长安街畔，一池湖水忽现明珠！ 隆冬季节，广阔湖面碧波荡漾！！ 零下十度的水面， 为何丝毫不见结冰迹象？ 万余吨的巨型穹顶， 如何才能抗风抗雨又抗震？ 探究真相， 湖面之下、穹顶之中究竟有何玄机？？ 《魅力科学》周四版之《拍案惊奇》 马上为您讲述《揭秘国家
长安街畔，一池湖水忽现明珠！
隆冬季节，广阔湖面碧波荡漾！！
零下十度的水面，
为何丝毫不见结冰迹象？
万余吨的巨型穹顶，
如何才能抗风抗雨又抗震？
探究真相，
湖面之下、穹顶之中究竟有何玄机？？
《魅力科学》周四版之《拍案惊奇》
马上为您讲述《揭秘国家大剧院——出水明珠》！
大剧院奇特现象，冬季池水不结冰
隆冬的北京，国家大剧院首次面向公众拉开了“国际演出季”的序幕……
当观众带着期待的心情走近新近落成的国家大剧院、赞叹它 “出水明珠”般的华丽外表的时候，您也许会意外地发现一个奇特的现象！
一月的北京是一年之中最冷的季节：夜间室外温度一般都会在零度以下，北京很多处湖面都已经结了厚厚的一层冰，然而奇怪的是大剧院周围的一潭湖水却丝毫不见结冰的迹象！
由于大剧院坐落在北京西长安街南侧，可以说是首都的中心位置。很多人不禁猜想，会不会是因为大剧院位于城市的心脏地带，每天来往的人流量、车流量很多，从而导致局部温度升高呢？
专家告诉我们，这种说法是不能成立的，在一些人口密集的地方，因为二氧化碳或汽车尾气排放量增多等原因确实会导致气温上升的现象，但却非常有限，且多见于燥热的夏季，所以在冬季里因人、车密集而导致温度上升、大片水面不结冰的情况是不现实的。
既然不是周围环境的问题，那么注意力就自然集中到了建筑本身，会不会是建筑自身的特点所致呢——我们可以看到大剧院地平面以上一池湖水紧紧环绕着“珍珠”的结构，周围没有任何入口。那么水面不结冰会不会和这种奇特的结构有关呢？换句话说，巨大的椭圆型建筑中是否隐藏着什么玄机呢？
亲眼领略过中国国家大剧院风采的人们，都会产生这样的直观感受：华丽唯美的银色椭圆形穹顶，可谓是名副其实的庞然大物！它高46米，东西方向轴长212米，南北方向短轴长144米。它是目前世界上最大的穹顶建筑。如果把这个概念形象化，那么这个巨大的钢铁壳体几乎可以将整个北京工人体育场全部罩住！
大剧院壳体的骨架由148榀巨大的径向弧形钢桁架组成，另外还有42层水平钢拉杆从上而下把径向的桁架紧紧箍在一起。整个穹顶总重达六千七百多吨的钢材完全依靠自身的力学结构体系来保证稳固，也就是说，如此巨大的钢结构中间竟然没有一根柱子来支撑，建筑的难度可想而知！
很多老百姓把国家大剧院亲切地叫做“蛋壳”，但人们不知道的是，这个“蛋壳”还能够“移动”，这究竟是为什么呢？
原来，为了使建筑物在遭遇地震、暴风雪等自然灾害时，不垮塌，就必须让这个“大蛋壳”本身具有轻微位移和弹性变形的能力。当然，这一点对于高层、结构复杂的建筑物尤其重要。
对于这点，来自法国的大剧院总设计师保罗·安德鲁先生在剧院的设计中也做了一套方案。在他的方案中，准备在穹顶底部分散安装多个橡胶支座，利用橡胶可变形的材质特点，来缓冲外界带给大剧院的各种水平力。
没想到，看似精妙的设计在中方建筑设计专家们的眼里却存在着一个明显的缺陷！那么这个缺陷是什么呢？
橡胶是一种使用寿命相对较短的材质，一般在三十年左右，相对于国家大剧院的寿命来说，需要不断地进行更换。法国设计师的想法是要把整个穹顶顶升起来更换。据说法国的凯旋门就是用橡胶支座作为减震设施，并用千斤顶顶升起建筑的方法更换。然而在就中国的实际情况来说，没有先例，理论上可以完成的事情实际中从未实践过。
穹顶建设中的困难怎样解决？
针对减震材料这个技术难题，设计部组织专家进行了多方的研讨，最终专家们找到了问题的突破口！既然顶起穹顶更换橡胶支座是件难以完成的事，那么就争取避开这个环节。最终，经过精密的测算和实验，专家们决定用一百多个具有同样功能的钢质材料制成的支座替换掉最初的橡胶支座。
这样一来，总重达1.2万吨的整个壳体也可以在这些支座的帮助下有轻微移动和变形，从而保证整个结构的安全和稳定。这种柔性的设计使得国家大剧院就像一个太极高手，用以柔克刚、四两拨千斤的手段化解了来自外界的各种力量。
大剧院“蛋壳”内部结构的问题终于解决了，但随着工程的进展，“蛋壳”外部的一个重要问题又紧接着出现了。
大剧院穹顶的外部表面积有3.6万平方米，平铺开来相当于五个多世界杯足球场的面积大小。其表面用一万八千多块钛金属板和一千两百多块透明玻璃组成“帷幕拉开”的效果。
很多人不禁质疑，如此庞大、复杂的结构，一旦遭遇下雨或沙尘等天气后，晶莹的“珍珠”会不会成为一个非常难清洗的“大花脸”呢？
这么大的蛋壳到底如何清洗呢？一开始，法国设计师也提出了自己的初步设想，那就是设计一款人工操作的、通过绳子和穹顶内部桁架相连的小车。但由于穹顶结构极为复杂，每一块金属板的形状、弧度基本都各不相同，所以最后计划未能实现。正在设计人员们一筹莫展的时候，事情却突然出现了转机！
一天，一家制造机器人的公司主动找到了国家大剧院，要为剧院做一个能擦洗穹顶的全自动机器人。机器人公司的出现让大家觉得事情出现了一丝转机。计划正在一步步紧张而有序地实施着。一段时间后，令所有人兴奋的是，一个成形的机器人模型诞生了。然而，接下来，意想不到的困难又随之出现了。
关于机器人的方案，专家做了足尺的模型来检测其性能。在实验现场，问题暴露了出来。因为机器人不仅要完成擦洗的动作，还要有沿着复杂的穹顶上下左右走动的能力，这实在是难上加难。最终，这套方案还是止步于穹顶的复杂结构。难道，制作一台擦洗机器的思路真的已经走入了死胡同吗？
经过一段时间的研究，设计人员们转变了思路，把纳米技术确定为了方案中的主角！专家们发现，如果把纳米涂料均匀涂在穹顶的表面上，那么任何污物都无法附着在穹顶表面，更不会和钛金属板发生具有较强破坏性的化学反应。这样一来，无论是恶劣的天气还是空气中的灰尘都不会影响到这颗晶莹剔透的“珍珠”了！
就在大家以为找到了最佳方案的时候，实验结果却与预想发生了偏差。首先，涂抹纳米涂料的效果并不如方案中设计的那么理想；其次，纳米涂料的使用周期可能只有一年左右，这样大大提高了反复作业的成本，造成了不必要的负担与浪费。
最终，理想中的高科技材质也被否定，难道“出水明珠”注定无法光洁如新吗？专家们又该如何应对这个无法回避的难题呢？
真相大白揭开湖水不结冰的真正原因
种种复杂费力的方案都被一一否定，我们及时调整了思路。其实，最简便的方法往往却是最有效的。最后采用了直接而简便的方式：在大剧院的穹顶上设立了很多水平轨道，之间有梯子相连接，并且在穹顶上隔一段距离就会设立一个供水点。这样，采用吊绳的“蜘蛛人”方式便可以非常方便地擦拭到巨型穹顶的每一个角落。至此，大家对大剧院的地上建筑部分已有了基本的了解。但很多人可能还不知道，大剧院内部建筑物有近一半高度是位于地平面下方的，最深的地方有十层楼的深度，成为了北京最深的地下建筑物。所以所有进入国家大剧院的通道也都位于水平面的人工湖下方，由一条长约八十米的玻璃顶水下长廊做连接。
既然湖面不结冰的原因和地面上的建筑并无关联，那么它的秘密又是否隐藏在湖面下方呢？
关于人工湖的设计，早期，保罗·安德鲁，这位气质浪漫、谈吐文雅的法国设计师曾经有过一个这样的想法。他打算冬季湖水结冰以后，把总面积三万五千平米的巨大环形冰面，变成一个天然溜冰场，供市民玩耍。同时，洁白的环形冰场，和冰面上尽情享受这一份愉悦的人们，也成了隆冬季节中一道亮丽的风景线，更加彰显了大剧院的艺术韵味。
然而，浪漫的设想却与现实发生了无法调和的矛盾。
经过认真研究，我们发现，法国设计师的设计方案与现实发生了两点冲突。首先，利用这个水池滑冰是一项危险性相对较高的运动，位于北京城心脏地带的国家大剧院，当然要把安全指数放在首位；其次，更为实际的问题是，开放溜冰场需要相应更换冰鞋、储存物品等配套设施，这对于国家大剧院的整体风格和周边环境也造成了一定的破坏。所以最终不得不放弃这个方案。
既然湖面结冰后既不美观又无法利用，那么专家们就要想办法保证一潭湖水四季都碧波荡漾，让“湖水映明珠”的唯美形象深入人心。
专家们首先想到了常年恒温在13℃的丰富的地下水资源。如果能让十几度的地下水参与到水池的水循环中，就能保证冬天湖水不会结冰。但这样一来，却造成了巨大的水资源浪费，甚至是地下水污染。这种局面肯定是设计者们不想看到的。那么怎样才能避免这种浪费呢？
经过一段时间的思考和研究，专家采用出了一套叫做“中央液态冷热源环境系统”的装置，来保证一年四季“碧水映明珠”的理想成为现实。这套装置的基本构造就是从地下水部分和人工湖部分分别抽出一部分水在各自的管道中循环，两个管道在墙体内都呈螺旋状交错在一起，这样，既能互相传递温度，又不会因为水源直接交换而引起浪费、污染。这个装置使人工湖内的水温不致过冷或过热，冬季不会因过冷而结冰，夏季不会因过热而长藻，一举两得。
无论是设计者们眼中华丽的“出水明珠”，还是百姓们嘴上新奇的“水中蛋壳”，中国国家大剧院的所有设计和建筑人员们用他们智慧的结晶成就了半个世纪前，由周恩来总理提出的建设大剧院的构想！
如今，半个世纪的梦圆了。国家大剧院正以崭新的面貌向四面八方的来客敞开它博大的胸怀，传承着我国悠久而绚丽的艺术文化，世代延续下去……
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