說起北京的新地標，最閃耀的莫過于水立方。水立方能勝于鳥巢搶人眼球，最大的亮點莫過于根據細胞排列形式和肥皂天然結構設計而成的氣泡。夜幕降臨時，這些氣泡時而呈現出藍、綠、紅等色彩。這樣外形的建筑，全世界獨一無二。

昨天，水立方的建造單位，憑借著建造時的技術創新，獲得了2011年度國家科技進步一等獎。當中的成員單位之一就是浙江大學。如果當初浙江大學團隊不能解決建筑結構上的難題，或許，今天的水立方造型就不復存在。

國內頂尖專家出馬

水立方建造時提出的是一個多面體剛架結構，屬于空間結構領域。在這個領域，浙江大學卻是全國最強的院校，擁有了國內最頂尖的專家之一中國工程院院士董石麟。

“接到任務時，只看到設計師提供的方案設計圖，要將水立方設計成一個個氣枕圍護的空間結構體系。”董石麟的學生、浙江大學博導趙陽說，國內外之前也沒有類似的建筑，建筑設計師提出的新理念能不能運用到實際的建筑，特別是要符合房屋建造安全使用年限，心里并沒有底。

但是，圖紙上水立方的造型誘惑力很大，誰都沒有輕言放棄。作為水立方結構科研攻關團隊的負責人，董石麟帶著成員一次次地往返北京、杭州，尋求突破的辦法。

氣泡”為什么3年后才獲獎？

水立方是2008年1月竣工。時隔3年，才因為建造技術創新與實踐拿到國家科技進步獎，主要是獎項本身對工程類項目的要求，為了檢驗工程質量的安全可靠性。水立方項目剛好趕上這個時間節點。

工程中應用了哪些創新技術？

8分鐘建模無累積誤差

“每幢房子建造時都會建立數字化模型，通過計算機計算出結構受力、使用材料等，為實際建造提供依據、準確的數據。”趙陽說，結構分析的最終目的，就是要知道怎樣把這些氣枕通過剛架支撐起來，而且要做到百年風吹不倒、抗震的建筑。要達到這個目的，就必須先建立起一個分析模型。

如果是一個普通的建筑，外觀不會復雜，也就是簡單的橫平豎直。趙陽說，可是，當建筑目標外觀布著若干不規則的氣泡的水立方時，平時建筑結構分析時使用的建模軟件根本不能用，只能重新開發一套適合水立方的系統。

董石麟說，最初拿到的水立方的結構模型，是通過圖形建模完成的，每一次修改模型需要熟練人員花7天時間才能完成，而且會形成累積誤差。為解決這一問題，他帶領著團隊建立了精準率極高的“新型多面體空間剛架幾何構成數學模型”，開發了數學解析的嵌填式建模技術，實現了8分鐘建模，而且無累積誤差。

首創空間網絡結構技術

趙陽說，支撐水立方表面氣枕的多面體剛架結構，是理論物理學的氣泡理論在建筑領域的首次運用。

當氣泡理論與建筑結構相結合時，新的問題又擺在了董石麟團隊面前。

趙陽介紹，水立方表面有3600個大小不同的氣泡，也就是專業上所說的ETFE（聚氟乙烯）氣枕。

“還是利用氣泡理論，將一個個多邊形立體化，共形成6000多個節點。每個節點只用4根鋼管來支撐。”趙陽解釋，一般空間結構的每個節點至少有6根鋼管，可是，因為使用了基于氣泡理論的多面體剛架，每個節點只有4根鋼管，否則就不能形成氣泡了。這就造成節點的受力情況特別復雜。“這是在全世界都沒有可以參考的技術。經過很多輪的實驗，我們團隊提出了復雜受力焊接空心球節點的設計方法。”

董石麟說，這一空間網格結構技術，填補了國內外空白，直接運用于水立方設計，并且還被國家行業標準《空間網格結構技術規程》所采納。

說到構成多面體剛架的2萬多根鋼管，趙陽解釋，站在水立方外看到的很多氣泡邊條，那不是鋼管，而是氣枕充氣后的密封裝飾材料。支撐整個水立方的鋼管位置隱蔽，需要近距離透過氣枕才能看到。這樣做是不妨礙氣枕呈現的美觀性。

“水立方的用鋼量，每平方米是97千克；鳥巢的用鋼量，每平方米是420千克。”董石麟說，雖然水立方的用鋼量要少很多，可是安全程度一點都不遜色。

可適用于哪些建筑領域？

董石麟團隊的水立方結構設計創新，他說，可以更多地用于火車站、機場、體育館等大跨度建筑領域的建設，不僅可以做到外形美觀，還可以達到安全、高效、輕質的建筑功效。“不過，現在國內外的建筑中，還僅僅用于水立方。”

之所以多面體剛架結構沒有鋪開應用，主要是一般的建筑對外形要求并不特殊，無須采用這樣的結構形式。

趙陽提到，雖然大型建筑中尚未用到多面體剛架技術，但是，氣枕技術在建筑上應用已小范圍嘗試，如廣州新火車站、蘇州時代廣場，并有規模使用的趨勢。