鸟巢的结构赏析

鸟巢结构赏析陈小程【男，1992年出生，城建学部11土木本一班学生，专业为土木工程】尤天成【男，1993年出生，城建学部11土木本一班学生，专业为土木工程】熊标【男，1993年出生，城建学部11土木本一班学生，专业为土木工程】晏盛鸿【男，1993年出生，城建学部11土木本一班学生，专业为土木工程】摘要国家体育馆（鸟巢），这个梦幻般的体育场在2008北京奥运会期间，承担开幕式、闭幕式以及足球决赛等重大体育项目，这个庞然大物采用了不可思议的外部结构，那是一个比蜘蛛网还复杂的外壳，全部由钢材编织而成，用钢总量为4.2万吨，钢梁跨度是世界罕见的333米。它使用的焊接技术和装载技术等创造了钢结构建筑的奇迹与历史。关键词：鸟巢钢结构焊接技术安装技术奇迹总介绍国家体育场工程为特级体育建筑，主体结构设计使用年限100年，耐火等级为一级,抗震设防烈度8度,地下工程防水等级1级。工程主体建筑呈空间马鞍椭圆形，南北长333米、东西宽294米，高69米。主体钢结构形成整体的巨型空间马鞍形钢桁架编织式“鸟巢”结构，钢结构总用钢量为4.2万吨，混凝土看台分为上、中、下三层，看台混凝土结构为地下1层，地上7层的钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。钢结构与混凝土看台上部完全脱开，互不相连，形式上呈相互围合，基础则坐在一个相连的基础底板上。国家体育场屋顶钢结构上覆盖了双层膜结构，即固定于钢结构上弦之间的透明的上层ETFE膜和固定于钢结构下弦之下及内环侧壁的半透明的下层PTFE声学吊顶。“鸟巢”钢结构施工技术创造了我国钢结构施工史上的奇迹，其钢结构工程施工难度是当今世界难度最高、最复杂建筑之一。“鸟巢”钢结构是怎样建成的呢？鸟巢”的前期技术研究“鸟巢”独特的建筑造型是由4.2万吨钢结构构件有序编织而成。钢结构工程是由24榀门式钢架围绕着体育场内部混凝土碗状看台区旋转而成，其中22榀是通过桁架对接拉通或基本拉通。钢结构编织顺序是先进行钢柱角安装，随后进行24榀门式钢架安装、屋面主结构安装、次结构安装、合龙、卸载等过程。施工技术决定工程成败的关键，对城建集团施工技术人员来讲，是一个巨大的挑战。北京城建集团对“鸟巢”钢结构施工技术立项研究：为实现“鸟巢”独特造型，其肩部1.4万吨钢构件采用无固定线形的空间箱型弯扭构件。设计师仅提供控制点坐标，施工单位需要自行开发三维建模及展平放样软件。同时，大断面箱型弯扭构件加工制作技术在国内外尚无先例。工程结构跨度大、体型复杂，整体安装方案优化选择难度大，1.4万吨钢屋盖支撑卸载在全世界钢结构史上也是史无前例的。如何保证造型复杂、体型庞大的“鸟巢”钢结构的安装精度和建筑效果，需要研究相应的测控技术。钢结构施工中的技术创新“鸟巢”钢结构施工多项技术，在国内属首次遇到，如箱型弯扭构件制作技术研究与应用、钢结构综合安装技术研究与应用、钢结构合龙施工技术研究与应用、钢结构支撑卸载技术研究与应用、焊接综合技术研究与应用、施工测量测控技术研究与应用等六项最难施工技术，国内一无先例，二无规范可循，完全要靠北京城建集团集社会智慧，最大限度地挖掘和调动现场技术人员积极性进行技术研究与创新。焊接技术的创新“鸟巢”的其中一种构件由8块厚钢板焊接而成，每块钢板长1．26米，宽1．17米，重约1吨。要把8块钢板按照不同的比例弯纽成钢铁箱状，难度相当大，而这种异型弯纽结构构件只是“鸟巢”数万构件中最普通的一种。解决这些困难曾经是沪宁钢机最大的难题，石荣金介绍道：“‘鸟巢’弯纽构件的加工不外乎三个途径，第一个是用模型，用压模给它压出来；第二个是用热加工给它做出来，包括用火来烤；第三个是用冷加工的原理给它加工出来。这三个方案在‘鸟巢’的制作里面都有用到。”在克服弯纽方面，“鸟巢”的其他建设者有的采用了热加工方式，然而钢材冷却下来后产生了较大误差。这时对沪宁来说，多年积累的经验派上了用场。他们为“鸟巢”弯纽结构专门开发了电脑软件，根据电脑设计出的样式，用木头做出大小一样的模型，然后根据模型校正弯纽。尤其一绝的是，他们选择了技术难度最大的冷加工：将厚厚的钢板卷弯。“鸟巢”的构件在三台液压机上做出来，然而这几台液压机只能把钢板卷弯，要按照模型的形状制作出来，光靠机器是不行的。石荣金说：“钢板在卷板机上卷到什么时候，里边应该去垫一垫东西，在加工到什么时候，应该把这块东西拿出来，这全是靠工人的经验和长期的实际操作。”用液压机冷轧过后，就是人工校正了。可以说，“鸟巢”的每根构件都离不开沪宁钢机工人的聪明才智，正是这些埋头苦干的工人凭借长期积累的经验，对每个动作时刻保持清醒，才成就了“鸟巢”整体的牢固和宏伟。安装技术创新钢构件制作1、锚固柱。2、桁架柱脚。3、桁架柱。4、柱桁架。5、立面次结构。6、顶面次结构。7、楼梯、马道及其它。锚固柱过渡板加工土建混凝土配合施工（含埋件）基础验收支撑塔架制作（现场）锚固柱安装验收NDT验收NDTNDTNDTNDTNDTNDT下桁架柱拼装主桁架拼装上桁架柱拼装上桁架柱安装下桁架柱安装主桁架安装立面次结构安装NDT立面次结构拼装NDT支撑塔架安装验收国家体育场钢结构工程安装流程图卸载塔架拆除NDT顶面次结构安装顶面次结构拼装NDT膜结构安装桁架柱脚安装桁架柱脚拼装NDTNDT涂装NYNYYNYNYNYNYNNYNNNNYYYYNDTNYYNNYYN合拢在综合安装技术研究与应用方面，国家体育场主钢结构总用钢量4.2万吨，钢结构构件体型大、单体重量重，构件翻身、吊装难度大。例如桁架柱最大外形尺寸达25×20×68.5米，每延米最重达10吨，采取何种技术吊装完成如此体型庞大、对接口数量多、构件异形、构件翻身和吊装难度巨大的工程，国内外均无成功经验可借鉴。北京城建集团技术人员通过工况分析计算，结合工程实践，总结出一套包括重心确定、吊耳设计、稳固措施及接口偏差调整措施等内容的异型复杂钢构件综合安装技术。在高空安装方面，经过反复研究，最终确定采用高空散装方案，而合龙和卸载则是检验搭建能否成功的关键两步。李久林介绍道：国家体育场钢结构工程结构跨度大，传力体系复杂。有关部门协调并经过国家气象、规划等部门的研究论证，确定合拢温度为19度正负4度。在合龙温度确定下来后，经过反复择优比选并通过设计复核，主桁架、立面结构及顶面次结构的合龙线确定为四条合龙线。采取了先进行主桁架的合龙，再进行立面结构的合龙顺序。随后又确定合龙方式和合龙口做法、合龙温度监测等。为确切掌握整个屋盖钢结构的温度场分布情况，测试点的布设尽量分布于整个屋盖区域。温度监测点设了60个，即顶面36个，立面24个。历经2006年8月25至26日、8月28至29日、8月30至31日三个夜晚，顺利完成国家体育场钢结构工程合龙工作。600延米合龙焊缝自检探伤和第三方探伤一次合格率100%，所有合龙口焊缝质量满足规范和设计要求。卸载技术创新由于“鸟巢”钢结构屋盖面积大，支撑点分布广，最优的卸载方式是78个支撑整体同时同步卸载。卸载中，城建集团技术人员结合78个支撑点，分成外、中、内三圈。最终，卸载工人从最外圈的所有千斤顶上撤下钢垫片，“鸟巢”钢结构完全靠自身站立起来了，这一刻令全国人民为之激动。卸载结果完全满足结构设计要求和相关验收标准。最终实测卸载最大变形平均值为271毫米，比设计允许值286毫米还要少15毫米。在“鸟巢”钢结构卸载环节中，包含了很多高新技术。第一是采用了计算机仿真模拟技术，把世界上最先进的各种技术集合在一起，将35次卸载的每一个点，比如外圈的点要卸七次，中圈和内圈的点要卸14次，都精确到毫米这个单位。第二是采用计算机同步控制系统，保证整个卸载的78个点都是同步进行。如果最后一圈的30个点在卸载过程中出现一点问题的话，比如漏油或者设备出现故障，就会马上停止卸载，等故障排除后再开始卸载工作。第三个技术是采用结构监测和安全检测技术保证每次卸载的成功。就如在医院的重症监护室，我们的血压和心脏都是在监测的，“鸟巢”里也设置了这样一个监测设备，在整个卸载过程中，整个“鸟巢”的卸载都是在受监测的环境下进行的。如果发现监测的数据和计算的数据有误差或者偏差很大，也会停止卸载，找出原因问题解决后再继续往下卸载。Q460钢材的运用说起Q460钢材，大多数人可能都不了解。“鸟巢”结构设计奇特新颖，而这次搭建它的钢结构的Q460也有很多独到之处：Q460是一种低合金高强度钢，它在受力强度达到460兆帕时才会发生塑性变形，这个强度要比一般钢材大，因此生产难度很大。这是国内在建筑结构上首次使用Q460规格的钢材；而这次使用的钢板厚度达到110毫米，是以前绝无仅有的，在国家标准中，Q460的最大厚度也只是100毫米。以前这种钢一般从卢森堡、韩国、日本进口。为了给“鸟巢”提供“合身”的Q460，从2004年9月开始，河南舞阳特种钢厂的科研人员开始了长达半年多的科技攻关，前后3次试制终于获得成功。如今，为“鸟巢”准备的Q460钢材已经开始批量生产。2008年，400吨自主创新、具有知识产权的国产Q460钢材，将撑起“鸟巢”的铁骨钢筋。特殊结构此外，屋顶内环主桁架吊装和立面次结构安装已全面展开。“鸟巢”钢结构所使用的钢材厚度可达11厘米，以前从未在国内生产过。另外，在“鸟巢”顶部的网架结构外表面还将贴上一层半透明的膜。使用这种膜后，体育场内的光线不是直射进来的，而是通过漫反射，使光线更柔和，由此形成的漫射光还可解决场内草坪的维护问题，同时也有为座席遮风挡雨的功能。更为匠心独具的是，“鸟巢”把整个体育场室外地形微微隆起，将很多附属设施置于地形下面，这样既避免了下挖土方所耗的巨大投资，而隆起的坡地在室外广场的边缘缓缓降落，依势筑成热身场地的2000个露天座席，与周围环境有机融合，并再次节省了投资。新的国家体育场坐落于奥林匹克公园建筑群的中央位置，地势略微隆起。它如同巨大的容器。高低起伏的波动的基座缓和了容器的体量，而且给了它戏剧化的弧形外观。体育场的外观就是纯粹的结构，立面与结构是同一的。各个结构元素之间相互支撑，汇聚成网格状--就如同一个由树枝编织成的鸟巢。在满足奥运会体育场所有的功能和技术要求的同时，设计上并没有被那些类同的过于强调建筑技术化的大跨度结构和数码屏幕所主宰。体育场的空间效果新颖激进，但又简洁古朴，从而为2008年奥运会创造了独史无前例的地标性建筑。无疑，在鸟巢的建造中，用到了很多新技术，这些新技术的使用，不仅使鸟巢的外观漂亮自然舒适，而且为世界的建筑开辟了新道路和方向-。参考文献戴为志：《国家体育场（鸟巢）钢结构安装工程焊接技术综述》姚美康：《建筑艺术概论与鉴赏》刘凯国：《圆形鸟巢网架结构的分析》，《建筑结构》2005年11期《北京奥运场鸟巢的结构分析》重庆矿山机械网互联网