【科普微博士】 为什么“水立方”外墙要由那么多泡泡组成

来源: 作者:科普工作队 发布日期:2015-06-29 00:00:00



  为 2008 年北京奥运会兴建的国家游泳中心落成以后, 马上得到了 “ 水立方 ” 的昵称。为什么叫它 “ 水立方 ” 呢?因为一般的建筑物的外表面不是面砖、涂料,就是石头、玻璃,可 “ 水立方 ” 的外墙却是由很多很多 “ 泡泡 ” 构成的 , 远远看去,就像是一个盛满肥皂泡的玻璃缸。
  这些 “ 泡泡”其实是一种新型建筑材料—— ETFE 膜材料,因为外观看起来鼓鼓的,里面却充了气,所以被叫作 “ 气枕 ” 。这种新型塑料材料,厚度通常小于 0.20 毫米,重量只有同等大小玻璃的 1% ,性能却十分优异:抗拉耐压、高透光、高抗污、耐腐蚀、易清洗 , 燃烧时不易熔化滴落,跟金属有较强的黏着性,并且完全可以循环利用,因此被称为 “ 塑料王 ” ,并被广泛用作建筑材料。 “ 水立方 ” 表面覆盖着 3000 多个不规则的气枕,面积达 11 万平方米,是世界上规模最大的膜结构工程,也是唯一完全由膜结构封闭的大型公共建筑。
  这些气枕采用多层 ETFE 膜,将边缘用金属框夹住,然后往里面充气制作而成。内压使膜材产生张力,就像被吹起来的泡泡,从而形成了充气枕的形状和应有的强度。此外,与气枕相配套的还有一套充气系统,目的是使气枕内部的压力保持恒定。当冬季屋面积雪较多时,充气系统还会把气枕内压调高 1 倍以上 , 加大外凸高度,增加抗压能力,以免被积雪压垮。


  设计师还在支撑气枕的钢结构空间内安装了复杂的灯光系统,因此, “ 水立方”在夜晚时忽而变蓝,忽而变紫,甚至还能产生金鱼穿行在泡泡中间的效果,非常奇妙。 【微博士】最佳泡沫结构
  英国著名的数学物理学家开尔文 (1824-1907 ) 曾提出这样一个问题:如果把空间划分成相同体积的小单元,那么,怎样划分所需要的界面才能最小?与此等价的问题就是 : 什么样的泡沫结构效率最高?开尔文自己认为,理想的泡沫结构是由相同的十四面体组成的,每个泡泡的十四个面中有 6 个正方形和 8 个正六边形。在随后的 100 多年里 , 人们普遍认为开尔文提出的这个结构就是最优泡沫结构。直到 1993 年,爱尔兰科学家丹尼斯 • 维埃尔和罗伯特 • 费伦用计算机模拟泡沫结构,才找到了比开尔文模型更好的结构 , 这个结构被称为维埃尔一费伦结构。这种结构是由两种相同体积的泡泡组成,一种是正十二面体,每面是正五边形;另一种是十四面体,其中两个面为正六边形,十二个面为正五边形。
  【本文摘自《十万个为什么》】


  英国的“伊甸园工程”中使用了ETFE膜,它是一个在废弃矿山上兴建的生态温室,那里汇集了全球许多种类的植物。

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