水立方多面体空间钢架结构与ETFE膜结构探讨

北京奥运国家游泳中心(水立方)主体结构创造性地采用了由气泡理论衍生的新颖合理的多面体空间钢架结构,其屋顶和墙体全部采用了ETFE膜结构。目前,水立方是世界上规模最大的膜结构工程,介绍了这一新型多面体空间钢架结构的构成及其工作性能并阐述了ETFE膜结构的材料性能。

大跨度空间钢结构施工技术研究

首先阐述了大型空间钢结构的特点,以及施工过程中应重点考虑的问题和众多施工方法的合理选用。然后以国家游泳中心“水立方”、广东科学中心、国家羽毛球馆3个工程为例,阐述施工过程中技术问题的解决方法。

新型多面体空间刚架的几何构成优化

基于气泡理论的新型多面体空间刚架系由类WP多面体单元经组合、阵列、旋转、切割而生成,它有别于传统空间结构由单元体简单组合而成。因此,基本单元的形状与尺寸、旋转轴、旋转角度、切割面位置等都是影响整体结构几何构成的重要参数,也是结构几何构成优化的主要内容。通过对这些参数的分析比较,本文提出新型多面体空间刚架几何构成的优化准则,提出最优切割面和可行切割面的重要概念,从而为建立各种高效合理、同时充分满足建筑效果的结构构成提供理论依据与可行方法。在此基础上,结合国家游泳中心“水立方”结构,具体说明了本文提出的优化原则与方法在实际工程中的应用与效果。本文研究揭示了多面体空间刚架结构区别于传统结构的一个重要特点———建筑尺寸由结构的几何构成所确定。

新型多面体空间刚架的基本单元研究

基于气泡理论的多面体空间刚架是一种全新的空间结构,具有重复性高、汇交杆件少、节点种类少,结构承载、抗震、延性好等特点,在国家游泳中心“水立方”结构中得以应用。这种新型结构的基本单元是气泡理论中对三维空间进行有效填充的多面体。本文提出了新型多面体空间刚架结构中的基本单元———类Weaire-Phelan多面体单元,并通过图形解析和数学解析两种方法研究基本单元的几何构成,揭示了该类单元的重要特征———其基本形状仅由一个独立参数所控制,可定义其为形状控制参数c,并进一步揭示了多面体空间刚架中c的合理取值范围以及c和空间刚架总杆长及杆长种数的关系。这些研究成果为这一新型结构的几何构成奠定了理论基础。