结构。我们就用它作为国际游泳中心的结构设计基本模型。
2、空间结构的形成
尽管它呈现出复杂性及有机的形式，但实际上它具有很高的重复性。此结构中只存在3种不同的面，4个不同的边，3种不同的角点或节点。所以国家游泳中心可用高度重复性的空间钢结构桁架来进行安装。这个结构是基于世界上对数学结论最有挑战性的答案，同时也是自然界里最普遍存在的形式，也就是人文、技术及绿结合的答案。
以下是对国家游泳中心空间结构形成过程的描述，为简单起见，形成过程用二维平面来代表三维空间。
第一步是构造一个空间钢桁架的单个单元。
这个单个单元可在两个方向上重复以形成大面积的空间钢桁架结构。
为了创造一个大小不一的图案，可把已形成的结构旋转一下。在这个示范中，我们旋转了45度角。在三维空间中，这个形成的立方体是在两个轴线上旋转的。也就是，横向旋转一次，纵向旋转一次。
旋转完毕后，用“磨具切割机”按照最终的屋顶轮廓把形状切出来。
最后一步是把切出来的空间钢结构桁架清理一下。把屋顶及墙体周边不需要的杆件清理掉。最后就形成了一个不仅具有高重复性而且具有高效率的空间钢结构桁架。
3、空间结构的几何分析
前面已经提到，这种结构看似复杂，但是具有非常高的重复性。我们对这个空间结构桁架不同杆件的长度作了个归类。这个归类包括了30度转角及45度转角的这两种几何形式。以便读者有更直观的认识。
(1)30度角几何形式
①表面层：表面层是指屋顶的上层及下层，墙体的内层及外层。该表面层形成了空间钢结构桁架体系的主要受力杆件。图7是30度转角的屋顶平面几何示意。可以看出一个与水平方向成30度角的重复性图案。为了得出重复性的高低情况，我们对实际杆件的长度作了个分析。表面层杆件长度变化较大。
②内部结构对内部结构的杆件情况，我们也做了相
同的研究，可以看出与外表层类似的图案，但沿30度角的图案比外表层的更清晰。重复的单元体也清晰可见。
总结杆件长度的分析可以看出，内部杆件的长度有很高的重复率，在占有总杆件71％的内部杆件中，只有4种不同的杆件长度。这些杆件代表了空间钢结构桁架体系的内部杆件并形成一部分基本单元的重复性。
剩余的29％的杆件，具有74种不同的杆件长度。这些杆件将外表面层及内部典型单元体连接起来。
总结起来，内部杆件重复性高。空间钢结构桁架杆件及其连接可用重复性的模式来加工制作。然后可以非常有限的节点形式采用焊接或螺栓连接。
(2)45度角几何形式
①面层结构：结构的重复性在沿45度角的方向是清晰可见的。可以看出97％的杆件只有9种不同的长度，剩余的3％的杆件拥有9种不同的长度。比30度的情况具有更大的重复性。这种增加的重复性减少了建筑外观的随机性。
②内部结构：30度角所生成的空间框架的内部结构具有很高的重复性，70％的杆件只有4种不同的长度。45度结构的重复性更高，90％的杆件具有4种不同的长度。
总的来说，由于结构是由简单的单元体组合而成，所以它具有很高的重复性。对于结构的施工还是相当可行的，只要将一些具有相似长度的杆件焊接或用螺栓连接在变化不多的节点上即可。
4、空间结构的受力分析
我们采用了Strand7有限元分析软件对结构进行了分析并用其它几个软件对计算结果进行校核，并对杆件的尺寸进行了优化。此过程可以确定空间框架中杆件的优化截面面积，以保证达到结构的最小重量。
我们根据设计规范对全部屋面和部分屋面杆件的应力进行了分析。设计荷载考虑了静载、风载和雪载的组合方式。我们发现所有应力均在允许范围之内。上顶面的最大应力为大约270n／mm2。
5、空间结构的挠度分析
我们对在静载、活荷载、风载和雪载的情况下的结构挠度进行了分析。最大静荷载挠度为245mm。按照最大跨度115m考虑，最大挠度比为1／470，在允许的范围之内。最大的活荷载挠度为105mm，挠度比为1／1000。静载加活载的挠度比1／319。
最大的雪载挠度为150mm，挠度比为1／766。静载加雪载的挠度为395mm，挠度比为大约1／300这也在允许范围以内。最大侧向风载挠度为115mm，挠度和高度的比值为1／300，非常安全。
总的来说，由单元体组成的空间框架结构具有足够的刚度，其挠度值在允许范围以内。
静载挠度最大的垂直挠度=245mm。
