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说起北京的新地标，最闪耀的莫过于水立方。水立方能胜于鸟巢抢人眼球，最大的亮点莫过于根据细胞排列形式和肥皂天然结构设计而成的气泡。夜幕降临时，这些气泡时而呈现出蓝、绿、红等色彩。这样外形的建筑，全世界独一无二。

昨天，水立方的建造单位，凭借着建造时的技术创新，获得了2011年度国家科技进步一等奖。当中的成员单位之一就是浙江大学。如果当初浙江大学团队不能解决建筑结构上的难题，或许，今天的水立方造型就不复存在。

国内顶尖专家出马

水立方建造时提出的是一个多面体刚架结构，属于空间结构领域。在这个领域，浙江大学却是全国最强的院校，拥有了国内最顶尖的专家之一中国工程院院士董石麟。

“接到任务时，只看到设计师提供的方案设计图，要将水立方设计成一个个气枕围护的空间结构体系。”董石麟的学生、浙江大学博导赵阳说，国内外之前也没有类似的建筑，建筑设计师提出的新理念能不能运用到实际的建筑，特别是要符合房屋建造安全使用年限，心里并没有底。

但是，图纸上水立方的造型诱惑力很大，谁都没有轻言放弃。作为水立方结构科研攻关团队的负责人，董石麟带着成员一次次地往返北京、杭州，寻求突破的办法。

气泡”为什么3年后才获奖？

水立方是2008年1月竣工。时隔3年，才因为建造技术创新与实践拿到国家科技进步奖，主要是奖项本身对工程类项目的要求，为了检验工程质量的安全可靠性。水立方项目刚好赶上这个时间节点。

工程中应用了哪些创新技术？

8分钟建模无累积误差

“每幢房子建造时都会建立数字化模型，通过计算机计算出结构受力、使用材料等，为实际建造提供依据、准确的数据。”赵阳说，结构分析的最终目的，就是要知道怎样把这些气枕通过刚架支撑起来，而且要做到百年风吹不倒、抗震的建筑。要达到这个目的，就必须先建立起一个分析模型。

如果是一个普通的建筑，外观不会复杂，也就是简单的横平竖直。赵阳说，可是，当建筑目标外观布着若干不规则的气泡的水立方时，平时建筑结构分析时使用的建模软件根本不能用，只能重新开发一套适合水立方的系统。

董石麟说，最初拿到的水立方的结构模型，是通过图形建模完成的，每一次修改模型需要熟练人员花7天时间才能完成，而且会形成累积误差。为解决这一问题，他带领着团队建立了精准率极高的“新型多面体空间刚架几何构成数学模型”，开发了数学解析的嵌填式建模技术，实现了8分钟建模，而且无累积误差。

首创空间网络结构技术

赵阳说，支撑水立方表面气枕的多面体刚架结构，是理论物理学的气泡理论在建筑领域的首次运用。

当气泡理论与建筑结构相结合时，新的问题又摆在了董石麟团队面前。

赵阳介绍，水立方表面有3600个大小不同的气泡，也就是专业上所说的ETFE（聚氟乙烯）气枕。

“还是利用气泡理论，将一个个多边形立体化，共形成6000多个节点。每个节点只用4根钢管来支撑。”赵阳解释，一般空间结构的每个节点至少有6根钢管，可是，因为使用了基于气泡理论的多面体刚架，每个节点只有4根钢管，否则就不能形成气泡了。这就造成节点的受力情况特别复杂。“这是在全世界都没有可以参考的技术。经过很多轮的实验，我们团队提出了复杂受力焊接空心球节点的设计方法。”

董石麟说，这一空间网格结构技术，填补了国内外空白，直接运用于水立方设计，并且还被国家行业标准《空间网格结构技术规程》所采纳。

说到构成多面体刚架的2万多根钢管，赵阳解释，站在水立方外看到的很多气泡边条，那不是钢管，而是气枕充气后的密封装饰材料。支撑整个水立方的钢管位置隐蔽，需要近距离透过气枕才能看到。这样做是不妨碍气枕呈现的美观性。

“水立方的用钢量，每平方米是97千克；鸟巢的用钢量，每平方米是420千克。”董石麟说，虽然水立方的用钢量要少很多，可是安全程度一点都不逊色。

可适用于哪些建筑领域？

董石麟团队的水立方结构设计创新，他说，可以更多地用于火车站、机场、体育馆等大跨度建筑领域的建设，不仅可以做到外形美观，还可以达到安全、高效、轻质的建筑功效。“不过，现在国内外的建筑中，还仅仅用于水立方。”

之所以多面体刚架结构没有铺开应用，主要是一般的建筑对外形要求并不特殊，无须采用这样的结构形式。

赵阳提到，虽然大型建筑中尚未用到多面体刚架技术，但是，气枕技术在建筑上应用已小范围尝试，如广州新火车站、苏州时代广场，并有规模使用的趋势。

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