中國人民的夢 - 水立方篇(2)

續上會, 為方便連接各部件, 工程師設計了使用連接球(Node)來連接各鋼部件(frame member), 但始終工程進度很慢, 一定不能在08年前完成. 在某一天特然數位燒焊師傅一同討論如何提高進度時, 便想出一個驚人的創舉, 他們建議先把Node 和frame member先在地上連接,然後便運上大樓連接其他部件, 每次燒焊都只用調教一個frame member. 情況好像先把frame member與Node連接成火柴枝一樣, 燒焊時方尾接圓尾, 每次只用調節一個frame member的角度, 不用像先前一樣用一個node point來同時連接三個frame member, 並需同時調較三個frame member.

此舉便把工程進度大幅提高三倍,300燒焊工人同時開工, 高峰期可以每天可完成200個構件,相對以往每天數十條, 的確大大改善了.

最令人驚訝是, 用這樣的燒焊方式令屋頂的中央部份只下沉81mm, 比設計時預計下沉240mm, 有大大的改善. 這不單可以確保外形成正方形, 而且亦可防績水的問題, 因為整個水立方的屋頂是沒有水坑只有一些少的排水管.

要解決隔音的問題的責任落在清華大學身上, 一般的ETFE最多只做三層, 通常只做一層但水立方為解決隔音的問題做了四層來隔聲, 如只做一層的話, 當下雨時室內好像萬人打鼓一樣, 做了四層雖然有所改善但來自結構震動的聲音(Structural bounding)仍是很難解決, 清華大學設計了一系列的吸震器來解決Structural bounding這問題, 當清華完成這設計連廠商都來抄襲我們的設計, 因為直至現在發明這物料的廠商根本沒有這技術解決這問題.

最後的問題是光的問題,ETFE是高透光度的物料, 它可以令水立方90%時間都用自然光但ETFE同樣是高反光的物料, 所以天黑的時候如開燈的話很難控制反光效果, 對運動員、觀眾和電視直播都是一件壞事. 解決的方法是不解決, 水立方室內只用像太陽光線的太陽燈, 然後讓光線四處反射, 營造自然環境四周有自然光的效果, 燈的位置和強度當然經過精密設計, 但理念是很簡單.

外牆的燈光效果當然是用紅、藍、綠三個LED燈造成的, 所以只要調節紅、藍、綠的比例便可以製造不同的效果, 但問題是光線不只是從ETFE射出室外亦同時射進室內, 所以跳水台背後加了一道牆來阻隔光線.

水立方和鳥巢開創了不少工程上的先河, 亦成了很多人的實驗室. 中國人為了科技奧運、環保奧運這一句話便不知付上了多少的人力物力,總之為京奧所開創出來的技術永遠都會造福後世.

中國人民的夢 - 水立方篇(1)

講起水立方, 它當然是建築工程科技的另一大創舉, 我之前都有介紹過京奧的規劃, 鳥巢是圓,水立方是正方形, 正所謂天圓地方, 一陰一陽的理念.

水立方有17,000個坐位, 但在奧運後便減至6000個坐位以減低維修成本. 近日當大家收看比賽時都知道水立方是有一個遊泳池、一個跳水池. 水立方最大的特點當然是外牆, 設計的理念是當然是H20, 由水份子組織成的比賽空間. 如要製造這樣的屋頂就只可用ETFE一種物料, 因為只有ETFE才可造到不規則的圖案而只需要很幼的結構支架. 而加上設計的理念是希望整個場館在日間時是接近全用自然光照明, ETFE正好能提供高透光度而隔熱度強的屋頂物料, 這正好配合環保奧運的主題.

如大家有看我在英國EDEN project和之前鳥巢的blog, 便會知道ETFE的特性. 儘管ETFE只是玻璃的1%重量, 但沒柱沒樑而117m的跨度的情況下, 仍是一個非常大的挑戰. Eden project的跨度都只是50-60m而且是圓拱形的結構, 相對水立方而言是比較簡單, 而且一個正方形的全ETFE結構在世界從未發生過.

照常理,如要有117m的橫跨度的話,應用圓拱形結構. 但今次因為要挑戰技術上的極限, 負責這工程的澳洲PTW建築師和Arup結構工程師使用了如峰巢的六角形結構, 因為峰巢的結構是全世界最堅固、最輕的結構之一. 而水立方的結構框架比Eden project明顯加強, 但問題是整個水立方是成不規則的六角形圖案, 所以不能先在工廠製作預制件然後到現場安裝.

單是屋頂便有數萬個連接點, 整個水立方的構件總數近30,000個, 而構件與構件之間的距離不能錯, 否則便影響其他六角形構件. 所以每天只能連接數十條構件, 工程師在2006年時說按現在的進度至2010年還未能完成. 最後如何解決呢?

另外, 我在Eden project提及過,ETFE最大的壞處之一是低隔聲效能, 所以室外的汽車噪音問題和下雨時的聲浪又如何解決呢? 明天分解.

中國人民的夢 - 鳥巢篇(2)

首先多謝網友post了Youtube上關於鳥巢的影片, 令我得到更多補充資料來轉告大家. 續上回, 鳥巢的結構分兩部份,坐位是由混凝土支撐, 而梯級形坐位部份是由預制件方式組合上去, 情況好像Lego一樣一塊一塊組織上去, 令工程進度得以加快. 現在的坐位是成35度往上斜, 奧組委曾擔心斜度太高容易造成危險, 但如果坐位是成30度的話便會令整個場館向外擴大14m, 令山頂位的觀眾更難看清賽事, 亦大幅增加建築成本和時間, 所以最後保留原來方案.

整個屋頂看起來是雜亂無章, 但其實有把結構部件分成主、中、次三個層次,要建造整個屋頂, 先打樁然後建起垂直的主要部件, 跟著是建造一個臨時支架, 用來承抬鳥巢內環的結構部份. 下一步是連接垂直主部件和內環框架, 之後是加上其他橫向部件. 建造過程最難是移除臨時支架, 因為當支架移除後, 整個內環部份會向下垂. 如果左右、前後兩邊下垂程度不一的話, 可以令屋頂失平衡導致倒塌. 所以工程師在臨時支架與內環之間加了一個油壓支架,來調節屋頂下垂的程度. 單是移除臨時支架這步驟便用了48小時.

如大家有翻看我之前介紹過ETFE特性時, 大家會知道它的好處是又輕又隔熱, 而陽光可以通過但熱量通不過, 但ETFE的耐火性很低, 只要打火機的熱量便可以燒穿ETFE, 不過就不會把火焰繼續漫延. 但開幕禮有這麼多的煙花便馬上燒穿整個屋頂?

所以, 開幕禮時的煙花的角度是特別調較過, 而煙花的高度是比較高, 務求令煙火在空氣中已完全熄滅才降在ETFE之上.

但大家會發現一幕是, 煙花沿著內環短距離發放, 這不是會把ETFE燒穿的嗎?為求這效果,內環使用的是PTFE.PTFE的耐火性比較高而且可以用作大型投影的屏幕, 所以李寧點聖火的一刻便有大型動畫作背景.

講起聖火, 大家有否留意到我上一篇說過, 熱力可以令鋼的硬度減少, 儘管這些鋼是特別為鳥巢研制出來的高純度鋼, 但在連續16日有火燃點的情況下, 一樣難逃宿命,如何是好呢?方法其實很簡單, 火炬的位置在屋頂之上,結構是獨立的而且是用混凝土建造, 這樣便可以避免聖火的熱力影響結構的安全.

最後不得不題, 建造鳥巢時有10名工人犧牲了, 因為鳥巢的特別外形不能建造太多臨時工作架, 工人要冒險只用安全帶在鳥巢的屋頂上工作, 請大家為慶祝開幕禮成功的同時,不要忘記鳥巢是用中國人的性命換回來的.

中國人民的夢 - 鳥巢篇(1)

由於我身在英國, 奧運開幕禮不能看現場直播, 只能看錄影. 當看完4小時錄影後, 真的很感動. 老實講, 英國傳媒一直集中報導京奧的負面新聞, 例如北京的污染、人權問題、反奧運動、搶聖火和恐怖襲擊等新聞, 相反一些正面的報導是相對較少.

以我的偏見,可能英國是下一屆奧運的主辦國, 所以希望自己感覺良好. 如你問我, 我深信英奧一定比京奧更難成功舉辦. 因為我的家就只離英奧主場館10分鐘路程, 英奧主場館四周的配套很難說服世人是適合奧運使用, 因為5分鐘的單車車程, 駕車要用15分鐘才可完成, 如車多的話更要20分鐘.

最重要是英國人不會像中國人一樣全力支持奧運, 相反英奧主場館四周是印度、回教徒和外國人(包括我在內) 的聚居地, 成功與否留待4年後分曉.

但當大家看到昨日的開幕禮, 英國傳媒都一致好評, 這個用萬金堆出來的開幕禮的確令人感到中國人盡心盡力地、不惜一切代價做好這場表演,除四川救災外, 中國人很長時間沒有如此同心做一件事. 這開幕禮將大家的焦點放回奧運體育比賽項目上多於連帶政治關系上.

至於俗稱鳥巢的北京國家體育場絕對是建築史上的創舉. 鳥巢是由瑞士著名建築師Herzog & de Meuron設計, Herzog & de Meuron曾在2000年奪得建築界最高榮譽-Pritzker Prize, 亦曾負責德國世界杯主場館-Allianz stadium.

鳥巢的結構分兩部份, 共91,000個永久座位是用混凝土支撐(在奧運期間座位加至110,000個), 而屋頂則由14,000噸鋼鐵交差組織而成, 這樣使整個屋頂不用柱和樑作支撐,這亦是世界上最大的跨度的單一鋼結構. 設計理念是每一個結構部件互相緊扣在一些互相支持, 正如中國人互相緊扣起來支持奧運.鳥巢原先方案是有一個可以開合的屋頂在中央, 但為了減少屋頂的載重和結構部件之間的接合點取消了這開合式屋頂,改為全露天場館.

除減少屋頂的載重外,最大的好處其實是在消防系統上的簡化. 因為全室內場館的話,雖要設立大量的抽煙喉管和抽煙系統, 為避免火災時濃煙積聚而造成傷亡. 第二, 鋼結構最大的弱點是受熱情況下會變軟, 造成倒塌的危險. 所以一般鋼結構都會在外層塗上隔熱油或噴上混凝土, 如全室內的話, 危險性更高. 從圖上看, 他們應該在結構上設有自動噴淋系統,令火災時降低結構受熱的程度.

為進一步減少屋頂的載重, 他們特意選用ETFE作為屋頂的材料, 因為ETFE只是玻璃的1%重量.以上各樣的處理減少3億元的建造費亦節省2,000噸鋼鐵.

到這裡我先來一個小休, 因為如要了解鳥巢和水立方的設計, 就必須了解ETFE和PTFE兩種物料的特性, 而我在英國系列中的Eden project 和 Millennium dome 作了介紹, 我在此不作重複, 希望大家重看我以往的blog, 否則很難理解以下關於京奧的建築.

中國人民的夢 - 京奧規劃篇

當大家一同欣賞京奧開幕禮時, 大家都很希望中國能成功舉辦奧運, 之前在聖火傳遞時都發生很多不愉快的事件, 希望在比賽期間能順順利利舉行賽事, 讓旅客有一個愉快的回憶.

講起京奧的建築, 大家都很留意鳥巢、水立方等主場館但大家又有否留意京奧的規劃. 奧運會從來都是大白象的工程, 史上只有美國阿特蘭大奧運是能收支平衡. 連在1976年舉行Montreal 奧運, Montreal市政府到今天還未清還興建奧運場館時所得的債項.

其實興建場館不用太多的費用, 政府最大的開支在於擴建道路、基礎設施、機場和鐵路等配套設施, 正所謂觸一發動全身.

另外, 大筆的費用用在比賽後的場館維修. 因為, 很多場館在奧運後使用率甚低, 例如香港如不是舉辦馬術比賽的話, 何來一個如此大型的馬術比賽場地. 這一大堆空置的場館很容易令政府流血不止, 拆卸它亦很浪費, 唯有長期空置.

今次京奧的規劃真的看出中國政府辦奧運的決心, 首先, 中國政府將各種場館分為三類: 需要新建的永久場館、需要擴建現有的場館和需要新建的臨時場館. 新建和擴建的場館多數在奧運後會用作國家級的運動項目或大學的運動設施. 這些設施多數是中國的強項體育項目, 相反臨時場館多數是中國比較少人參與的項目如沙灘排球、曲棍球等項目,所以座位都是臨時座位.

大家都知道鳥巢和水立方等新建的永久場館是位于北京三環與四環之間的奧林匹克公園之內,整個公園由BOSTON的日藉規劃師Sasaki設計, 設計理念以北京的子午線為中軸線. 左是水立方,右是鳥巢, 一陰一陽. 水立方以北是進行體操比賽的國家體育館和臨時場館之一-劍擊館, 鳥巢以北是選手村. 整個奧林匹克公園以一條龍形的湖連接至公園的北部的射箭和曲棍球場兩個臨時場館, 和新建的一個綱球場館. 規劃的理念是令場館背有靠山好像故宮一樣. 原來的設計,龍形湖的尾部是連接南部的奧體中心體育館. 關於子午線中軸, 我在故宮建城篇已提及, 我在此不再重複.

今次奧運的場館規劃考慮到在比賽後的使用情況, 所以盡量配合北京市內大學的發展, 當中8個場館是在8所不同的大學之內, 讓場館在比賽之後被大學使用. 而這些場館所舉行的賽事如乒乓球、跆拳道、柔道、舉重等室內項目, 所以場館設計上的要求較為簡單, 場館空間上的彈性亦相當大, 適合大學將來使用.

這樣除能確保場館之後的使用之外, 亦有效分散人流, 避免奧林匹克公園一帶的人流過度集中,對交通造成沉重的壓力. 明天講鳥巢