揭开“鸟巢”膜面纱

　　两层薄膜轻掩钢骨

　　据介绍，膜结构共分为两层，最外层为屋面围护膜，第二层为声学吊顶膜。

　　屋面围护膜由1024个膜片组成，总面积约42000平方米，最大膜片的单元面积约250平方米，最小膜片为5平方米，使用的膜材为ETFE膜。这种膜材相信大家都很熟悉，因为国家游泳馆“水立方”使用的正是这种材料。不同之处是“水立方”为充气的气囊式ETFE膜，而“鸟巢”则是单层张拉的ETFE膜。

　　而第二层的声学吊顶膜，分为下部声学吊顶、看台声学吊顶和内环声学吊顶三部分，由1044个膜片组成，总面积约53000平方米，使用的膜材为单层的PTFE膜。为什么要这样安排两种膜的顺序？曾经作为专家顾问参与过“鸟巢”膜结构工程论证工作的中国建筑科学研究院的赵西安教授解释说，ETFE膜具有超强的耐紫外线的功能，耐久性非常好，能够抵抗风雨的侵蚀和紫外线的照射，所以把它放在最外层。

　　而这层膜是透明的，阳光几乎毫无阻拦地穿过它，让观众长时间地暴露在阳光下显然是不行的，于是就需要第二层膜———透光而不透明的PTFE膜来起到遮挡作用。同时，所采用的微孔PTFE膜具有吸声的作用，可以用它来调整声学环境、减少噪音对周围环境的影响。而这些不透明的膜将钢架遮挡起来，也可以让观众更好地将注意力集中在比赛上，以营造更好的比赛气氛。

　　据了解，“鸟巢”的膜结构并不是覆盖全身，而主要是集中在屋面的位置，一直延伸到其“肩部”下面一点。廖扬说，在原设计中，“鸟巢”的膜结构就不是铺到底的，这样做的原因，一方面是可以节省费用，另外也使体育场内有更好的通风条件。

　　那么，为什么要给“鸟巢”的屋面铺上膜，而不是其他的材料？当然，用铝板或玻璃板做材料也可以，但选用膜可以大大地减轻鸟巢的负担，因为鸟巢的跨度大，用钢量也大，轻质的材料可以减轻它的负担，因为膜几乎没有什么重量，一平方米也就几公斤，而如果用玻璃的话每平方米就要几十公斤。几万平方米的面积，孰优孰劣，可想而知。

　　那么，这些膜是如何安装上去的？

　　给鸟巢装上“窗户”

　　简单地讲，给“鸟巢”装膜就好像做窗户一样，先制作一个金属框，然后将膜放置到金属框中。金属框是由钢框加上铝合金和不锈钢夹具制成的，在它和“鸟巢”主体钢结构之间有一个固定的边界来衔接，夹具系统将金属框连接在钢结构主体上。

　　在安装时，工作人员通过垂直运输的工具，比如吊车或者滑轮组，将制作好的膜材料打成卷，运送到它需要安装的位置，将卷打开，先进行一些初步的连接，然后开始给膜施加预张力。施加预张力是膜结构安装中最重要的一环，说白了，就是把膜给拉紧。这就好比鼓皮一样，鼓皮是软的，如果不绷紧的话，鼓槌一敲很容易破掉。绷的越紧，鼓就越有劲，膜结构也一样。进行初步连接以后，工作人员就会沿着膜的四边，用施力的工具，把它给拉过来，施加预张力，使其达到设计张力之后，再固定住，整个膜的安装就完成了。

　　据了解，为了满足排水的需要，工作人员还需要在钢结构主体上，围绕安装膜的单元格焊一圈排水天沟，外围的ETFE膜和排水天沟直接相连。由于ETFE膜是透明的材料，不能承受很大的拉力，所以工作人员通过给它增加辅助的支撑系统，比如钢梁和索网，来增加它的平面外刚度，提高其抵抗外力的能力。

　　设计过程优化创新

　　“鸟巢”膜结构在设计工作中经过了不断的优化和创新，使设计更加合理，更能适应新的变化。

　　在原来的设计中，ETFE膜在每个单元中都有若干个小钢拱，将单层的ETFE膜撑起来，变成一个向上的凸面。对这个设计进行了研究和论证，认为这个凸起的弧面解决不了“鸟巢”的现实问题。

　　假如体育场的屋面全部是平的，这时将膜拱起的话，增加了坡度，有利于解决积水和积雪的情况。但现实的情况是，“鸟巢”的屋面不是平的，单元格的最小坡度都有9度，利用它的自然坡度已经足够。假如此时再将膜拱起的话，一面的坡度虽然会增加，但同时另一面的坡度却大大减小，对于解决积水和积雪的问题非常不利，有画蛇添足之嫌。

　　最后将ETFE膜由凸面的设计改为平面，利用其自然坡度，可以更好地排水和防积雪，而且还节省了很多费用，更经济，也更有效。“鸟巢”的设计方案在经过优化之后，用钢量大大减小，但同时也给膜结构的施工带来了新的难题。因为鸟巢用钢量减小后，钢梁的截面减小了，承受附加力的能力也有所降低，这就要求膜结构安装上之后，对钢结构主体施加的力不能超过15千牛，而这非常难以做到，怎么办？

　　设计人员想出了一个非常巧妙的办法来解决这个问题。原来，膜结构的附加梁都是卡在单元格当中的，假如有外力的话，附加的梁会给主梁一个拉力或推力，使主梁难以承受。工作人员通过调整设计，在原来的基础上延伸出一部分，并安装了一些滑动的支座。这样，当有外力的时候，附加的梁就可以移动，这一动，就将本来施加给主梁的压力卸掉了，起到了一个类似缓冲区的作用，解决了这个问题。