見過水立方的人都會(huì)被它美麗輕盈的外表撥動(dòng)心弦。這個(gè)獲得國際橋梁與結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)杰出結(jié)構(gòu)大獎(jiǎng)的作品，除了有建筑師無比空靈的創(chuàng)意設(shè)計(jì)外，浙江大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心為之做出的創(chuàng)新與開發(fā)，也是實(shí)現(xiàn)“力”與“美”完美結(jié)合的關(guān)鍵之一。2012年2月14日舉行的國家科技獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，水立方工程建造技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐項(xiàng)目獲得科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。
水立方的設(shè)計(jì)靈感來自于“水泡”——一個(gè)笨頭笨腦的“方盒子”，如何看起來能輕盈活潑？中外聯(lián)合設(shè)計(jì)師團(tuán)隊(duì)提出，可以用理論物理學(xué)中的氣泡理論與ETFE氣枕來實(shí)現(xiàn)——當(dāng)“方盒子”穿上3615個(gè)大小不一的“水泡”簇?fù)矶傻耐庖?，呆板的氣氛就一掃而光，?dòng)感而時(shí)尚?？墒?，怎樣實(shí)現(xiàn)這個(gè)如夢似幻的構(gòu)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(lǐng)浙大空間結(jié)構(gòu)中心的科研團(tuán)隊(duì)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(jìn)行這樣一個(gè)龐大的工程，需要工程師先在電腦中建立結(jié)構(gòu)模型，經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算分析，繪出施工圖，再根據(jù)圖樣進(jìn)行實(shí)地安裝施工。“水立方的剛架結(jié)構(gòu)由20000多根桿件和6000多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，如果對建筑方案進(jìn)行任何改動(dòng)，整個(gè)結(jié)構(gòu)模型就需要重新調(diào)整。”董石麟介紹，在方案的初步設(shè)計(jì)階段，水立方的結(jié)構(gòu)模型是設(shè)計(jì)師通過圖形建模完成的。每一次修改模型，需要熟練的設(shè)計(jì)人員花費(fèi)7天的時(shí)間才能完成，而且會(huì)形成累積誤差。從設(shè)計(jì)到施工，還有巨大的時(shí)間鴻溝。
“在設(shè)計(jì)階段修改模型是一件隨時(shí)都可能進(jìn)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(jìn)行。”董石麟介紹，浙大的科研團(tuán)隊(duì)為此專門開發(fā)了一個(gè)建模軟件，能同時(shí)“駕馭”數(shù)萬個(gè)數(shù)據(jù)的變化。運(yùn)用這種數(shù)學(xué)模型軟件，普通計(jì)算機(jī)8分鐘即可完成水立方多面體剛架整體結(jié)構(gòu)的建模，而且無累積誤差，精度達(dá)16位有效數(shù)字。這樣，在水立方的深化設(shè)計(jì)階段，模型的修改就變得非常簡單快捷，這為水立方結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)深化和施工提供重要的技術(shù)支持。結(jié)構(gòu)工程師只需在電腦前等待片刻，一個(gè)符合實(shí)際建筑模型的水立方剛架模型就會(huì)馬上生成。
雖說“水泡”是輕盈的，但支撐這種“輕盈”的卻是一個(gè)造型獨(dú)特的大力士——“新型多面體空間剛架結(jié)構(gòu)。”“多面體空間剛架作為大跨度建筑主體結(jié)構(gòu)，它的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)研究中心趙陽教授介紹，這種結(jié)構(gòu)的核心部件是一個(gè)空心球節(jié)點(diǎn)和與之相連的4根鋼管。水立方對設(shè)計(jì)施工有一個(gè)前所未有的挑戰(zhàn)：從前的空間結(jié)構(gòu)中，空心球節(jié)點(diǎn)只受到來自鋼管的軸力，其設(shè)計(jì)方法相對簡單，但在水立方中，節(jié)點(diǎn)將同時(shí)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(tuán)隊(duì)經(jīng)過研究，對空心球節(jié)點(diǎn)的受力情況進(jìn)行了“庖丁解牛”式的分析，揭示了焊接空心球節(jié)點(diǎn)在軸力和彎矩共同作用下的受力性能和破壞機(jī)理，建立了焊接球節(jié)點(diǎn)復(fù)合受力條件下的承載力設(shè)計(jì)方法。“雖然一般人看起來這些錯(cuò)綜復(fù)雜的鋼管及其所連接的節(jié)點(diǎn)沒有規(guī)律可循，但其實(shí)是經(jīng)過了嚴(yán)密的力學(xué)計(jì)算與分析。”據(jù)了解，浙大開發(fā)的這一設(shè)計(jì)方法填補(bǔ)了國內(nèi)外已有設(shè)計(jì)規(guī)程中的空白，目前已被國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（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(xiàn)，浙江大學(xué)水立方科研項(xiàng)目組被“科技奧運(yùn)（2008）行動(dòng)計(jì)劃”領(lǐng)導(dǎo)小組、北京奧運(yùn)會(huì)科學(xué)技術(shù)委員會(huì)授予“科技奧運(yùn)先進(jìn)集體”，并獲“北京市奧運(yùn)工程科技創(chuàng)新特別獎(jiǎng)”。“這一種結(jié)構(gòu)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(gè)采用多面體剛架結(jié)構(gòu)形式的建筑物是在我們中國實(shí)現(xiàn)的。”董石麟說。
（文 周煒/攝影 盧紹慶）
