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关于奥运科技的科普小知识(0/0)
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  基本材料
 
  “鸟巢”外形结构主要由巨大的门式钢架组成,共有24根桁架柱,现已完成20根桁架柱整柱及2根下柱吊装。国家体育场建筑顶面呈鞍形,长轴为332.3米,短轴为296.4米,最高点高度为68.5米,最低点高度为42.8米。
 
  设计方案的改变
 
  在保持“鸟巢”建筑风格不变的前提下,新设计方案对结构布局、构建截面形式、材料利用率等问题进行了较大幅度的调整与优化。原设计方案中的可开启屋顶被取消,屋顶开口扩大,并通过钢结构的优化大大减少了用钢量。大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上,柱距为37.96米。主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置,有22榀主桁架直通或接近直通。为了避免出现过于复杂的节点,少量主桁架在内环附近截断。钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件,交叉布置的主桁架与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。主看台部分采用钢筋混凝土框架一剪力墙结构体系,与大跨度钢结构完全脱开。
 
  说起Q460钢材,大多数人可能都不了解。“鸟巢”结构设计奇特新颖,而这次搭建它的钢结构的Q460也有很多独到之处:Q460是一种低合金高强度钢,它在受力强度达到460兆帕时才会发生塑性变形,这个强度要比一般钢材大,因此生产难度很大。这是国内在建筑结构上首次使用Q460规格的钢材;而这次使用的钢板厚度达到110毫米,是以前绝无仅有的,在国家标准中,Q460的最大厚度也只是100毫米。以前这种钢一般从卢森堡、韩国、日本进口。为了给“鸟巢”提供“合身”的Q460,从2004年9月开始,河南舞钢特种钢厂的科研人员开始了长达半年多的科技攻关,前后3次试制终于获得成功。如今,为“鸟巢”准备的Q460钢材已经开始批量生产。2008年,400吨自主创新、具有知识产权的国产Q460钢材,将撑起“鸟巢”的铁骨钢筋。在“鸟巢”里一共用了4.2万吨钢材。
 
  特殊结构
 
  此外,屋顶内环主桁架吊装和立面次结构安装已全面展开。“鸟巢”钢结构所使用的钢材厚度可达11厘米,以前从未在国内生产过。另外,在“鸟巢”顶部的网架结构外表面还将贴上一层半透明的膜。使用这种膜后,体育场内的光线不是直射进来的,而是通过漫反射,使光线更柔和,由此形成的漫射光还可解决场内草坪的维护问题,同时也有为座席遮风挡雨的功能。滑动式的可开启屋顶是体育场结构中必可少的一部分。当它合上时,体育场将成为一个室内的赛场。如同一个容器的盖子,不管屋顶是闭合还是开启,它都是建筑物的基本组成部分。除了一些特定的结构需要外,可开启屋顶的结构基本上也是一个网络状的架构,装上充气垫后,成为一个防水的壳体。“
 
  “鸟巢”——避雷不伤人
 
  “鸟巢”外表光秃秃的,没有突起的避雷针,要遇到打雷该怎办?
 
  其实不用担心,因为:“鸟巢”的整个钢筋铁骨就是理想的“笼式避雷网”。“鸟巢”身上的金属构件和钢筋混凝土中的钢筋等,都通过焊接的方式连接在一起,使“鸟巢”自身形成了一个巨大的避雷网,能把雷电迅速导入地下。
 
  可是“鸟巢”用自身的钢架接受、传导雷电,会不会危机到里面观众的安全呢?
 
  这个你可以大大放心,专家早已考虑到了,凡是场馆内人能触摸到的地方,都做了特殊处理,雷电决不会伤害到人类的。
 
  更为匠心独具的是,“鸟巢”把整个体育场室外地形微微隆起,将很多附属设施置于地形下面,这样既避免了下挖土方所耗的巨大投资,而隆起的坡地在室外广场的边缘缓缓降落,依势筑成热身场地的2000个露天座席,与周围环境有机融合,并再次节省了投资。
 
  “鸟巢”的屋顶
 
  滑动式的可开启屋顶是体育场结构中必可少的一部分。当它合上时,体育场将成为一个室内的赛场。如同一个容器的盖子,不管屋顶是闭合还是开启,它都是建筑物的基本组成部分。除了一些特定的结构需要外,可开启屋顶的结构基本上也是一个网络状的架构,装上充气垫后,成为一个防水的壳体。
 
  “水立方”不仅是一幢优美和复杂的建筑,她还能激发人们的灵感和热情,丰富人们的生活,为人们提供记忆的载体。因此设计中不仅利用水的装饰作用,同时还利用其独特的微观结构。采用在整个建筑内外层包裹的ETFE膜(乙烯-四氟乙烯共聚物)是一种轻质新型材料,具有有效的热学性能和透光性,可以调节室内环境,冬季保温、夏季散热,而且还会避免建筑结构受到游泳中心内部环境的侵蚀。
 
  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。
 
  2006年德国世界杯主要赛场之一的慕尼黑安联体育场也使用了ETFE气枕式外墙,但与水立方相比,两者的区别在于,德国安联体育场的气枕覆盖面积为6万平方米,而水立方则达到为10万平方米;安联运动场是单层气枕并且是规则排列的,水立方则是双层气枕,并且几乎没有形状相同的两个气枕。
 
  按照设计方案,水立方的内外立面膜结构共由3065个气枕组成(其中最小的1-2平方米,最大的达到70平方米),覆盖面积达到10万平方米,展开面积达到26万平方米,是世界上规模最大的膜结构工程,也是惟一一个完全由膜结构来进行全封闭的大型公共建筑。无论对设计还是施工、使用都是一个极大的挑战,对ETFE膜的材料、通风空调、防火、声、光、电的控制等技术提出了一个难度很大的课题。
 
  新型环保设计
 
  游泳中心内的游池应用了许多创新式的设计,如把室外空气引入池水表面,带孔的终点池岸,视觉和声音发出信号等。还有一些高科技设备,如确定运动员相对位置的光学装置、多角度三维图像放映系统等,这些装置将帮助观众更好地观看比赛。
 
  在设计中还充分考虑了环保的需要。为了减少二氧化碳的产生,在设计中减少了电的使用。利用太阳能电池提供电力。幅地使用了新型材料,使空调和照明负荷降低了20%-30%。另外,游泳中心消耗掉的水分将有80%从屋顶收集并循环使用,这样可以减弱对于供水的依赖和减少排放到下水道中的污水。系统对废热进行回收,热回收冷冻机的应用一年将节省60万度电。还有现代化消防装置为建筑量身定做,比常规设施节约74%。
 
  在建筑节能上,“水立方”的设计也有独到之处。在“水立方”总共8万平方米的建筑面积中,3万平方米屋顶将使雨水的收集率达到100%,而这些雨水量相当于100户居民一年的用水量;在光的利用上,由于“水立方”采用了特殊的膜材料和相应的技术,使得该场馆每天能够利用自然光的时间达到了9.9小时,一年下来,8万平方米的“水立方”将节约大量的电力资源。
 
  科研创新是“水立方”建筑设计中的一大亮点,它所采用的特殊膜材料、钢结构,以及室内环境设计,在奥运场馆建筑历史当中很多都是空白,因此,科技创新成为 “水立方”建设工作中的重头戏,经过参建各方共同努力,“水立方”项目中经国家有关部门批准立项的科研项目达到10多项,此外,“水立方”的建设还产生了类似项目的施工验收标准。
 
  人性化的设计细节
 
  “水立方”设计注重细节,充分考虑运动员和观众需求,体现了北京奥运会“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的三大理念。
 
  作为奥运会的比赛场馆,国家游泳中心首先要满足奥运会期间的比赛需要。“水立方”的设计将尽可能的让运动员在这里感到舒适,让观众感到舒适。而这种舒适往往来自很小的细节。“水立方”拥有跳水池、比赛池、热身池,这些池子的水温及其所在厅的温度没有太大的差异,这就为运动员稳定发挥创造了良好条件。
 
  此外,“水立方”在地面的设计上也花费了不少心思,由于比赛池和热身池中间有一定距离,运动员在这两池之间往往是赤脚往返,“水立方”对这段路程的地面做了特殊、细致的处理,届时,“运动员走过去都很舒适”,不会觉得脚凉。
 
  防雷设计:
 
  “水立方”与“鸟巢”相似,也是采用了传统的防雷技术。 “水立方”的地下及基础部分是钢筋混凝土结构,地上部分是钢网架,钢结构与钢筋混凝土结构中的钢筋通过焊接连接,共同形成了一个立方体的笼子。屋面上,镶嵌、固定一块块充气枕的是槽形的钢构件,钢构件又宽又厚,与“水立方”四壁的钢网架焊接为一体,支撑着整个屋顶。雷雨天气里,这些钢构件的作用更是非同小可。它们一方面作为天沟,收集、排除屋面的雨水;同时又充当了接闪器,及时将雷电流引到“笼式避雷网”,保护整个建筑物的安全。这是一个非常理想的“笼式避雷网”,完全依靠建筑物自身结构中的材料,无须单独架设避雷针、做引下线或接地体,屋面没有突出的避雷针或避雷带,既经济美观又安全可靠。
 
  抗震设计:
 
  “水立方”是典型的外柔内刚。外部只看到充气薄膜,好像弱不禁风,而支撑这些薄膜的是坚实的钢结构,里面观众看台和室内建筑物为钢筋混凝土结构。“水立方”的墙壁和天花板由1.2万个承重节点连接起来的网状钢管组成,这些节点均匀地分担着建筑物的重量,使其坚固得足以经受住北京最强的地震。“水立方”的地下部分是钢筋混凝上结构,在浇筑混凝上的时候,在每根钢桂的位置都设置了预埋件(上部为钢块),钢结构的钢柱与这些预埋件牢固的焊接在一起,就这样,地上部分的钢结构与地下部分的钢筋混凝土结构形成一个牢固的整体。正是靠着优越的结构形式和良好的整体性,“水立方”才拥有了“过硬的身体”,达到了抗震8级烈度的标准。
 
  奥林匹克火炬是经国际奥委会批准的、用于奥林匹克圣火燃烧的、可手持的火炬。奥林匹克火炬是奥林匹克圣火的载体。从1936年的第11届奥运会开始,每届奥运会都诞生一支体现主办国家文化特色并符合高科技要求的火炬并成为奥林匹克运动的重要遗产。
 
  北京奥运会火炬长72厘米,重985克,燃烧时间15分钟,在零风速下火焰高度25至30厘米,在强光和日光情况下均可识别和拍摄。在工艺方面使用锥体曲面异型一次成型技术和铝材腐蚀、着色技术。燃料为丙烷,符合环保要求。火炬外形制作材料为可回收的环保材料。整个火炬高雅华丽,内涵厚重,带有浓郁的中国特色,和谐地将中国文化与奥林匹克精神结合在一起。其所蕴含的“渊源共生,和谐共融”理念充分是对奥林匹克精神和奥林匹克圣火内涵的一次独特诠释。祥云、漆红、纸卷轴等中国元素的融入,使得古老的东方文明和现代的奥林匹克精神再一次完美结合,迸发出耀眼的火花。
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