奥运十年|亲历者讲述水立方建设经历的九曲十八弯

2018-03-26 09:39 北京奥林匹克公园

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【编者按】

2018年8月8日,是北京奥运会成功举办10周年纪念日。10年来,北京2008年奥运会对中国的经济和人民的生产、生活带来的巨大影响仍在继续。从今日开始,“奥运十年”栏目将不定期与您见面,让我们和奥运人一同回望北京奥运的光辉岁月,眺望冬奥,只为宝贵的北京2008奥运精神得以延续。

文、图|夏波光 顾静

从2003年12月24日到2008年1月28日,1000多个日日夜夜,见证了水立方这个传奇从无到有的过程。人们见到的是美轮美奂的梦幻场馆,见不到的却是无数为之付诸心血的设计建设者。4年的工期里,一个又一个难题被攻克,一道又一道阻碍被克服,留下了一个让所有人为之惊叹的“水的传奇”。

2003年12月24日上午9时50分,北京中轴线北端两侧的工地彩旗飘动,全世界媒体的目光聚集这里,水立方在这一天举行了奠基仪式。中央和北京市有关领导,港澳台侨同胞捐资代表霍震霆、黄志源先生共同为水立方建设工程的奠基石铲下了奠基土,水立方正式进入开工建设阶段。

每个亲历开工仪式的人都记得一个历史细节:天气预报这一天大风降温,但出乎意料的是,那天上午的天气非常好,风和日丽,而中午仪式一结束,大风降温就开始了。有人说,这简直就是在预示水立方建设过程的艰辛,因为有太多的“坎儿”等待着建设者逐一攻克。

2水立方奠基仪式

水立方奠基仪式

如影随形的创新之旅

“在竞标阶段,你所想的一切就是赢得竞标,把施工阶段真正的困难都置之脑后,一旦赢得了标的,头脑冷静下来,这才心一沉,感到这任务可能完成吗?”澳大利亚奥雅纳工程顾问公司的工程师特里斯特拉姆·卡弗里在水立方设计方案中标后,在狂欢胜利之后坦诚相告。而他的疑虑也存在很多工程师和奥组委组织者的脑海里。但既然公众和评委们都选择了水立方,那么开弓就没有回头箭。

水立方独特的钢膜外围护结构的设计,涵盖的内容是一般工程设计所无法比拟的。水立方的建设从一开始就注定了需要不断攻克创新难题,而边科研边攻关边建设,也注定了重重挑战在前方等待着所有建设者。

3-2003年11月15日,水立方工地开始平整场地

2003年11月15日,水立方工地开始平整场地

设计工作是服务于整个项目进程的,也是需要最早完成的工序。中建设计联合体的水立方方案中标后,中方总设计师赵小钧打出了他的第一张“牌”——清华大学建筑系毕业的设计师郑方。他被赵小钧委任为水立方设计中方执行总负责人。

郑方回忆说:“2003年8月盛夏的一个夜晚,我和赵小钧吃过晚餐之后,一起来到了北新桥的天海商务中心C座三层。赵总随即拿出一个大纸盒,里面装了厚厚的五本书,称为国家游泳中心设计服务协议。我从头开始阅读,读得一头雾水。合同条款之复杂,感觉远远超出了我的智力范围。就此,我开始了水立方项目的1000多个日日夜夜。”

设计过程从竞赛方案以后经过了几个主要阶段:方案优化、初步设计和施工图设计。方案优化的思想贯穿了整个设计过程。这些优化包括建筑、结构和机电工程各个专业。

4-2004年3月6日,工程桩施工准备

2004年3月6日,工程桩施工准备

“那时候对于这个复杂的设计,完全不知道自己能够做什么,怎么样才能把设计图纸发展下去。之后,北新桥的天海商务中心C座三层的这个办公室先后出现了白晋安、弋洪涛、商宏等人,再加上陆续加入的郑权、任勐、钟柏青等众多青年建筑师;施永芒、邢民等各位结构工程师;还有王霓、毛红卫、赵书义、平川、李志涛等各位机电工程师,办公室开始变得忙碌而紧张。” 郑方说,那个时候还有王敏等中方设计师和澳大利亚的同事们在悉尼工作,并不时地发回最新图纸。

2003年12月24日夜,水立方奠基的那个夜晚,北京市机械施工公司开始土方开挖作业。然而那个时候,很多人并不知晓,虽然经过中建设计联合体没有昼夜地工作了近5个月,但工程设计只完成了50%的成果,而钢结构与膜结构这两个最难啃的“硬骨头”还亟待设计完善:全部设计工作的最终完成仍要经历一段很长的时间。

5-2003年12月24日夜,挖掘机开始在水立方工地开槽作业

2003年12月24日夜,挖掘机开始在水立方工地开槽作业

2003年12月,水立方破土动工前,中建国际设计顾问有限公司的主要结构设计人员在总工程师傅学怡的带领下起身奔赴悉尼,随身携带着程序建模、总装分析等主要初步设计的中间成果。本是两地作战的中澳设计团队为何要“会战”悉尼?

水立方的建筑结构在北京奥运会的所有比赛场馆中,构思最奇特,设计也最具创新精神。整座建筑的结构体系,其实是水的微观分子结构的放大。整个场馆拥有一个充满魔幻色彩的水蓝色建筑外观,而进入其内部,则感觉犹如进入了一个水分子的世界。“水立方”的外墙体和屋面围护结构采用新型钢结构+膜结构体系,该体系由一系列类似于细胞、水晶体的空间多面体刚架单元和ETFE(聚乙烯-四氟乙烯共聚物)充气薄膜共同组成。

6-水立方的钢架结构的美更加震撼人心

水立方的钢架结构的美更加震撼人心

设计方案评选之时,评委、中国工程院院士沈世钊就表达了自己的担心:“这个结构的设想的确是非常创新,但是到目前为止仅仅是想法,从全世界来说也就是个想法,没有一个工程实现过。”

一个全新的建筑结构出现的时候,饱受质疑再正常不过。在设计竞赛时,评委们给水立方提出了三条建议:建议建筑面积由11万平方米缩减至8万平方米,建筑适当后退红线;研究围护材料ETFE在白天时的效果;为回避结构风险,可采用成熟结构替代。

2003年夏天,众多设计师在北新桥的天海商务中心很快解决掉了第一个问题:把水立方原本东西向的热身池进行了一个90度的旋转,从而把水立方从最早边长为199米的正方形,缩减为边长184米的正方形,最后确定为边长177米的正方形,缩减了建筑规模。至于围护材料ETFE在白天时的效果,无疑需要在此后的工作中进行试验并加以解决。但建筑结构要用成熟结构替代,也许是一种有把握而不担风险的处理方法,但那样水立方必将成为一个披着“假机构”的“真建筑”。

“假结构的真建筑不是没有,但那样一来,整个建筑的实用面积将大大缩小,如果那样,我想水立方不可能在2010年获得国际桥梁与结构工程协会杰出结构大奖,更不可能在2011年获得国家科技进步一等奖。” 中建设计联合体的结构总工程师傅学怡说,水立方是中外建筑师工程师创新构思的梦幻建筑,国内外无先例可参考、无规范可遵循,这也注定了需要自主创新,去开发世界首创的多面体空间刚架结构体系,作为大跨度屋盖及其支承墙体唯一主体结构;同时要开发满足奥运比赛要求的世界最大ETFE气枕围护结构体系,覆盖所有屋盖墙体。

中建设计联合体中的奥雅纳建筑工程顾问公司在结构、机电方面赫赫有名,水立方多面体空间刚架钢结构几何构成来自于物理学“气泡理论”,而提出使用者正是奥雅纳工程顾问有限公司的垂斯特(Tristram Carfree)。

“中国的物理学中没有气泡理论,一开始我也是一个学习者,但是作为一个工程,要去实践它,澳方有些东西做的就不对了。”2003年7月, 中建设计联合体在就结构体系如何组成向技术专家论证会阐述的时候,傅学怡担任了奥雅纳工程师皮特(Peter)的翻译,但仅仅过去了5个月,随着设计的逐渐深化,傅学怡对于澳方的设计思路有了不同的看法。

傅学怡说,水立方地处8度抗震设防区域,下部的钢筋混凝土结构为上部大跨复杂钢结构的支座,那么这就需要进行下部混凝土结构与上部钢结构进行总装分析,而不能只采取传统的单独上部结构与单独下部结构的计算分析结果来进行结构设计。

7-水立方的钢结构安装上气枕即为水立方的外墙,可谓“真结构”,而非中看不中用

水立方的钢结构安装上气枕即为水立方的外墙,可谓“真结构”,而非中看不中用

傅学怡1968年毕业于清华大学土木系,在苏州市建筑设计院工作期间,曾在1985年公派英国伦敦奥维纳工程顾问公司进修结构工程师,此番悉尼之行名为会商,实际则是对奥雅纳的很多做法提出了质疑。当年的学生,近20年后成为了这家赫赫有名的工程顾问公司澳大利亚分公司的质疑者。

在悉尼,中澳设计团队就水立方的方案设计中存在的若干重大原则问题与初步设计如何深化和优化进行了讨论,并最终达成决议:钢结构的建模由原来的耗时较多、精度有限的作图构成改为由多面体空间构成理论指导的自编程序构成,提高精度。钢结构腹杆Y形截面改为圆管,节点连接由高强度螺栓连接改为球节点焊接等等。

“由于1985年的时候,我在英国的奥雅纳公司工作过,用英文来探讨技术问题并不存在障碍。” 傅学怡说,会商富有成效,而根据上述重大设计修改原则,奥雅纳建筑工程顾问公司按设计合同分工继续完成钢结构初步标书设计,中建国际设计顾问有限公司“接管”后续全部结构初步设计、施工图设计及施工服务。

“接管”的含义不言自明:澳方在结构设计方面逐渐淡出,中方将独自解决水立方建筑结构今后面临的全部问题。

8-傅学怡接受笔者采访

傅学怡接受笔者采访

中方设计团队从悉尼回来之后,由国资公司牵头(牵头人为赵志雄),由中建国际设计顾问有限公司、浙江大学、中国建筑科学研究院、清华大学、哈尔滨工业大学、沈阳远大、中建一局等10余个高校、科研、施工单位组成的“国家游泳中心结构关键技术的研究”课题组成立,组织了上百名科技精英团队,围绕水立方两大成套创新技术联合攻关。

在尚未获立项批准落实经费的情况下,为配合工程的设计需要,课题组主动开始了大量研究攻关工作。而攻关内容包括了:新型多面体空间刚架结构几何构成数学模型及嵌模式建模技术;上部多面体空间钢结构与下部钢筋混凝土结构整体总装分析技术;多面体刚架结构延性设计方法等诸多内容。

9-赵志雄

赵志雄

中国三峡总公司北京奥运游泳中心项目建设管理部的负责人曾国顺介绍说:“‘水立方’建设的最大难度,是所有过程基本上都是边研究边施工,拿出研究数据经过专家验证,形成可操作的规范以后才能变成图纸,最后实施。钢结构、膜结构、灯光演示照明系统都是边研究边试验进行论证形成规范,才变成设计图才实施的过程,这是一个非常艰难的过程。但是在业主方北京国资公司开明的领导下,整个团队的氛围非常融洽,这也是‘水立方’能够成功建造的重要原因。”

连闯三关的结构设计

正是受设计条件所限,以及工期的压迫,水立方的施工招标是分成两个标段进行的:土方及地基处理和施工总承包。为配合现场进度,2004年4月底前,设计团队需要完成全部施工图纸,以便于业主进行总承包商招标。

“北新桥的办公室在2004年初的时候聚集了60多位同事。每天都有密集的设计信息传递。2月份,王敏和奥雅纳的Marian Foley密切联系,及时地搞定了性能化消防的大课题。”设计师郑方介绍说,随着初步设计逐渐显现,更多设计师加入项目组,大家以一种为奥运服务的激情凝聚,义无反顾地投入到紧张的设计工作里面。我那时候产生了这种感觉:我们有这么多充满激情的优秀的建筑师和工程师,必定能够完成最不可能的任务。

在郑方的记忆中,有一段时间,北新桥办公室的灯是24小时常开的。2004年4月28日凌晨,各专业开始分批出图。

“每个专业的同事出完图,就到雍和宫桥北边的金鼎轩吃宵夜。从午夜到黎明,同事们陆续来到金鼎轩,大家看着第一缕阳光从二环方向透进餐馆的木格窗,那种共同完成战斗的快乐写在每个人疲惫的脸上。”郑方说,那一刻也许今生他都不会再忘记的。

10-郑方

郑方

郑方说,“428版”施工图和技术规程是水立方建造的基本文件。然而就是这些基本文件诞生不到一个月的时间,巴黎发生了一件让世界都为之瞩目的事件:2004年5月23日,巴黎戴高乐机场2E候机厅顶棚发生坍塌事故。

这一事件引起了北京市政府对2008奥运场馆安全性的严重关注。毕竟鸟巢、水立方这些场馆结构新颖,国内外从未建造。

郑方回忆说,他和总工程师傅学怡被紧急召集到了市规委开会。鸟巢和五棵松篮球馆的总工也在。学建筑出身的陈刚副市长那时候还是规委的主任,他在会上认真阅读了三个场馆的结构报告,并提出了安全复核的要求:增加全国抗震超限专项审查。

“什么是超限?在这个事件出来之前,我国的抗震超限专项审查只针对高层建筑,大跨建筑是不需要的,但就是从水立方这次开始,全国所有超过120米的大跨建筑都被列入了全国抗震超限专项审查。” 傅学怡说,在已经取得的科研成果支持下,设计团队又经过一个月日夜奋战,于2004年6月20日研制完成了水立方抗震专项审查主报告及11个专项补充报告。水立方在经受了常规的抗震审查后,于2004年7月8日,一次顺利通过全国抗震超限审查。而当时一同参加会议的另外两个场馆,五棵松的商场和鸟巢的开启屋盖优化消失。

然而,审查还没有结束。也许是受巴黎戴高乐机场候机厅顶棚坍塌事故影响,也出于对奥运场馆安全性的周密考虑,国际奥委会也加入了审查行列。2004年10月,水立方即将完成全部施工图设计前,国际奥委会指定英国结构工程师斯蒂芬·莫利(stephon molley)作为结构顾问对水立方结构安全性进行了专项检查。

“斯蒂芬·莫利着重关注了荷载、稳定、节点、界面四大问题。” 傅学怡说,一个月以后,斯蒂芬·莫利(stephon molley)发出正式通知,认可了水立方结构的安全性。

连闯三关的水立方结构设计,在2004年12月迎来了好消息。在北京市政府的支持下,由国资公司牵头的“国家游泳中心结构关键技术的研究与应用”课题在北京市科委通过立项,并对第一批钢结构节点、构件实验研究成果进行了鉴定,鉴定意见为:“成果填补了国内外空白,达到国际领先水平。”2005年3月,上述科研项目进一步在国家科技部通过立项,同年11月,科技部对全部科研成果进行了鉴定,鉴定意见为:“科技成果填补了国内外空白,总体达到国际领先水平。”

然而,水立方建设更难的难关还在后面……

来源于《北京奥林匹克公园》 千龙网综合

本文部分图片由郑方先生提供,在此致谢

责任编辑:张博(QF0005)

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