揭开“鸟巢”膜结构的面纱 鸟巢效果图﹐白色部分为膜结构 谈起具有膜结构的奥运场馆﹐我们首先想到的往往是淡蓝色的“水立方”。但您是否 知道﹐另一座标志性的奥运场馆──国家体育场“鸟巢”也有膜结构。不同於“水立方” 全部被膜所包裹的形式﹐“鸟巢”的膜结构位於屋盖的位置﹐为观众“挡风遮雨”。那麽 ﹐“鸟巢”的膜结构具有怎样的特点﹖膜材料又是如何被安装上去的﹖随着参与膜结构工 程的专家的介绍﹐“鸟巢”膜结构的面纱开始被慢慢揭开…… 两层薄膜轻掩钢骨 承建“鸟巢”膜结构工程的是北京纽曼帝莱蒙膜建筑技术有限公司和一家德国公司组 成的联合体﹐纽曼帝莱蒙公司的董事长廖扬给记者介绍了“鸟巢”膜结构的总体情况。 据介绍﹐膜结构共分为两层﹐最外层为屋面围护膜﹐第二层为声学吊顶膜。 屋面围护膜由1024个膜片组成﹐总面积约42000平方米﹐最大膜片的单元面积约250平 方米﹐最小膜片为5平米﹐使用的膜材为ETFE膜。这种膜材相信大家都很熟悉﹐因为国家 游泳馆“水立方”使用的正是这种材料。不同之处是“水立方”为充气的气囊式ETFE膜﹐ 而“鸟巢”则是单层张拉的ETFE膜。 而第二层的声学吊顶膜﹐分为下部声学吊顶、看台声学吊顶和内环声学吊顶三部分﹐ 由1044个膜片组成﹐总面积约53000平米﹐使用的膜材为单层的PTFE膜。 为什麽要这样安排两种膜的顺序﹖曾经作为专家顾问参与过“鸟巢”膜结构工程论证 工作的中国建筑科学研究院的赵西安教授解释说﹐ETFE膜具有超强的耐紫外线的功能﹐耐 久性非常好﹐能够抵抗风雨的侵蚀和紫外线的照射﹐所以把它放在最外层。 但这层膜是透明的﹐阳光可以几乎毫无阻拦地穿过它﹐让观众长时间地暴露在阳光下 显然是不行的﹐於是就需要第二层膜──不透明的PTFE膜来起到遮挡作用。另外﹐PTFE膜 还具有吸声作用﹐可以用它来减少噪音和对周围环境的影响。由这些不透明的膜将钢架遮 挡起来﹐也可让观众更好地将注意力集中在比赛上﹐以营造更好的比赛气氛。 据了解﹐“鸟巢”的膜结构并不是覆盖全身﹐而主要是集中在屋面的位置﹐一直延伸 到其“肩部”下面一点。廖扬说﹐在原设计中﹐“鸟巢”的膜结构就不是舖到底的﹐这样 做的原因﹐一方面是可以节省费用﹐另外也使体育场内的有更好的通风条件。 那麽﹐为什麽要给“鸟巢”的屋面舖上膜﹐而不是其他的材料﹖赵西安说﹐当然﹐用 铝板或玻璃板做材料也可以﹐但选用膜可以大大地减轻鸟巢的负担﹐因为鸟巢的跨度大﹐ 用钢量也大﹐轻质的材料可以减轻它的负担﹐因为膜一平方米也就几公斤的重量﹐比起采 用玻璃一平方米几十公斤的重量﹐整个体育馆几万平方米的覆盖面积﹐其减轻的重量是一 个不小的数字。 那麽﹐这些膜是如何安装上去的﹖ 给鸟巢装上“窗户” 廖扬说﹐简单地讲﹐给“鸟巢”装膜就好象做窗户一样﹐先制作一个由铝合金和不锈 钢制成的金属框﹐然後将膜放置到金属框中。然後通过它与“鸟巢”主体钢结构之间固定 的边界来衔接﹐由一套夹具系统将金属框连接在钢结构主体上。 据介绍﹐在安装时﹐工作人员通过垂直运输的工具﹐比如吊车或者滑轮组﹐将制作好 的膜材料打成卷﹐运送到它需要安装的位置﹐将卷打开﹐先进行一些初步的连接﹐然後开 始给膜施加预张力。施加预张力是膜结构安装中最重要的一环﹐说白了﹐就是把膜给拉紧 。这就好比鼓皮一样﹐鼓皮是软的﹐如果不绷紧的话﹐鼓棰一敲很容易破掉。绷的越紧﹐ 鼓就越有劲﹐膜结构也一样。进行初步连接以後﹐工作人员就会沿着膜的四边﹐用施力的 工具﹐把它给拉过来﹐施加预张力﹐使其张的特别紧之後﹐再固定住﹐整个膜的安装就完 成了。 据了解﹐为了满足排水的需要﹐工作人员还需要在钢结构主体上﹐围绕安装膜的单元 格焊一圈排水天沟﹐外围的ETFE膜和排水天沟直接相连。由於ETFE膜是透明的材料﹐不能 承受很大的强度﹐所以工作人员通过给它增加辅助的支撑系统﹐比如钢梁和索网﹐来增加 它的水平钢度﹐提高其抵抗外力的能力。 设计过程优化创新 “鸟巢”膜结构在设计工作中经过了不断的优化和创新﹐使设计更加合理﹐更能适应 新的变化。 廖扬说﹐在原来的设计中﹐ETFE膜在每个单元中都若干个小钢拱﹐将单层的ETFE膜撑 起来﹐变成一个向上的凸面。联合体对这个设计进行了研究和论证﹐认为这个上浮的弧面 不符合“鸟巢”的现实情况。 假如体育场的屋面全部是平的﹐这时将膜拱起的话﹐增加了坡度﹐有利於解决积水和 积雪的情况。但现实的情况是﹐“鸟巢”的屋面不是平的﹐单元格的最小坡度都有9度﹐ 利用它的自然坡度已经足够。假如此时再将膜拱起的话﹐一面的坡度虽然会增加﹐但同时 另一面的坡度却大大减小﹐对於解决积水和积雪的问题非常不利﹐有画蛇添足之嫌。 最後﹐联合体说服业主和总包商﹐将ETFE膜由凸面的设计改为平面﹐利用其自然坡度 ﹐更好地排水和防积雪﹐而且还节省了很多费用﹐更经济﹐也更有效。这是联合体接触膜 结构工程之後对其做出的一个重大改进。 “鸟巢”的设计方案在经过优化之後﹐用钢量大大减小。但同时也给膜结构的施工带 来了新的难题。因为鸟巢用钢量减小後﹐钢梁的厚度减小了﹐承受附加的力的能力也有所 降低﹐这就要求膜结构安装上之後﹐对钢结构主体施加的力不能超过15千牛﹐而这非常难 以做到﹐怎麽办﹖ 工作人员想出了一个非常巧妙的办法来解决这个问题。原来﹐膜结构的附加梁都是卡 在单元格当中的﹐假如有外力的话﹐附加的梁会给主梁一个拉力或推力﹐使主梁难以承受 。工作人员通过调整设计﹐在原来的基础上延伸出一部分﹐并安装了一些滑动的支座。这 样﹐当有外力的时候﹐附加的梁就可以移动﹐这一动﹐就将本来施加给主梁的压力泄掉了 ﹐起到了一个类似缓冲区的作用﹐解决了这个问题。 现在﹐鸟巢的膜结构已经完成了设计工作﹐马上就要开始进行制做。明年的2、3月份 ﹐将正式开始膜结构的安装工作。相信不久的将来﹐我们就可以看到“鸟巢”轻披“薄纱 ”的样子﹐而膜﹐也会让这座充满阳刚之气的建筑更多一份柔和。 科技奥运网记者 张超 　　2007年8月27日﹐北京2008奥运会 “鸟巢” 53000平方米的PTFE内层膜结构开始安装 吸音膜结构。膜结构位於钢结构上弦下部20至30厘米处﹐只覆盖弯曲段﹐把看台遮住。下 层膜主要是一层吸音吊顶﹐通过这层膜可以保证“鸟巢”内的声音清晰。 鸟巢内外两层膜结构 　　据介绍﹐考虑到鸟巢这个庞然大物是钢结构﹐变形系数大﹐只能用膜给它穿外衣。鸟 巢开始舖设的ETFE和PTFE膜﹐共计11万平方米。面积超过了国家游泳中心(水立方)。 　　与水立方不同的是﹐鸟巢舖的是两层膜。外层是用来挡雨的ETFE膜﹐ETFE膜下12米的 位置﹐将舖设用於吸音的PTFE膜。鸟巢建设单位总经理谭晓春告诉记者﹐PTFE膜实际上是 一层“隔音幕”﹐加上一些声学技术的处理﹐能够较好地解决噪音问题。同时配合钢结构 构件上设置的一些吸音材料﹐以及场内使用的电声扩音系统﹐使“鸟巢”内部的语音清晰 度指数达到0.6───这个数字完全能保证坐在场内任何角落的观众﹐都能清晰地听到广 播。另外﹐此内膜可遮蔽钢结构屋顶和屋架内的设备、管道。整个舖膜工作将於今年下半 年完成。 双保险让鸟巢不怕鸟 　　鸟巢身後便是680公顷的奥林匹克森林公园﹐鸟儿难免来鸟巢串串门儿﹐赛场内外都 会成为它们的光顾之地。但鸟巢顶棚的外层膜结构虽然和水立方一样﹐能常保清洁、抵抗 低温烟火的侵蚀﹐但仅有0.25毫米厚度的膜却也有个很大的弱点:怕鸟雀的利爪。此外﹐ 群鸟在鸟巢停留﹐粪便也是个大问题。为了拒鸟於鸟巢之外﹐在鸟巢的顶部四周﹐安上了 类似於机场用的驱鸟装置。考虑到此法拦不住一些漏网之鸟﹐在鸟巢外层膜上﹐还舖设了 停鸟线﹐就是保证鸟雀有地方落﹐不致伤膜。 　　另外﹐与水立方的膜一样﹐鸟巢的膜也带有自洁功能﹐利用雨水或安装在钢结构上的 喷淋系统﹐灰尘、鸟粪和膜上的一些霉块也会被一洗了之。 　　鸟巢顶棚的排水措施 　　鸟巢顶棚上舖设的ETFE膜有1000多块﹐绷在钢结构组成的空隙里﹐组成了1000多个小 屋顶。如果下大雨﹐这些小屋顶的排水就成了问题。国家体育场中方总设计师李兴钢告诉 记者﹐设计人员想出让这个庞大的钢结构建筑物取巧排水的办法。如果遇到大雨﹐膜结构 上的积水将顺着边上的天沟﹐流到隐藏在钢结构中的120个大水槽里﹐这时再利用已经安 装好的虹吸排水系统﹐让雨水通过40多根预先藏到钢梁里的雨水立管流进排水柱﹐再进入 地下蓄水池过滤净化後再次利用。雨洪利用系统年处理雨水能力为5万立方米。 　　开闭幕式只能用冷烟火 　　据介绍﹐如果北京奥运会开闭幕式燃放礼花﹐因为膜的问题﹐将必须使用冷烟火。普 通礼花燃烧的温度在400摄氏度左右﹐即使落到膜上温度有所降低﹐也会将膜融化。 　　冷烟火燃烧时的温度只有270摄氏度﹐落在膜上也就100摄氏度左右﹐符合膜能扛住 100多摄氏度的性能﹐保证膜不融化。 --

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