火柴棒创造中国标准 泡泡外衣让水立方永葆青春

　　1887年，英国物理学家凯尔文勋爵提出了一个问题:“如果我们将三维空间细分为若干个小部分，每个部分体积相等，但要保证接触表面积最小，这些细小的部分应该是什么形状？”106年以后，爱尔兰教授威尔莱和弗兰提出了一个新的解决方案，被认为是凯尔文勋爵问题的最理想的答案。

　　没有人为了要解答凯尔文勋爵的问题而设计“水立方”，但在昨天，当北京城北一座晶莹剔透泡泡建筑宣布了它的诞生后，为泡沫理论奋斗了百余年的成千上万设计师终于看到了最佳的答案——国家游泳中心。

　　它浑身散发着通透的神采:巧夺天工的设计、纷繁自由的结构、简洁纯净的造型、环保先进的科技，它凝聚了中国人的智慧和自主创新的勇气，它实践北京奥运会“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”三大理念，这一切，使天蓝色的“水立方”——国家游泳中心注定要成为北京乃至世界建筑史上的标志性建筑。火柴棒创造中国标准

　　有人说，“水立方”没有盖上外层膜，只显露钢筋铁骨时更有魅力，不同年龄段的人看到它都有不同的理解。孩童认为那是一个巨大的积木；青少年则在这个巨大的“变形金刚”中寻找千姿百态的造型；成年人把它当作立体思维形象模型；老年人则在这个编织了一生的网帐里回忆。这就是“水立方”的筋骨，被称为泡沫理论的钢结构。

　　这样的结构从模糊概念开始，更是吸引了无数设计师为之奋斗。在泡沫理论提出一百多年以后，1993年，爱尔兰教授威尔莱和弗兰提出了一个新的解决方案——在构造模型中采用两种不同的单元体，一种为14面体，另一种为12面体。实际上，自然界早已给出了答案:水在气泡状态下的组合就是这个命题的最佳解决方式。细胞组织单元的基本排列形式、水晶的矿物结构等也是如此。到目前为止，爱尔兰教授的方案被业界认为是凯尔文勋爵问题的最理想答案，但这样的形式作为建筑结构还从来没有使用过，直到“水立方”的出现。

　　泡沫理论所要解决的问题，是三维空间内各部分的接触表面积最小，对于钢结构来说，就是所用的材料最少。“水立方”的钢结构采用了12面体与14面体组合的理想形式，从而大大减少了需要的钢材数量，整个钢结构仅用钢6700多吨。

　　都是钢结构，但“水立方”和“鸟巢”却大不相同。“水立方”的钢结构最大的特点就是不规则，纵横交错中透着一股自然的纯美。然而，正是这种自然的不规则形态给焊接带来了极大的困难。“水立方”设计单位负责人笑谈，“水立方”的钢结构是一个“三无工程”——无先例、无规范、无标准。在设计、施工时，“水立方”的钢结构甚至都没有一个标准的称谓。

　　要说搭建“水立方”的焊工师傅都是“空中飞人”可不是过誉。“水立方”的外墙和里层由上千个气泡组成，为了搭建这种不规则多面体空间钢框架结构，施工队需要在空中把一根根钢杆件当成气泡的边棱，逐个在空中按照设计好的位置固定，再与连接边棱的钢球焊接，制成气泡形状。

　　刚一开始，“水立方”进行钢结构焊接时，施工单位开始考虑的方法也和“鸟巢”一样，在地面操作台上焊接一部分，再吊装进行整体焊接。但试验了几次以后发现，要把钢梁拼成气泡形状、找到钢梁在空中的准确位置非常困难。

　　由于“水立方”的组成部分都是不规则的多边形，如果进行平面焊接，再吊装整体组合，多点空中定位连接的误差不好控制，而且累加的误差像滚雪球般越积越大，工程质量无法保证。工程师们试了GPS定位、激光定位等很多办法，但工程进度总是太慢。即使在焊工们熟练之后，速度也只能提高到每天几十根。按照这个速度，“到2010年也装不完”。

　　出人意料的是，这个看似无法解决的问题终于找到了“破解秘籍”。几名施工人员在工余抽烟时，突然发现杆件和连接球连起来很像一根火柴，这让他们恍然大悟，中学几何里的“一条直线和线外一个点确定一个平面”定理可以就用于杆件定位，所有操作凭借全站仪(空间定位设备)在空间完成，最大程度地减少了互连之间的误差，工程进度也猛增了3倍。两万根杆件、将近一万个连接球在20多个专门负责对号入座的工人传递下，在300多名焊过军舰、拿着至少八级焊工证书的“全国顶极”焊工手里，像堆积木似地快速而准确地拼插在一起。

　　在引进插件式脚手架体系之余，施工人员还自创了“踹、卧、蹲、托、抱、躺”施工六姿，按焊接点的位置选择不同的焊接姿势。在此之后的测量数据表明，焊接结果甚至“优于设置值”。

　　加上焊工技艺越发熟练，工地高峰时每天杆件的焊接速度最高达到200多根。钢结构提前一个多月封顶后，工人自创的这套工作方法也同“水立方”工程师们的建筑理论一起，被写进了《多面体延性钢架结构施工管理技术规程》。

　　一个8万平方米的建筑，如此大规模的不规则钢结构施工，“水立方”的建设者们仅仅用了10个月的时间便完成了如此高技术含量的大规模作业，在世界建筑史上不能不说是一个奇迹。“这样的工程，在国外实施起码也要3年至5年，只有在我们国家，才能在这么短的时间内调动如此大规模的优秀专业人才来集中进行这样作业”，“水立方”总包单位一位负责人说。

　　在“水立方”建设的同时，全球研究泡沫理论的建筑学家几乎都到过施工现场取经，有的甚至来过多次。这些专家都为中国人自主创新的能力由衷钦佩。来自德国的一位专家称，若干年内，“水立方”将是世界钢结构泡沫理论的教科书。“水立方”钢结构的设计和施工震惊了世界，英国《卫报》发表文章称其为“理论物理学的杰作”。然而，最让建设者们感到骄傲的是，在世界建筑领域内，从此有了中国人创造的标准。