Олимпийский водный стадион в Пекине

Это удивительная постройка находится в Пекине и является Национальным центром водных видов спорта. Здание уже почти достроено и внешне выглядит так, будто состоит из огромных пузырей, наполненных водой; на самом же деле поверхность «водного куба», как принято его называть, состоит из двух слоев особой пластмассы или ETFE (ethylene tetrafluoroethylene). Такая конструкция с использованием полых ячеек в виде пузырей играет важную роль в регулировании температуры внутри здания: если температуру внутри нужно повысить, компрессоры выкачивают горячий воздух из «пузырей», где он нагревается под действием солнечных лучей. Когда же воздух нужно охладить, он закачивается снаружи через специальные отверстия в крыше. Еще одно преимущество такого типа зданий – они более устойчивы перед землетрясениями, которые в Пекине не редкость.

Здание Национального центра водных видов спорта (Олимпийского водного стадиона) расположено в Олимпийской деревне рядом с основным стадионом Игр-2008 «Птичье гнездо». За свою правильную прямоугольную форму и «пузырчатый» внешний вид оно получило название «Водный куб». Проектирование и строительство велось в 2003-2007 годах.

Рис. 14. Олимпийский водный стадион: вид на завершающей стадии строительства.

В основу идеи «Водного куба» положен принцип обычной садовой теплицы – стальной каркас, покрытый пленкой, а внутренние помещения нагреваются под воздействием солнечных лучей. То есть, внешних стен в их обычном понимании в этом здании просто нет.

Все «пузырьки» здания держатся на стальном каркасе, разработанном специалистами PTW Architects совместно с CSCEC и Arup Consulting Engineering. По внешнему виду он напоминает соты, строение которых было взято по аналогии с мыльной пеной.

Такая внешне хаотичная, но достаточно оптимальная по своим заложенным в геометрию прочностным характеристикам конструкция, описанная впервые в 1994 году, на самом деле является наиболее эффективным способом деления пространства на автономные ячейки нескольких типоразмеров, созданным самой природой.

Применительно к нашему зданию вся несущая конструкция была хорошо выверена, просчитана и оптимизирована.

Для возведения каркаса пришлось использовать примерно 90 километров стали (общий вес 6500 тонн), сформированной в 22000 балок-лучей, ни одна из которых не имеет прямолинейной формы. По этим характеристикам здание «Водного куба» вполне сравнимо с Эйфелевой башней.

Окончательно вся конструкция объединялась в единое целое с помощью 12000 узлов.

Рис. 15. Монтаж стен из «пузырьков» при строительстве Водного стадиона. Слева видны открытые конструкции несущего каркаса.

Проектирование «Водного куба» с самого начала велось с использованием технологии BIM, при этом инициатива в ее применении принадлежала архитекторам, инженерам и строителям.

Технология BIM при разработке «Водного куба» использовалась в концептуальном дизайне, оптимизации конструкций, быстром прототипировании, обеспечении взаимосвязи между различными участниками проекта, а также изготовлении чертежной и печатной документации.

Основным компьютерным средством для параметрического моделирования здания стала программа MicroStation компании Bentley Systems.

Геометрическая модель создавалась еще на стадии конкурсных предложений для показа формы сооружения, но с расчетом на дальнейшее использование в проекте. Первоначальный каркас был составлен из одинаковых ячеек, а затем программными средствами MicroStation все они получили индивидуальные размеры и форму, соответствующие пузырьковой структуре мыльной пены.

Как утверждают специалисты фирмы Arup, для создания модели внутренних стальных конструкций здания им понадобилось всего 25 минут.

Еще на стадии подготовки к конкурсу фирмой Arup каркасная модель здания в формате DXF была экспортирована из MicroStation в программу Strand 7.0 для выполнения первоначальных расчетов конструкций.

Благодаря этому, на каждом шаге обсуждения проекта его авторы представляли заказчику не только «концептуальную идею» с необычными формами, но и строгий расчет.

Рис. 16. «Водный куб»: вверху - фотография основного плавательного бассейна, на которой хорошо виден металлический каркас здания; внизу – различные визуализации проекта.

В дальнейшем, уже на стадии проектирования, все расчеты и оптимизация конструкций методом конечных элементов также велись в программе Strand 7.0.

Результаты этой работы проявлялись в многократных возвратах к первоначальной модели в MicroStation и ее корректировке.

Для оптимизации конструкций по заказу Arup была написана на языке Visual Basic специальная программа, которая работала совместно с Strand 7.0.

Оптимизированная модель и результаты расчетов затем экспортировалась в чертежи для AutoCAD (формат DWG), чертежи для MicroStation TriForma (формат DGN), а также в электронные таблицы Microsoft Excel (формат XLS) для хранения данных.

Создание рабочей документации и оформление другой относящейся к проекту информации выполнялось с помощью программы Bentley Structure, содержащей обширные библиотеки по стальным конструкциям.

Одним из многих плюсов применения программы Bentley Structure было сведение до минимума риска человеческой ошибки. Одновременно программа давала возможность быстро переделывать модель водного стадиона, внося в нее постоянно возникающие по результатам расчетов или другим причинам изменения, уточнения и коррективы.

В результате такой деятельности к концу каждой недели все 65 чертежей основной документации (планы, фасады, разрезы и т.п.) претерпевали полное обновление.

Для изготовления стальных конструкций фирма Arup предложила максимально использовать уже имеющуюся компьютерную модель, чтобы облегчить весьма сложное производство и свести до минимума такую дорогостоящую операцию, как сварка.

Рис. 17. «Водный куб»: конструкции основного каркаса здания.

Для этого надо было переводить модель из MicroStation в формат SDNF, а затем передавать ее в какую-либо специализированную программу (например, Tekla Structures), которая производит необходимую подготовку для последующего изготовления всех деталей на станках с ЧПУ.

Но в случае с «Водным кубом» возникла уникальная ситуация - китайская сторона, располагавшая большим количеством достаточно дешевой рабочей силы, отказалась от возможностей автоматизированного производства конструкций каркаса здания в пользу «ручного» их изготовления.

В результате, несмотря на имеющийся технологический потенциал, все стальные детали каркаса изготавливались вручную. На их сборке было задействовано около 3000 рабочих, в том числе более 100 сварщиков.

Фирме Arup пришлось в таких условиях обеспечивать рабочих большим количеством дополнительной документации по конструкциям и их узлам, выведя на бумагу в общей сложности более 15000 чертежных видов. Но благодаря BIM была успешно решена и эта задача.

После завершения строительства и ввода в эксплуатацию здания американский журнал «Time» включил стадион «Водный куб» в список «Десяти лучших архитектурных сооружений в мире по итогам 2007 года».