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1、国 家 游 泳 中 心水立方结构分析姓 名：岳 敏学 号：1101103-21指导老师：蒋 毅主要内容一、工程概况二、多面体刚架结构的几何、受力分析三、ETFE 膜结构材料、力学性能分析四、荷载与结构整体受力分析1、工程概况 本工程的建筑造型为“充满水的立方体” ，平面尺177.338m177.338m，建筑墙体底标高+1.059m，屋顶标高30.587m。屋面及支撑墙结构由新型多面体空间钢架构成水滴的骨架。钢结构总用钢量共约 6300 吨，钢材选用Q345C、Q420C。结构节点形式分为球型、半球型、方钢管相贯三种，杆件分为圆钢管、方钢管两种形式。所有构件壁厚由 6mm 到 40mm。节点
2、9290 个，杆件数量将近 20670根。1、三维空间的最有效分割十九世纪末，爱尔兰数学家 Lord Kelvin 提出这样一个问题：如果将三维空间细分为若干个小部分，并且每个部分体积相等但要保证接触面积最小，那么这些细小的部分应该是什么形状？” 1993 年，爱尔兰教授 Denis Weaire和 Robert Phelan 提出一种解答：在一个组合体系中 设置 6个十四面体和 2 个十二面体，两者共有三种表面形状，一种六边形和两种五边形，棱边有四种边长，有三种角点形式（如图 1） 。这种空间者虽不能被认定为最终解答，却是三维空间最理想的空间组合结构。如果将这样的解答延伸到建筑、结构领域，无
3、疑会给材料的节约与经济带来很大的优势。这是 Weaire-Phelan（下称 W-P）多面体组合成为国家游泳中心的原因之一。 2、整体结构的生成该结构最基本的特点是其几何构成不同于传统的空间网架结构，传统的网架结构都是由简单的基本单元（三角锥，四角锥等）组合而成。而该结构以由 W-P 气泡衍生改良得到的多面体为基本单元，进行空间阵列，形成一个比“水立方” 的实际体量大得多的空间多面体阵列结构。这种经过阵列而未经旋转即进行切割得到的平板型多面体空间刚架结构的俯视图，上下弦图案一致，非常简洁。为了满足建筑立面上随机无序的视觉效果要求，将整个空间多面体阵列绕矢量轴（1,1,1）旋转 60，这时经过切
4、割形成的屋盖和墙表面具有高度的重复性且仍能表现随机性。 多面体单元在两个切割平面上切出的边线就分别构成了屋盖结构的上弦、下弦杆件和墙体结构内外表面弦杆，两个切割平面之间的多面体棱边便为结构的腹杆。3、单元结构力学性能如前所述，W-P 多面体组合构成的基本结构沿三个正交坐标轴是有规律的重复的。因此，尽管外观呈现随机分布状态，但实际上这种结构是建立在高度重复的基础上的。这个阵列组成的无限空间内部只包含三个不同的表面、四种不同长度的边线和三种不同的节点。这种结 构上的高度重复无疑有利于对空间结构的建造同时，这种新型空间结构体系具有节点汇交杆件少的明显特征，每个节点的汇交杆件仅为四根。而普通钢架结构中
5、单个节点汇交杆件最少的蜂窝型三角锥网架为六根，在这种传统情况下，杆件在空间坐标上的定位是一个技术性的难题，而且费工费时，同时，多个杆件连接在一个节点上，对于节点处杆件位置的预留问题也提出了很高的要求。而这两个问题在该新型空间结构中得到了很好的解决。这种空间结构当杆件之间铰接时几何可变，且结构刚度会产生较大退化而影响正常使用，不能承受外荷载，因此杆件之间必须刚接，如此才能形成结构承受外力。而传统的网架结构中，结构单元基本上是几何不变的三角形，杆件与节点之间为铰接或近似于铰接，在这种情况下，杆件仅在杆端存在拉力或压力这种沿轴分布的力（轴力） ，而不存在弯矩形成的弯曲应力，是最为简单的二力杆结构。而
6、由于 W-P 空间组合结构杆件均为刚接，其杆件内力除小部分的轴力外，还存在剪应力、弯曲应力等力。其杆件两端弯矩大，弯曲应力比轴向应力大很多。部分杆件弯矩产生的应力甚至达到总应力的 80%以上。另外，这种结构体系相比传统情况下汇交力系的二力杆结构，具有更好的延性。 “水立方” 的膜结构采用 ETFE 膜材料，是双层气枕充气膜材料，共由 3097 个气枕组成，是世界上规模最大的膜结构工程，也是唯一一个完全由膜结构来进行全封闭的大型公共建筑 ETFE 膜材在力学性能上强度大、韧性好、抗拉性能好。此外，ETFE 膜材还具有很好的抗老化能力，它无色透明、透光率好，具有很好的防火性能与自洁能力。作为整个建
7、筑的维护结构，ETFE充气枕中充满热的不良导体空气，成为很好的保温隔热材料同时，它密度小、自重轻，为结构问题的改良提供了机会。空间网架作为桁架形式的一种拓展，在节点荷载作用下，杆件主要承受轴力作用，其受力方式在某种程度上与桁架一致。只是将线均布荷载转化为面均布荷载，荷载的传播路径基本不变。3、新型多面体空间刚架结构的荷载分析新型多面体结构虽然各杆件间采用刚接，杆件之间存在较大的弯曲应力。但作为一个整体来看，整个结构可以简化为如图所示。根据上述对空间网架的荷载分析，可以获得对空间刚架结构荷载作用浅层次的理解。4、混凝土结构游泳中心结构除主体“多面体空间刚架结构” 外，其下部还设置了全现浇钢筋混凝土池结构。作为游泳池和跳水池。空间刚架结构将荷载传递到混凝土结构上，再由此结构传至基础。总结： 国家游泳中心设计新颖，尤其是结构的设计史无前例，是建筑结构界的创举。该结构从无限等体积肥皂泡阵列几何图形学获得起源，经过组合、阵列、旋转、切割等过程，创造性的设计出了无先例、无规范、无标准的“三无” 新型空间多面体延性刚架结构。这一新型空间结构体系具有构成简单、重复性高、汇交杆件少、节点种类少等特点，简化了施工过程。另一方面， “水立方” 还大胆使用了 ETFE 膜材料作为维护结构，形成独特的美学效果。
