关于水立方和鸟巢的物理知识
鸟巢是2008年北京奥运会的主体育场。2001由Plic奖获得者赫尔佐格和德梅隆与中国建筑师事务所共同完成的巨型体育场设计，看起来像是一个孕育生命的“鸟巢”，更像是一个摇篮。
带着人类对未来的希望。设计师没有对国家体育场做任何不必要的处理，而是坦率地暴露了结构，从而自然地形成了建筑的外观。
“鸟巢”被一个巨大的钢网包围着，罩住了91，000人的体育场。观光楼梯自然成为结构的延伸；柱子不见了，受力均匀的网像树枝一样没有明确的方向，让人觉得每一个座位都是平等的，置身其中就像回到了森林；将阳光过滤成扩散充气膜，让球场告别阳光阴影；整个地形上升4米，内部作为辅助设施，避免了挖掘所消耗的巨额投资。
鸟巢是大跨度曲面结构，有大量曲面箱形结构。设计和安装都极具挑战性，在建设过程中处处都少不了科技支撑。“鸟巢”采用当今先进的建筑技术，整个工程有二三十个技术难题，其中钢结构是世界上独一无二的。“鸟巢”钢结构总重量为42000吨，最大跨度为343米。而且结构相当复杂，它的三维扭曲像麻花一样处理。施工后沉降、变形、吊装等问题正在逐步解决，相关施工技术问题也被列为科技部重点研究项目。
现在，“鸟巢”已经完成混凝土施工，开始钢结构施工。为了有效控制构件的最大壁厚，减少焊接工作量，使连接结构更加合理，设计中采用了高强度Q460钢。
说起Q460钢，大部分人可能都不了解。“鸟巢”的结构设计奇特新颖，而这次建造它的钢结构Q460有很多独到之处:Q460是一种低合金高强度钢，只有在应力强度达到460 MPa时才会发生塑性变形，大于普通钢材，因此生产难度很大。这是Q460钢在我国首次用于建筑结构。此次使用的钢板厚度为110 mm，这在以往是绝无仅有的。在国家标准中，Q460的最大厚度仅为100 mm..过去，这种钢材一般从卢森堡、韩国和日本进口。为了给“鸟巢”提供一个“合适”的Q460，从2004年9月起，河南舞阳特钢的科研人员开始了半年多的科技攻关，三次试制终于成功。如今，“鸟巢”用Q460钢已经开始批量生产。2008年，400吨具有自主创新和知识产权的国产Q460钢将支撑“鸟巢”。
-鸟筑巢
从刚果东部到南非的热带草原，我们经常可以看到一种叫做灰头雀的织布鸟。它们用草和许多弹性不同的纤维编织巢穴，像奇怪的水果一样挂在树枝上。编织者选择结实的动物毛发——最常见的是斑马或羚羊的毛发，将巢牢牢地系在树枝上，用嘴将毛发缠成一个结作为标志。这样的鸟巢可以承受住一对成鸟和住在里面的几只幼鸟的全部重量，无论刮风下雨都不会脱落。
本世纪初，一位自然科学爱好者Eryenne Murray发现，幼鸟在筑巢时并不模仿年长的伴侣。为了排除幼鸟被训练的可能，易言从编织的巢中取出一些蛋，偷偷放在家人养的金丝雀窝中孵化。当雏鸟孵化长大后，它们被转移到另一个特定的地方，在那里它们可以形成“伴侣”并生儿育女。同时不允许它们得到任何适合筑巢的材料，而是允许它们直接在笼底产卵。产下的蛋再次被取走，然后金丝雀被孵化...如此反复实验，使得第四代织布鸟不仅断绝了与前辈和大自然的联系，还被人类彻底驯化。
现在，他在鸟笼里放了一把草，一些细长的树枝和纤维。织布鸟开始在笼子里用这些材料工作。很快，鸟儿们就把挂在笼子里的巢做好了，它们的风格和它们自由的前几代人建造的没有什么不同。他们熟悉建筑技术，在这方面的知识绝不逊于他们的曾祖父母。他们也知道如何用柔软但不结实的马鬃垫笼底，绝不会误织成巢墙。如果有边角料，他们会用边角料加固巢与笼上树条的连接，用它打一个有“商标”的特殊结。
“鸟巢”的含义:是一个由654.38+万人容量的体育场用树枝般的钢网编织而成的温暖的鸟巢！用来养育和照顾生命的“巢”寄托着人类对未来的希望。鸟巢三大工程——钢筋混凝土结构、钢结构、膜结构。“鸟巢”用了42000吨钢材。全钢结构热胀冷缩系数大。“鸟巢”就像一朵向日葵，总是随着太阳转动，这就要求膜的张力必须足够强。鸟巢的整根钢筋焊接在一起，形成一个巨大的防雷网，可以快速将雷电导入地下，经过特殊处理，雷电绝不会伤人。“鸟巢”的外部结构主要由一个巨大的门式钢架和24根桁架柱组成。“鸟巢”顶部网格结构的外表面也覆盖着一层半透明的薄膜。使用这种膜后，体育场内的光线不是直射的，而是漫反射的，使得光线更加柔和。漫射光还可以解决球场草坪的维护问题，还具有遮挡座位风雨的作用。滑动天窗可以打开。关闭后，体育场将成为室内竞技场。打开屋顶，又变成了防水壳。“鸟巢”之所以是不完全封闭的“鸟巢”，是因为这种设计既能使自然空气流通，又能为观众和运动员提供遮挡。采用太阳能光伏发电系统。无锡尚德太阳能有限公司研发的尚德太阳能光伏发电系统落户“鸟巢”，将清洁环保的太阳能发电与国家体育场融为一体，不仅是北京奥运会三大主题的绝佳体现，也是推广使用绿色能源、有效控制和减少北京及周边地区空气污染、国家体育场供电的良好补充。三层“特殊装置”包括鸟巢下层膜使用的吸声膜材料、钢结构构件上设置的吸声材料和体育场内使用的电声扩音系统。这三层“特殊装置”使得“鸟巢”内的语音清晰度指数达到0.6——这个数字保证了坐在任何位置的观众都能清晰地听到广播。鸟巢的设计者还利用流体力学模拟了965，438+0，000人同时观看比赛的自然通风，让所有观众都能享受到同样的自然光和自然通风。在鸟巢的观众席里，有200多个残疾人轮椅座位。这些轮椅座位比普通座位略高，保证了残疾人和普通观众一样的视野。赛时，将在场馆内提供助听器和无线广播系统，为有听力和视力障碍的人提供个性化服务。与水立方不同的是，鸟巢采用的是单层膜。虽然“鸟巢”吊顶的外膜结构和“水立方”一样，可以始终保持清洁，抵御低温烟花的侵蚀，但厚度只有0.25毫米的膜也有一个很大的弱点:怕鸟的爪子。此外，鸟类在“鸟巢”停留时，粪便也是一个大问题。为了将鸟类挡在“鸟巢”之外，在其顶部周围安装了类似于机场使用的驱鸟装置。考虑到这种方法无法阻止部分“鸟逃网”，就在“鸟巢”的外膜上铺设了挡鸟线，既能让鸟有着落的地方，又不损伤膜，不影响美观。
★水立方是北京奥运会国家游泳中心，膜结构成为世界之最。它是根据细胞的排列和肥皂泡的自然结构而设计的，这在建筑结构中从未出现过。创意真的很奇怪。
★水立方的墙体和屋顶分为内外三层。设计师用三维坐标设计了3万多个钢构件，这3万个钢构件没有一个位置是一样的。这些技术是中国自主创新的科技成果，填补了世界建筑史上的空白。
“水立方”位于奥林匹克公园B区西侧，与马路对面的国家体育场‘鸟巢’遥相呼应，建筑规模约8万平方米。最引人注目的是具有气泡状外围的ETFE膜(乙烯-四氟乙烯* * *聚合物)。ETFE膜是一种透明膜，可以给场馆带来更多的自然光。它的内部是一座多层建筑，对称排列的看台视野开阔，博物馆里的象牙建筑与蓝色的水池形成对比。
国家游泳中心的设计方案是全球设计竞赛产生的“水立方”([H2O]3)方案。该方案由中国建筑工程总公司、澳大利亚PTW建筑师事务所和ARUP澳大利亚有限公司联合设计。其中，中方设计师为中建国际(深圳)设计咨询有限公司总裁兼总建筑师赵晓君和总工程师毛宏伟。PTW建筑事务所的两位主要设计师是约翰·波林和托比·王。
该设计体现了【H2O】3(“水立方”)的设计理念，集建筑设计和结构设计于一体，设计新颖，结构独特，与国家体育场相协调，在功能上完全满足2008年奥运会的要求，赛后易于操作。
这个看似简单的“方盒子”，是中国传统文化和现代科技“打造”出来的。中国人认为，没有规则就无法实现方圆，按照制定好的规则做事才能实现整体的和谐统一。在中国传统文化中，“一个圆的地方”的设计思想催生了“水立方”，与圆形的“鸟巢”——国家体育场相呼应、相得益彰。广场是中国古代城市建筑最基本的形式，它体现了中国文化中以儒家伦理为代表的社会生活规则。而这个“方盒子”最能体现国家游泳中心的多功能要求，从而实现传统文化与建筑功能的完美结合。
在中国文化中，水是一种重要的自然元素，能唤起人们愉悦的心情。国家游泳中心将在比赛后成为北京最大的水上公园，因此设计师们瞄准各个年龄段的人，探索水可以提供的各种娱乐方式，开发水的各种用途。他们将这种设计理念称为“水立方”。希望它能激发人们的灵感和热情，丰富人们的生活，给人们提供一个记忆的载体。
为了实现这一目标，设计师深化了水的概念，不仅利用水的装饰功能，还利用其独特的微观结构。基于“泡沫”理论的设计灵感，他们给“方盒子”包裹了一层建筑表皮，表皮上布满了类似水分子结构的几何形状。表面覆盖的ETFE膜赋予了建筑冰晶般的外观，使其具有独特的视觉效果和感觉，轮廓和外观变得柔和，水的魅力在建筑中得到完美的体现。轻量级的“水立方”之所以能夺冠，是因为它体现了很多科技和环保的特点。自然通风的合理组织，循环水系统的合理开发，高科技建筑材料的广泛应用，都为国家游泳中心增添了更多的时代气息。许多创新的设计也被应用到游泳池中，如将室外空气引入游泳池表面，带孔的端池岸边，视觉和声音的出发信号等。，这将使比赛池成为世界上最快的游泳池。★“水立方”不仅是一座美丽而复杂的建筑，而且能激发人们的灵感和热情，丰富人们的生活，为人们提供记忆的载体。因此，在设计中不仅利用了水的装饰功能，还利用了其独特的微观结构。整个建筑内外两层包裹的ETFE膜(乙烯-四氟乙烯* * *聚合物)是一种新型轻质材料，具有有效的热性能和透光性，可以调节室内环境，冬季保暖，夏季散热，还可以避免建筑结构受到游泳中心内部环境的侵蚀。更神奇的是，如果ETFE膜上有一个洞，它不需要更换。贴个贴片就好了，自愈，过段时间就恢复原貌了！
★国际上在建筑上使用膜结构时，广泛使用的是PTFE膜，它是一种纤维材料，特点是不透光，但使用技术相对成熟。“水立方”使用的是ETFE膜，这是一种透明膜，可以给场馆带来更多的自然光。国内对这种薄膜结构的理论研究几乎是空白。
2006年德国世界杯主会场之一的慕尼黑安联球场也采用了ETFE气枕外墙，但与水立方相比，两者的区别在于，德国安联球场的气枕覆盖面积为6万平方米，而水立方为654.38+万平方米；安联运动地面是单层气垫，有规律的排列，而水立方是双层气垫，几乎没有两个气垫形状相同。
根据设计方案，水立方内外立面膜结构由3065个气枕组成(最小1-2平米，最大70平米)，占地654380+万平米，开发面积26万平米。它是世界上最大的膜结构工程，也是唯一一个完全由膜结构封闭的大型公共建筑。对设计、施工和使用都是一个巨大的挑战，对ETFE膜材料、通风空调、消防、声、光、电控制都提出了一个非常棘手的课题。
★防雷设计:
“水立方”类似于“鸟巢”，同样采用传统防雷技术。“水立方”地下和基础部分为钢筋混凝土结构，地上部分为钢网架结构。钢结构和钢筋混凝土结构中的钢筋通过焊接连接，它们一起形成立方体笼。屋顶上用槽形钢构件镶嵌固定充气枕，槽形钢构件又宽又厚，与“水立方”四壁的钢网焊接在一起，支撑整个屋顶。在雷雨天气，这些钢构件的作用更加严重。一方面，它们作为排水沟收集和排除屋顶的雨水；同时充当接闪器，将雷电流及时引导至“笼式防雷网”，保护整栋建筑的安全。这是一个理想的“笼式避雷网”，完全依靠建筑物自身结构中的材料，不需要单独架设避雷针、做引下线或接地体，屋顶没有突出的避雷针或避雷带，经济、美观、安全、可靠。
★抗震设计:
“水立方”是典型的外柔内刚。外面只看到充气膜，看起来很脆弱，而这些膜是由坚固的钢结构支撑的，观众席和室内建筑都是钢筋混凝土结构。“水立方”的墙体和天花板由654.38+0.2万根网状钢管通过承重节点连接而成，均匀分担建筑重量，使其足够坚固，能够抵御北京最强地震。“水立方”的地下部分是钢筋混凝土结构。浇筑混凝土时，在每个钢月桂的位置设置预埋件(上部的钢块)，钢结构的钢柱与这些预埋件焊接牢固。这样，地上的钢结构和地下部分的钢筋混凝土结构就形成了一个坚固的整体。正是凭借其优越的结构形式和良好的整体性，“水立方”拥有“完美的形体”，达到了抗震烈度8度的标准。
游泳池换水的自动控制
为了确保“水立方”的水质符合FINA最新的卫生标准，游泳池的水将通过砂滤-臭氧-活性炭进行净化，所有这些都将通过臭氧进行消毒。据介绍，臭氧消毒不仅能有效去除池水异味，还能消除池水对人体的刺激。
此外，泳池换水全过程将采用自动控制技术，提高净水系统运行效率，降低净水剂和电力消耗，节省泳池50%以上的供水量。此外，游泳池和水上游乐池将采用不透水混凝土，以防止渗漏。
洗澡水用于冲厕所和灌溉。
除了游泳池水，水立方用的其他水也很节约。洗浴废水经过生物接触氧化、过滤、活性炭吸附、消毒后，用于场馆厕所冲洗、车库地面冲洗、室外绿化灌溉。仅此一项每年就可以节约44530吨水。此外，为了减少水分蒸发，“水立方”的室外绿地将进行夜间灌溉，采用以色列微灌喷头，建成后可节水5%。
卫生洁具配有水表计量水量。
为了尽可能减少人们在用水时的浪费，“水立方”对马桶、洗浴水龙头、面盆等设备采用感应式冲洗阀，合理控制洁具出水量，并在各集中用水点设置水表，计量用水量。预计通过这些措施，可节水约10%。
除了洗澡水，水立方还将在比赛大厅设置饮水处，为运动员和观众提供饮用水。为了避免饮用水的二次污染和浪费，“水立方”的饮用水将采用终端直饮水处理设备进行处理。