1000 多个日夜见证水立方传奇，攻克难题成就惊叹之作

从2003年12月24日到2008年1月28日，1000多个日日夜夜见证了传奇水立方从无到有的发展历程。人们看到的是一个美丽梦幻的场馆，却没有看到无数为之付出努力的团队、建设者、设计师。四年建设期间，攻克了一个又一个难题，克服了一个又一个障碍，留下了一个令所有人惊叹的“水传奇”。

初步竣工的水立方

膜项目招标“差钱”

“这个膜白天效果怎么样？会不会像塑料大棚？怎么维护？白天有宏观效果图吗？”

2003年7月15日，在北京民族饭店11楼会议室，国家游泳中心建筑设计方案技术专家论证会召开。水立方中方总设计师赵晓军对国有企业董事长李爱庆印象深刻，提出了一系列有关膜结构的问题。十年过去了。当赵晓军在西迪国际上海总部舒舒服服地谈起这段往事时，他真诚地笑了：“我记得李主席的话很清楚：建筑的实际效果非常重要，设计师应该高度重视这一点，这不是一个简单的问题，而是一个政治问题。”

受访者赵晓军。 2013年夏天，赵晓军在其位于上海的公司总部接受了笔者的采访

20世纪80年代以来，采用PTFE、PVC的膜结构在我国发展迅速，其技术已十分成熟。但在2003年海南设计规划评审期间，号称“四氟乙烯共聚物”的“ETFE”膜建筑材料首次闯入很多人的视野。无论是评审专家还是业主国企都普遍存在疑问：围护材料ETFE白天会产生什么效果？这种类似塑料的东西能成为建筑物的承重和维护部件吗？它要多少钱？

当膜结构真正安装完毕后，很多人都长长地舒了一口气。

ETFE作为一种特殊材料首先作为航空材料投入使用，后来被慕尼黑安联体育场和英国伊甸园花园采用作为建筑材料。虽然其厚度很薄，但ETFE薄膜具有良好的延展性和耐压性。 1米长的薄膜可以拉伸至3.5米长。熔点高达275摄氏度。即使用火烧也不会燃烧。另外，由于“ETFE”薄膜本身的摩擦系数很小，灰尘和污垢无法驻留在这个光滑的表面上。即使沾有灰尘，自然沉淀也足以使其洁净如新。耐腐蚀、优良的隔热性和强自洁能力的多重特性使ETFE薄膜被誉为“塑料之王”。

在阳光的照射下，水立方独特的钢膜外防护结构非常漂亮。

尽管具有诸多优点，但世界上还没有全封闭的大型膜结构建筑。其中ETFE膜材在国内尚属首次。专家们在演示水立方方案时，花了很多时间关注膜结构。中国工程院院士、2008年奥运场馆建设工程指挥部顾问沈士钊回忆起当时的专家论证会说：“当时总共有十个方案，其中讨论最多的就是水立方的方案我觉得很独特，可以和鸟巢相呼应，成为奥运会留给北京的独特的建筑遗产，但当时人们也对膜结构的应用感到担忧。是很多讨论用膜结构作为维护部分，非常有效，还可以透光，但是想要有好的效果，就需要给膜结构充气，但是过一段时间就会放气，所以。 “你需要定期补充空气。”事实上，专家需要考虑如何充气。担忧只是水立方建设者遇到的众多问题之一。水立方是世界上最大的膜结构工程，也是唯一一座完全由膜结构围合的大型公共建筑。可以说，水立方幕墙工程是目前世界上技术难度最大、最复杂的膜结构工程。

“在膜结构的诞生地欧洲，膜结构已经有27年的历史，欧洲有600多座建筑都使用了这种材料。可以说，最先尝试膜结构的中国人，挑战了最多的膜结构。”世界上最复杂的结构。”参与水立方膜结构项目的杨岩博士说。

2003年11月21日，北京市国资委成立ETFE研究组。 2003年11月24日，国家游泳中心ETFE发放了第一份调查问卷。调查问卷涵盖了技术和业务问题。

“中标水立方项目后，国企就开始研究ETFE。从2003年底开始，我们到很多地方考察，包括英国的伊甸园植物园，已经使用了充气膜然而，经过不断的调查，我们发现ETFE膜项目具有深入设计、施工业绩和施工能力的承包商基本上都集中在德国。完全空白。”当年参加ETFE调查的夏海峰表示，国企考察组曾联系过德国最强的四家公司，但发现最大的公司只有20多人，而且厂房也很小，无论委托给哪家公司，估计都无法满足水立方的要求。需要。毕竟水立方的膜结构是当时世界上最大的膜结构工程。膜结构气枕占地面积10万平方米，单层膜材料使用量达到40万平方米。本土化的想法开始出现在国有企业领导人的脑海中。

受访者夏海峰

当国有企业开始考察膜项目时，国内不少幕墙企业也在招标开始前开始自费探索。沉阳远大铝业工程有限公司就是其中之一。

“2003年水立方的设计方案确定后，我很感兴趣。当时公司老板康保华也要求员工要多关注奥运场馆项目。”沉阳远大铝业工程有限公司董事长王双军回忆，作为当时国内最大的玻璃幕墙企业，觉得只有参加奥运会才能感受到自己为国家和民族做出了贡献，经济效益是最后考虑的。

王双军从2004年3月、4月开始收集膜结构资料和研究泡沫理论，并于当年夏天前往德国，一方面学习技术，另一方面寻找合作伙伴。

受访者王双军

以沉阳远大为代表的国内企业或许不会过多考虑金钱，而是把参与奥运项目视为一种荣誉。但作为所有者的国有企业却不得不考虑。因为在竞标时，一位外国专家根据德国安联球场业主无力承担的造价估算了一个数字：仅水立方的膜结构就花费了6亿元人民币。如果真是这样，这基本上就占到了项目建设安装成本的3/4。因此，膜结构国产化几乎是唯一的选择。只有这样，才能降低成本。

“通过调查，我们基本确定了有能力制造和安装水立方ETFE系统的专业公司，而全球只有四家，分别是Hightex、Foiltec、Covertex和Skyspan。它们都在德国。”赵志雄2003年底经猎头公司介绍，是一名被国企“挖角”的“建筑专家”。由于他曾在华北设计院工作，此前还担任过一家房地产公司的总经理，因此很快就被国企任命，负责组织科技攻关。

受访者赵志雄

“ETFE产业的整个链条大致可以分为母粒制造、压延成膜、切割焊接、现场安装等几个关键环节。经过反复研究，ETFE研究团队最终决定开始国产化而在国际竞争性谈判中，比对文件中设定了一系列条件：外方必须与国内玻璃幕墙企业联合投标，膜结构加工厂必须位于中国。”赵志雄说，这正是需要为“本地化”铺平道路。

为了控制成本，防止这些德国企业“串通投标”、联手抬价，国有企业也在与这些企业的商务谈判地点上犯了难，有时在德国，有时在北京。夏海峰回忆，由于联合投标的规定，当时国内较有影响力的幕墙企业沉阳远大、江河幕墙、三鑫幕墙与一家德国公司组成了投标联合体。

“招标前，设计联合体专门去德国与这些企业沟通，制作了概念图。投标联合体在招标时需要拿出深入的设计，这就是国有企业的聪明才智。”王双军回忆，沉阳远大和Foiltec在组成投标联合体后，做了认真细致的准备工作，并制作了很多动画来讲解如何施工。制作的投标样品从膜材料的选择到生产工艺和外观都很好。

为了一举拿下“水立方”项目，沉阳远大和Foiltec做足了功课，提前制作了现场目视测试样品、喷水样品、展厅样品，甚至建造了试装样品。由于准备充分，从开始投标到最终中标，投标方案没有发生任何变化，并得到了20位业主的一致认可。

2005年1月30日，“国家游泳中心项目ETFE膜结构签约仪式”在中建一局大会议室举行。沉阳远大、Foiltec成功中标水立方幕墙工程。这是2005年第一个专业分包项目的签约，当时距离ETFE膜项目真正开始实施还有11个月。水立方最大的分包工程终于有足够的时间进行技术攻关。

电影签约仪式

“Foiltec在北京顺义专门建造了一家薄膜制造工厂，根据特定的曲率和热封参数来制造和加工气枕。我们即将开始铝合金夹具和屋顶排水沟的建设。因为适配器对于天沟和气枕必须与钢结构安装同时进行。”王双军表示，Foiltec曾为英国伊甸花园提供膜产品。在水立方之前，伊甸园是全球最大的ETFE膜结构项目。我们的合作意味着世界上最好的属于水立方。

“我们为水立方制作这个泡泡衣并没有花很长时间，但我们在2005年花了整整一年的时间来做实验。”时任沉阳远大“水立方”项目项目经理的于兰松表示，如何克服“水立方”膜结构的问题仍然记忆犹新。他说：“水立方看起来很漂亮，但膜结构也面临着隔热、增温、隔音等诸多问题。比如，如果室外下雨，雨滴的声音很可能比雨滴的声音还大。”声音，比如，如果有大风沙，膜结构是否有承受压力的能力，会造成危险……等等。”

2006年2月，沉阳远大铝业工程有限公司水立方项目经理于兰松（左）向国有公司董事长李爱庆介绍铝型材加工情况。

为了解决这一系列问题，2005年，国有公司组织清华大学、中国建筑科学研究院物理研究所等科研机构完成了声、光、热等样机试验。膜结构的建筑物理特性。

钢结构安装徘徊在成败边缘

在ETFE的各项科学研究和实验正在进行的同时，水立方迎来了钢结构安装的时刻。

很多人都知道钢结构施工的难度。方案选委会早在选型时就提出：由于结构单元模型重复性强、可实施，但加工生产周期长、投资大，作为一种新的结构设计理念，如果实施，仍需有待进一步论证。但谁也没想到，这一困难是从钢材采购开始的。

水立方接受超限抗震审查后，悄然修改了一项规定：钢结构材料不仅必须使用尚未量产的高等级钢材，而且提出了1.2倍的高标准要求伸长率。

整个水立方工程使用了9843个焊接球、20670根棒材，总共30513个部件。但由于大多为细长杆件，设计总重量仅为6700吨（不包括预埋件和加强板）。钢材订单量远低于其他同规模钢结构工程项目。另外，由于每个“气泡”所在位置的受力情况不同，考虑到具体棒材、球材的材质、厚度等参数后，该项目的钢材订单数量达到了59种。虽然考虑到钢损率后，项目组的钢材总订单量达到了近9600吨，但国内对此业务感兴趣的钢厂寥寥无几。

水立方的钢结构“与众不同”

尽管采购进展并不顺利，但2005年春节期间，国企仍在与有关专家和中国钢结构协会召开会议。 2005年国内钢材价格大幅上涨，当年钢材处于卖方市场。更困难的是，市场上的高强度钢材Q345和Q420不符合抗震建筑标准。水立方想要的是Q345C和Q420C钢材，生产难度较大。虽然代号上只多了一个C，但这意味着这些高强度钢材不仅要“硬”，还要“韧”。但正常情况是：钢越硬，它就越脆。

当各大钢厂的生产计划排满的时候，他们进行实验并生产有限数量的特钢确实是一个问题。

“我们的钢材订单量很小，但品种规格很多，钢厂不愿意生产，因为无法形成规模，成本高。”回顾过去，当时负责钢结构安装的项目经理、水立方总经理杨启勇仍然非常理解钢厂缺乏积极性：“钢厂普遍缺乏生产经验。像Q420C这样的钢材，怕困难也是正常的，钢厂的起订量一般是30吨，而水立方所需的钢材品种总共有16种，起订量也比较多。两种型号只有2吨，而且这些钢材数量本来就少，还要分成300多个规格和长度，国有企业只好向市委询问。政府寻求帮助。”

受访者杨其勇

有时候，对于水立方这样的奥运项目来说，单靠市场手段并不能解决所有问题。但换个角度，比如“奉献”、“大局意识”，问题就很容易解决。 2005年4月12日，北京市委书记、原冶金部部长刘奇亲自宴请国内知名钢铁企业领导，鼓励钢厂为奥运工程添砖加瓦，解决钢铁企业问题。为水立方提供高标准钢材。

在各方努力下，鞍山钢铁、舞阳钢厂获得了“水立方”约8000吨的合同，其中包括最难“啃”的2600吨用于抵抗的钢材。用于支撑梁和柱的建筑结构的分层和撕裂。 。此类钢板除了具有建筑结构用钢材的高强度、高抗震性能外，对垂直方向的力学性能也有很高的要求，要求的最大厚度达到60毫米。此前，中国还没有一家钢铁公司生产过这种产品。 。

钢材解决了，那么钢结构的制作和安装就是下一个挑战。国企考察了国内9家钢结构厂家，最终选定了浙江东南电网集团公司。这家做过很多空间网架结构项目、管道间相交缝很多的公司，这次遇到了大麻烦。安装之初，工作人员采用小单元组装，速度非常慢。 2005年6月到7月，两个月过去了，只安装了20多根杆。如果继续这样下去，钢结构工程可能要到2008年才能完工。

钢结构初期安装违法，进展缓慢。

“一开始，水立方借鉴了鸟巢的做法，在地面操作平台上焊接一部分，然后吊装整体焊接。但经过多次实验，我们发现必须把钢梁放进去。”大家集思广益，现场尝试了GPS定位、激光定位等各种方法，但效果并不大，工程进度也很慢。慢，”韩涛回忆道，监理单位北京帕克国际工程咨询有限公司副总经理

受访者韩涛

“工程的难度超乎所有人的想象。由于水立方钢结构安装所采用的很多技术都是前所未有的，工作量是其他同类工程的2到3倍。虽然他们都是经验非常丰富的工程师，他们面临着这座取得了许多世界第一的建筑，我们必须从头开始学习很多课题。”该项目总承包商中建第一工程局项目执行总工程师陈雷，曾担任国贸二期钢结构施工技术部经理，但由于年龄较小， 2004年7月25日，他进入水立方施工现场，参与施工的各方都有些担心，尤其是施工方并不买账，钢结构安装进度缓慢，让陈雷承受了巨大的压力。晚上加班已经成为一种压力。 “例行公事”。回到家躺在床上，她常常翻来覆去，脑子里仍然盘旋着安装问题。

“当时我对空间定位着急得吃不下饭，睡不着觉，每天看着那些杆子都提心吊胆，工程师和焊接专家做了各种尝试，经过反复尝试和摸索，大家找到了解决办法“灵感。”陈雷说，大家发现中学几何里的“一条直线和线外的一点确定一个平面”的定理可以用来定位棒：一根火柴是圆头加一个。一根杆，并建造一个钢结构也是一个球加一根杆。一条直线和线外的一个点确定一个平面——这个简单的几何定理在“水立方”钢结构的施工中起了很大的作用。新方法立即使项目进度增加了两倍。

受访者陈雷

长江三峡工程开发公司水立方项目负责人曾国顺的办公室墙上挂着每日钢结构安装曲线图。而这张图也记录了这个可喜的变化：钢结构从开始的一天组装几块，到后来的十几块、几十块。 “火柴棍”方法的使用和工人的焊接技术越来越熟练，施工现场达到了顶峰，焊条的速度最高达到了每天200多根焊条。

由于“火柴棍”式分散拼装方式可以同时在多个工作面上进行，大大加快了工程进度。然而，大家还不满意。建造者们发明了一种“拼凑”焊接方法：在一个工作表面区域，不是按顺序焊接“火柴棍”，而是从一个地方“跳”到另一个地方焊接。将一块向西焊接，另一块向西焊接，最后逐渐形成一个整体。这种施工方法很好地解决了焊缝收缩引起的变形问题。

“因为焊缝的收缩是有规律的，无论是什么焊缝，它都是在垂直于焊缝的方向上收缩。焊缝收缩变窄，使两个焊接部件之间的连接越来越紧。如果按照顺序进行焊接，每个焊缝都会收缩，最终会积累很大的误差。”中国三峡公司奥运项目部负责人曾国顺表示，“拼凑”的焊接方法简直就是。意味着首先焊接最外面的部分。焊接两端的杆，然后焊接中间的杆。由于杆件外侧两端的焊缝已经完成收缩，当中间杆件的焊缝开始收缩时，就不能再被拉动，从而使中间杆件的焊缝无法收缩。这种收缩造成的误差只发生在前几根焊条中，后续的焊条就避免了这个问题。

为保证施工进度，施工单位将施工队伍中原计划80台电焊机、100余名焊工增加到200余台、300余名焊工。随后，脚手架、焊接点、消防供应点等看护人员的数量也有所增加，整个工地的作业人数最多达到了800多人。

“2006年春节临近，钢结构工程日安装量开始增加，为了跟上进度，施工各方都在动员农民工到北京过春节。 28号是除夕夜，施工现场还有200名工人在干活，为了水立方的建设，这些农民工放弃了与家人团聚，这就是最简单的奉献！”三峡集团奥运项目负责人曾国顺表示，水立方建设不能忘记这些。农民工。

2005年11月20日，水立方钢结构施工正在进行。

南侧钢结构墙体施工

空间定位成功解决，但随着钢结构安装速度的加快，施工团队又面临威胁施工进度的另一大问题：钢结构施工后期，大量脚手架的使用，让租赁公司陷入困境。国内市场感到供应紧张，项目部转向法国一家公司提供的承插式脚手架。

“当时北京在建工程太多，导致传统脚手架资源紧缺，现场出现停工等待材料的情况，影响了水立方的正常施工。国外广泛采用的一种采用法国技术的新型脚手架进入了我的视野，它不仅重量轻，而且强度高，搭建和拆卸速度快。水立方因为没有相关技术而“中国的验收标准，并没有大量申请的先例。当时，北京刚刚发生了一起涉及脚手架倒塌的重大事故，所以反对的声音非常强烈。”陈雷说，“使用”与“使用”之间。 “不使用”，她决定通过大量理论计算重新审视法国标准。我们在实验室和施工现场进行了反复实验，并邀请了北京顶尖专家进行了多次专题论证。面对计算数据和实验结果，她克服重重障碍，说服了参与施工的各方，毅然决定使用。

2005年冬季，水立方钢结构安装进入加速期，一度造成脚手架短缺。

钢结构气密脚手架

一度让所有建设者都惊醒的钢结构安装终于提前一个多月封顶。在水立方钢结构施工过程中，工程师和工人共同创造的众多施工理论不仅为水立方的施工奠定了坚实的基础，经过理论和实践打磨出来的一套施工方法也被收录在《水立方钢结构施工图》中。 《多面体球墨钢框架结构》《施工管理技术规定》，对我国乃至世界建筑行业钢结构的施工、安装具有重要意义，也成为钢材泡沫理论的教科书结构中的 世界。

2006年6月16日，水立方主体钢结构支撑系统将在这一天进行第二次卸荷，长度为130m（大跨屋盖）。三个半小时的卸货过程，陈雷绷紧了全身的每一根神经，心都提到了嗓子眼。当最后一台千斤顶停止工作，水分子的钢铁骨头成功挺立时，半年多来的担忧、彷徨、怀疑、不安瞬间烟消云散，施工现场充满了欢呼声。坚强的陈雷按捺不住内心的喜悦，流下了激动的泪水。

2006年6月，水立方钢结构卸货

时任国企董事长李爱庆在国家游泳中心钢结构封顶仪式上讲话

然而，水立方的建设背后还存在另一个问题……

水立方钢结构封顶仪式

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