“水立方”的秘密--PTW建筑事務所主設計師訪談(下)

　水立方：性別、開爾文定律與ETFE

　　2006年12月11日，澳大利亞PTW建筑事務所兩名主設計師約翰?保林（John Pauline）與托比?王（Toby Wong）出現在北京世紀劇院的LKP建筑系列講座上。作為國家游泳中心“水立方”的主設計單位之一，正是他們為“水立方”帶來了ETFE這種新型材料。在保林的娓娓道來之下，“水立方”的最初設計理念與建造過程被一一“解構”。

　　四天前，已完成主鋼結構施工的“水立方”向公眾開放，其建筑外墻采用的新型環保節能ETFE(四氟乙烯)膜材料首次亮相，這種如液體氣泡般、對中國來說無比新鮮的建筑材料成為“水立方”引人注目的焦點。

　　在完成了鋼結構和膜結構之后，“水立方”的施工已經渡過了最主要也是最艱難的階段，年底前完成外立面封閉，明年10月將全部完工。

　　美國易道公司北京主設計師邁克爾?埃瑞克森（Michael Erickson）將PTW描述為“集精妙創意和高超執行力于一身的建筑事務所”。帶著這樣的評價，主設計師保林面對講座現場前來聆聽的以建筑師為主體的聽眾，從容解答了他們對于“水立方”與ETFE的種種好奇與疑問。

　　呼應鳥巢

　　“水立方”由中國建筑工程總公司、澳大利亞PTW公司、澳大利亞ARUP公司組成的聯合體協作設計。回顧“水立方”的中標過程，保林認為，“水立方”從眾多方案中脫穎而出的原因，在于它根植于中國文化的“方形合院”，并能與鄰近的鳥巢緊密呼應。他指出，“水立方”的創意形成并非偶然的想法，而是一個循序漸進的設計思維過程。

　　“作為來自悉尼的設計師，我們在設計國家游泳中心的方案時考慮最多的問題是如何體現中國運動場館的東方特點和中國文化血脈，特別是游泳館這種形式感和功能性都很強的建筑。”保林說，PTW在設計之初設想了各種水可能形成的形態，圍繞水的主題，同時思考游泳時水波產生的各種變化，意圖以一個有機的形體來塑造它。

　　保林透露，早在設計之初，PTW便與中方合作伙伴中國建筑工程總公司達成了一致，認為國家游泳中心應該是一座高度透明的建筑，這個理念的統一最后促成了“水立方”的形成。并且，“在設計過程中，我們印象最深刻的是中方合作伙伴向我們闡釋‘方形合院’在中國文化的重要性，所以我們對方形建筑作了特別的探索。最后的效果很好，與橢圓形的鳥巢形成了鮮明對比。”他說。

　　在PTW接手國家游泳中心投標方案時，國家體育場的方案已經確定為赫爾佐格和德梅隆設計的鳥巢。“有人認為鳥巢的存在使國家游泳中心的設計變得簡單，但也有人認為這項工作更難。于是，怎樣與鳥巢在建筑語匯上相互對話、取得中軸線兩端兩座建筑的平衡成為國家游泳中心設計主要考慮的問題。”保林說。

　　“水立方”的外形被正式確定為方形后，PTW與中建公司針對它進行了各種理性思考，最終確定了以柔軟而堅韌的ETFE外膜作為其外立面。從效果圖上看，“水立方”與鳥巢對比強烈。“鳥巢強勢，水立方優雅；鳥巢是橢圓形的，外立面邊緣平滑，而水立方是方形的，棱角分明；鳥巢內部的座椅是紅色的，顏色鮮艷，而水立方從外面看是泛著藍光的冷色調。可以說，鳥巢是男性化的，水立方則對應地呈現出女性化的特質。”保林說。

　　開爾文定律

　　“水立方”被確定為國家游泳中心的方案后，一些專家和媒體評論它的形態過于隨意，尤其是外部的ETFE膜。保林特別在講座上指出，“水立方”看似隨意閑散，其實體現了一個精密而理性的設計過程。

　　PTW在講座現場展示的一張設計早期的幻燈片顯示，盡管當時建筑表面的材料問題還沒有解決，但設計師已經比較一致地將目光鎖定在“水泡”上，這激發了大家最終的設計靈感。“我們想到了有機細胞的天然圖案以及肥皂泡的形成，希望觀眾坐在建筑里面，能體會到水的運動產生的各種形式，由此產生一種身處水中流動的感覺。”保林說，“最后終于發現能夠支撐較大跨度的水泡是一種合適的有機結構，思路走到這一步時，所有設計師都非常激動。”

　　而PTW的合作伙伴ARUP公司的主要工作則是將“水泡構思”轉化為3D結構圖，他們思考如果將“水立方”視為一個可以細分為若干均等部分的三維空間，何種形狀能夠保證界面接觸面積最小？最終設計人員發現，19世紀末英國物理學家開爾文發現的開爾文定律能解釋這個問題：14邊形的三維結構球體組成的結構接觸界面最小，后在經過1993年英國的兩位科學家對其進行研究和改進后，使得界面接觸面積又縮小了3%。

　　“泡沫理論”最終幫助“水立方”形成了復雜的節點，成為其龐大的鋼結構體系的依托，代入軟件中，成為精確的模型。

　　“泡泡墻”

　　被戲稱為“泡泡墻（Bubble Wall）”的ETFE膜在此時進入PTW的視線，因為它足夠堅硬，非常適用于環境苛刻、溫度敏感的游泳場館，同時又是透明的，滿足了PTW要求“水立方”高度透明的設計原則。

　　“雖然ETFE是第一次進入中國，但實際上在國外建筑界已經應用了幾十年，技術已經相對成熟。”托比?王說。在國外，ETFE多數應用于溫室外立面，溫室對環境和溫度的要求與游泳館類似。此外，赫爾佐格和德梅隆設計的德國慕尼黑安聯體育場也應用了ETFE。

　　應用于“水立方”之上的ETFE為雙層結構，效果也與溫室類似，冬日光線照進來時，可以保證室內溫度；而夏天可以通過雙層結構引入通風系統，并在建筑下部安裝1米多高的百葉通風口，原理類似于呼吸幕墻。冬天關閉，夏天開啟，保證冬暖夏涼。

　　“水立方”的建筑面積約8萬平方米，高約30米，使用的ETFE共由3000多個氣枕組成，覆蓋面積達到10萬平方米，展開面積達26萬平方米，是世界上惟一一個完全由膜結構來進行全封閉的公共建筑。工程建設方ARUP公司在對許多材料進行了一系列實驗后，最終判定這種膜是最適合“水立方”的，隨后對參數進行了優化，調整了膜的設計。氣枕將通過事先安裝在鋼架上的充氣管線充氣。整個充氣過程由電腦智能監控，根據當時的氣壓、光照等條件使氣泡保持最佳狀態。

　　據保林介紹，“水立方”頂部的氣枕膜層數已達4層，而墻體的膜則在2~3層之間。若頂層只有兩層膜，下雨天“水立方”內的人就會感到頭上有“打鼓”的感覺，在增加膜之后，雨點敲擊頂部薄膜的聲音就不會再對室內的正常使用造成影響。而ETFE的強度也被反復檢測，結果表明即使在冰雹天氣使用也沒有問題。

　　保林還透露，澳大利亞昆士蘭一家請PTW做設計的公司看過“水立方”后，特別要求他們在設計中也使用ETFE，并從墨爾本空運了大量ETFE過去。“水立方”幫助PTW贏得了更多他們在澳大利亞本土的建筑項目。

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