摘要 本文通过介绍世界面积最大的充气膜结构工程——北京奥运国家游泳中心“水立方”膜结构设计的部分难点，阐述设计师尊重建筑设计、重视建筑环境、注重维护结构功能与美学、不断创新的设计理念。强调完美的建筑源于完善的设计，完善的设计是艺术与技术的完美融合。

关键词 膜结构设计、ETFE特性、ETFE膜应用、气枕

“水立方”国家游泳中心，是2008年北京奥运会标志性建筑物之一，承担奥运会游泳、跳水、花样游泳、水球等比赛项目。

“水立方”位于北京奥林匹克公园内，长宽均为177m，高31m，规划建设用地62950㎡，建筑面积87283㎡，ETFE气枕面积约10万㎡。整个建筑由3700多个气枕构成，其中，一些气枕跨度达10m，是世界面积最大、技术难度最大、最复杂的膜结构工程！

“水立方”以方型的建筑形态体现与“鸟巢”和谐共生的中国文化理念，“水立方”钢结构采用的新型基于气泡理论的多面体空间钢架体系，属国内外首创！

“水立方”与国家体育场（鸟巢）分列于北京中轴线的两侧，二者相得益彰，如果说“鸟巢”是团带有激情的火，那么“水立方”则是散发柔美浪漫的水。水是整个建筑的主题：流动、多变、宁静、奔涌……水的流动、多变和不确定性给人们以不同的体验。遥望“水立方”，是一个水蓝色的世界，宛如一潭蓝色的湖水，平和而宁静。近处的“水立方”则是一个透明的“冰块”，游泳中心内部设施尽收眼底，壮观而震撼。

“水立方”是一个具有很高科技含量的建筑，结构设计面临着许多国内外前所未有的课题，包括：新型空间结构体系的几何构成与优化；新型空间结构体系的整体分析及延性与抗震设计；各类连接节点的受力性能与实用计算方法；各类变截面杆件的实用分析计算方法；大型长方体结构的风雪洞试验研究等。

《国家游泳中心结构及室内环境关键技术研究》课题通过对新型空间结构几何构成与优化、结构整体分析与设计、结构风雪冰试验、各类节点和杆件计算方法与实验、室内环境声光电热研究、ETFE立面装配系统研究等方面的研究，完成将最终的成果直接应用于国家游泳中心的设计与施工，确保工程安全、经济、合理，同时纳入国家新版网格结构技术规程等课题立项目标。

 

工程的设计、施工工作严格遵照《国家游泳中心屋面及墙面ETFE装配系统工程技术及施工质量验收标准》，AS/NZS ISO 9000 质量管理，AS/NZS ISO 9001 质量体系，AS/NZS ISO 9002 质量体系—生产、安装和服务质量保证的范例以及相关的国内规范。

《国家游泳中心屋面及墙面ETFE装配系统工程技术及施工质量验收标准》专为“水立方”工程而制定，并已经过权威专家评审。

国家游泳中心“水立方”ETFE充气膜结构体系由内侧钢结构支撑框架、铝合金固定夹具（包括夹具、夹具定座、夹具扣板、密封胶条、衬垫和连接的组合装配系统）、ETFE气枕、充气系统等部分组成。

ETFE充气膜结构作为一种全新的设计理念，无论是在气密性、水密性、抗风压变形性能方面，还是在隔热、吸声降噪等方面都极具难度和挑战性。

ETFE气枕铝合金夹具是固定ETFE气枕的夹具、夹具定座、夹具扣板、密封胶条、衬垫和连接的组合装配系统。

（1）夹具型材

气枕边缘的绳索夹在铝合金夹具中的夹具构件中， 夹具构件可以设计成独立的夹具形式，如屋面和天花吊顶的气枕夹具，也可以设计为整个夹具中的一个构件，如立面气枕上的夹具。

（2）夹具底座

对于复杂组合装配情况下的夹具主体：夹具被设计成互锁的结构，夹具底座直接连接固定到主结构上，是立面气枕的主体。

（3）夹具扣盖

铝合金夹具扣盖与夹具底座是立面气枕夹具的密封盖、装饰盖，同时与夹具底座一起固定气枕，以提供气枕边缘的夹扣压力同时作为整体夹具组合的密封盖。

我公司所采用的各种铝合金型材均满足幕墙规范的要求，国内尚无规范的，参照欧美标准执行；承力铝型材、转接件、栓、钉均通过有限元计算，满足计算要求；转接件与主体钢构的连接，夹具底座与转接件的栓接，夹具型材与夹具底座的配合相连，夹具扣盖与夹具底座的栓接，夹具穿入夹具型材等部位连接可靠，夹具底座胶条与夹具扣盖胶条对膜形成围护。

 

作为奥运及国家大型比赛场馆，对吸声降噪及室内混响，特别是雨噪音降噪的要求比较高。针对此种特殊需求，工程专门为赛时制定了雨噪音降噪方案，即在屋面ETFE气枕处安装Texlon雨噪音降噪网，使比赛时运动员及观众更少的受到外界干扰，使该建筑更好的发挥其使用功能。

 

进入建筑物的光线和光线的遮挡是由钢结构、屋面天沟和ETFE夹具来控制，

此外，ETFE装配系统通过外屋面和墙面的EFFE膜上的镀点图案密度变化也有助于遮挡光线，满足不同部位光线遮挡和光线透射进入室内的设计要求。

 

外立面墙的结构：三层ETFE膜气枕结构，外立面夹具绝热。

内立面墙的结构：三层ETFE膜气枕结构，内立面夹具不绝热。

室内空间的墙体：二层ETFE膜气枕结构

外屋面结构：四层ETFE膜气枕结构，外屋面天沟绝热比内屋面气枕绝热提供更好的绝热性能。

内屋面天花板：四层ETFE膜气枕结构，内部天花板天沟绝热，比内部天花板气枕提供更好的绝热性能。

屋面及立面结构中的绝热组合提供充分的绝热性能，满足设计规范要求。

“水立方”采用多重密封防水构造设计，具有良好的水密性和气密性。

国家游泳中心包括两个立面，外立面和内立面。外立面阻止雨和雪进入建筑物，工程将最初的“C型钢构＋防水保温”更新为“铝型材＋复合胶条”形式。复合胶条是由三元乙丙实体和海绵体复合而成，该种胶条的采用，很好的解决了水密问题，同时优化了外视效果，使现场安装更加方便、快捷，并在建筑的外表面形成了连续的防水屏障。

 

在屋面，ETFE装配系统次龙骨采用“钢天沟＋防水保温层”形式，ETFE膜夹具勾挂在钢天沟边沿，钢天沟做为主要受力构件，自攻自钻钉仅起到固定作用，使该部位的受力更加合理。屋面部位同墙体一样采用特定复合胶条，使雨水很难渗漏到室内，同时，自攻自钻钉尖部暴露于室外，即使自攻自钻钉孔处漏水，水滴最终仍会流到室外。天沟内采用优质防水及保温材料，并与虹吸排水系统紧密联系。此种结构形式的采用，使屋面更好发挥其防水功能。

在内立面，设置了系统的排水通道，使空腔（内外立面之间）结露水通过天花板的排水槽排走，从而阻止了结露水进入建筑内部。