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創專利實現建筑夢想鳥巢見證中國智慧

作者：鋼結構網    
時間：2009-12-23 10:02:01 [收藏]

    在25.8萬平方米的建筑面積上，玩轉4.2萬噸鋼材，將其如積木般且非常規地搭建成一個奧運會主會場，而且擁有100年以上的使用年限，能在如唐山大地震般的外力下，保持屹立不倒。這樣的“鳥巢”，正如英國《泰晤士報》所指出的其建筑學價值那樣：測試大量最新技術，一切努力均是為了實現將“表皮”和“建構”融為一體的新建筑夢想。
    這個目前世界上規模最大、用鋼量最多、技術含量最高、結構最為復雜、施工難度空前的超大型鋼結構體育設施工程，從鋼結構到膜結構到混凝土結構，施工中每一步，無不是一個又一個世界級建筑難題。“沒有先例，沒有經驗，沒有軟件……所有的一切，只有靠我們中國人自己的智慧，只有通過自主創新來解決。”北京城建集團國家體育場工程總承包部副總工程師邱德隆說。

    要建“鳥巢”先拆“鳥巢”

    一項建筑的完成，簡而言之為三部曲：設計、零部件加工和安裝。記者仔細了解下來，在“鳥巢”的實際建筑過程中，其難度之大，完全超乎人們的想像。

    第一道大難關，就來自設計。“鳥巢”之壯美，其中的關鍵在于它真如鳥巢般異常復雜的結構。可它最初只體現在設計單位提供的150多張圖紙上。如何才能將其變成可行性的建筑實體？為此，建筑方先拆“鳥巢”，即進行大量深化設計工作。李久林主持編制了國家體育場工程施工組織設計大綱、施工組織總設計、鋼結構安裝施工設計等各類施工組織設計和施工方案500多項，并和他的團隊用了幾個月的時間，經過反復的大量分析、計算與試驗研究，最終將這150余張鋼結構設計圖細化成了兩萬多張深化設計施工圖紙，每一張放大100多倍。為之后“鳥巢”工程施工打下了最牢固的“第一根樁”。

    其中的細化程度，難以想像。單就“鳥巢”鋼結構構件深化設計部分，參與其中的同濟大學鋼結構研究人員陳魯說：“‘鳥巢’鋼結構有幾萬根不同尺寸、不同規格的鋼構件，我們需要把每一根鋼梁、鋼柱的詳細尺寸從建筑圖紙中單獨抽離、劃分出來，計算出每一根的數據，提供給構件加工廠家，以便他們進行構件的制作和加工。”陳魯說，為了完成這一工作，他們還專門編寫了相關的設計繪圖軟件。

    同濟大學土木工程學院的工程師楊暉柱告訴記者，“鳥巢”的成功離不開之前的深化設計，這是對其理念的體現和技術的實現，對于如此獨特、復雜的鋼結構超大型建筑，其設計技術、技巧、工具等，在“鳥巢”之前尚無先例。單就這方面而言，如何將“鳥巢”按主次結構編制起來，在設計理論上已是個突破，而在一些針對性軟件上的開發，也是中國建筑業方面的新貢獻。

    精益求精打造“鋼筋鐵骨”

    “鳥巢”最讓人折服的一點，就是其整個主結構，那些看似隨意搭放的鋼條，實際上卻沒有用一個螺絲釘，完全靠焊接技術將其牢牢連接在一起，且在沒有一根傳統建筑中必有直柱的前提下，能將整體受力問題合理解決。

    其中可是大有奧秘。“鳥巢”工程中關注度最高、技術難度最大的就是鋼結構施工。其最大跨度達到343米，相當于200個成年人手拉手的長度，其整體受力點主要集中在24個桁架柱上。什么樣的鋼能夠支撐起如此大的重量和重力？這不僅是中國建筑科學家、設計家們的難題，更是世界建筑界的難題。一種完全由我國自主研發的叫做Q460的高強鋼材由此誕生，在受力最大的6個桁架柱的最大受力部位肩負起如此重任，并由此實現了國家體育場全部用鋼國產化。

    要將“鳥巢”所用的所有鋼材，包括新型的Q460，牢牢地焊接在一起，其焊縫總長達30多萬米，相當于從北京到天津的一個來回。不僅如此，復雜的結構決定了會有多個桿件在同一個點上交匯。交匯桿件越多，焊接難度越大。為筑“鳥巢”，焊接工人共運用了180多項工藝，在同類工程中堪稱絕無僅有。

    與此同時，還不能用通常所說的“慢工出細活”來考量其難度。“鳥巢”的焊接工人們面對的不僅僅是工期限制，還有北京的季節溫差所帶來的難題。按工期要求，近一半現場鋼材焊接要在冬季進行。北京冬季的室外氣溫常在0℃以下，而焊接一般要求在零攝氏度以上的“正溫”條件下進行。鋼結構合攏焊接時又正值北京夏季，而設計測算出的最佳合攏溫度為15℃到23℃，于是那幾天大家成了“夜貓子”，半夜12點后涼爽時才開工。經過四五天通宵達旦焊接，終于筑出“鳥巢”雛形。

    如航天人般精益求精地打造著“鳥巢”的“鋼筋鐵骨”，將其“化整為零”，在地面理好“枝葉”，湊成一個個吊裝單元，再在空中“筑巢”，而后再通過78個卸載點科學、安全地將其臨時支撐搭架，中國建筑者們巧手搭建成“鳥巢”鋼結構的同時，也創造出了一個又一個新的技術專利。

    摸索著建成“堅定底盤”

    根據測試，“鳥巢”主體結構設計使用年限達到100年以上，局部結構甚至可達120年，抗震設防烈度8度。如此龐大的一個鋼結構，能如此堅如磐石，除了用高科技將看似雜亂無序的鋼材縱橫交錯地構筑在一起的同時，更需要一個極其堅固的“底盤”―――混凝土結構。

    事實上，在人們視線觸及不到的地方，有24個承臺在地下默默地支撐著這個龐然大物。鋼結構和混凝土結構之間，228根斜梁、124根鋼管柱、600多根斜柱和112根Y型柱與空間曲形環梁相互交錯，真如鳥鵲筑巢一般，共同構成了“鳥巢”獨特的力學結構。

    不僅如此，為了不讓混凝土柱影響“鳥巢”鋼結構部分的視覺效果，項目部對混凝土柱采取了特殊處理―――鋼筋綁扎好之后，外面還要套上方鋼管，然后再進行混凝土澆筑，完成之后，混凝土柱整個藏在鋼管之中，既起到了支撐作用，又不影響美觀。但與此同時，所帶來的就是更大的施工難度。因為這些鋼柱如此“奇形怪狀”，像麻花一樣擰起來，最大自轉角度超過45度，最傾斜的和地面的夾角達到59度。當然，建設者們也沒被這道難題難倒。

    “鳥巢”外罩由不規則的鋼結構構件編織而成，其中邊長一米的方鋼管被連接成120多根長短不同、傾斜角度多樣的鋼柱，70%以上都是雙斜柱―――一根柱子在垂直面上扭轉兩次。最高的鋼柱全長21米，橫跨體育場一至四層；最傾斜的鋼柱和地面的夾角達到59度，鋼柱的最大自轉角度超過45度。為了在這些高大傾斜、看似雜亂的異型鋼管里澆筑混凝土，可是讓建設者們絞盡了腦汁。最終，他們通過采取高壓頂升、從鋼管底部注入混凝土，由底部向上頂升逐步填充的方案，才解決了這個棘手的難題。當然，由此又產生了一個新的專利發明，即“超高矩形鋼管永久模板鋼筋混凝土斜扭柱施工工藝”。

    就這樣，一次次用心摸索，終于讓所有的承臺、斜梁、斜柱和環梁全部按設計計劃建造出來了，它們像深深扎入泥土的樹根，穩穩地托住“鳥巢”。

    該項目總工程師李久林記得，光是在開工之初的技術準備階段，他們就整理出了二十幾項關鍵技術難題、十八項科技攻關項目，再加上建設部的科技示范工程，有將近二十項具有世界級技術難度的科研攻關項目，等待本應只是施工單位的他們去攻關。而且，時間有限，在很多方面沒有先例可以借鑒、必須自己摸索的同時，卻不能有半點閃失。 無論曾面臨多少道世界級難題，中國的建筑者們用他們的智慧最終成功跨越了這些障礙，筑就了世界級的“鳥巢”。
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