见过水立方的人都会被它美丽轻盈的外表拨动心弦。这个获得国际桥梁与结构工程协会杰出结构大奖的作品，除了有建筑师无比空灵的创意设计外，浙江大学空间结构研究中心为之做出的创新与开发，也是实现“力”与“美”完美结合的关键之一。2012年2月14日举行的国家科技奖励大会上，水立方工程建造技术创新与实践项目获得科技进步一等奖。
水立方的设计灵感来自于“水泡”——一个笨头笨脑的“方盒子”，如何看起来能轻盈活泼？中外联合设计师团队提出，可以用理论物理学中的气泡理论与ETFE气枕来实现——当“方盒子”穿上3615个大小不一的“水泡”簇拥而成的外衣，呆板的气氛就一扫而光，动感而时尚。可是，怎样实现这个如梦似幻的构想？在此之前，国内外没有任何工程先例可以参考。中国工程院院士董石麟带领浙大空间结构中心的科研团队要做的，就是如何让水立方真正“立”起来。“方案理念都是世界一流的，完成它们有很大的艰巨性，我们还有很多工作可以做。”董石麟说。
一般而言，进行这样一个庞大的工程，需要工程师先在电脑中建立结构模型，经过复杂的计算分析，绘出施工图，再根据图样进行实地安装施工。“水立方的刚架结构由20000多根杆件和6000多个节点组成，如果对建筑方案进行任何改动，整个结构模型就需要重新调整。”董石麟介绍，在方案的初步设计阶段，水立方的结构模型是设计师通过图形建模完成的。每一次修改模型，需要熟练的设计人员花费7天的时间才能完成，而且会形成累积误差。从设计到施工，还有巨大的时间鸿沟。
“在设计阶段修改模型是一件随时都可能进行的事，必须有快速成型的方法，才能保证大体量工程的流畅进行。”董石麟介绍，浙大的科研团队为此专门开发了一个建模软件，能同时“驾驭”数万个数据的变化。运用这种数学模型软件，普通计算机8分钟即可完成水立方多面体刚架整体结构的建模，而且无累积误差，精度达16位有效数字。这样，在水立方的深化设计阶段，模型的修改就变得非常简单快捷，这为水立方结构设计深化和施工提供重要的技术支持。结构工程师只需在电脑前等待片刻，一个符合实际建筑模型的水立方刚架模型就会马上生成。
虽说“水泡”是轻盈的，但支撑这种“轻盈”的却是一个造型独特的大力士——“新型多面体空间刚架结构。”“多面体空间刚架作为大跨度建筑主体结构，它的设计施工国内外都没有专门规范规程可遵循。”浙大空间结构研究中心赵阳教授介绍，这种结构的核心部件是一个空心球节点和与之相连的4根钢管。水立方对设计施工有一个前所未有的挑战：从前的空间结构中，空心球节点只受到来自钢管的轴力，其设计方法相对简单，但在水立方中，节点将同时受到轴力和弯矩等多种力量的“牵拉”，其难度也是成倍增加。浙大的科研团队经过研究，对空心球节点的受力情况进行了“庖丁解牛”式的分析，揭示了焊接空心球节点在轴力和弯矩共同作用下的受力性能和破坏机理，建立了焊接球节点复合受力条件下的承载力设计方法。“虽然一般人看起来这些错综复杂的钢管及其所连接的节点没有规律可循，但其实是经过了严密的力学计算与分析。”据了解，浙大开发的这一设计方法填补了国内外已有设计规程中的空白，目前已被国家行业标准《空间网格结构技术规程》（JGJ7-2010）所采纳。
由于在国家游泳中心科技创新工作中的突出贡献，浙江大学水立方科研项目组被“科技奥运（2008）行动计划”领导小组、北京奥运会科学技术委员会授予“科技奥运先进集体”，并获“北京市奥运工程科技创新特别奖”。“这一种结构在过去，不单单在我们国家，在世界上还是没有的，世界上第一个采用多面体刚架结构形式的建筑物是在我们中国实现的。”董石麟说。
（文 周炜/摄影 卢绍庆）
