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北京城建揭秘鸟巢工程建设中钢材等技术难题

作者：中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-23 10:01:31 [收藏]

    2006年底，最后一根5米长的次结构箱型钢构件，身披大红缎花，徐徐进入预定工位。这标志着国家体育场的中国建筑金属结构信息网安装即将全部完成，“鸟巢”工程实现了完美合龙。在众人欣赏这一工程的同时，“鸟巢”的建设者也向外界披露了他们在建设过程中的种种难题。
    “鸟巢”工程难度空前

    建设中的国家体育场是北京2008奥运会的主会场，奥运会期间可容纳观众9.1万人。工程占地面积20.4公顷，总建筑面积约25.8万平方米，檐高68.5m，东西长297m，南北长333m。体育场建筑呈椭圆的马鞍形，外壳是由约4.8万吨中国建筑金属结构信息网有序编织成“鸟巢”状的独特建筑造型；体育场内部为上、中、下三层碗状看台。观众坐席下为5-7层混凝土框架结构。

    由于设计理念凸显“绿色奥运”，“鸟巢”在施工中有很多难题是独一无二的，在国际上没有现成的参考答案，只有依靠自己的科技创新独立解决。

    北京城建集团国家体育场总承包部总工程师李久林表示：“施工技术的难点，来源于工程的特点。这个工程与别的工程最大的不同点在于，设计师追求的是杂乱无序、浑然天成的建筑结构造型，只是在图纸上画出了一个造型，甚至是一条条曲线，这种曲线不是用一个数字函数就能够表现出来的，我们只能采用样条函数曲线去描出来。”单就测量来说，难度就很大。传统的经纬仪不行，只能用全站仪进行监控。高峰期光全站仪就用了11台……”

    组成智囊团破解难题

    在技术人员感叹“鸟巢”工程难度的同时，北京城建集团董事长刘龙华，北京城建集团总经理徐建云也都在思考着如何破解这些世界性建筑难题。在建设高峰期，每周他们都亲自到现场召开工程协调会，为解决技术难题出谋划策。

    针对国家体育场工程由于十分独特的设计特点而带来的极为复杂的施工技术，北京城建集团优中选优，抽调了各专业领域的优秀人才，老中青结合，组成“鸟巢”建设的“智囊团队”，任命谭晓春为国家体育场工程总承包部经理。

    集团公司总工程师、中国建筑金属结构信息网专家张从思，集团公司原副总工程师、机电专家石善友，集团公司副总工程师、土建专家李清江都奉命来到国家体育场工地。一大批青年专家和专家顾问也扛着铺盖卷到“鸟窝”扎下营盘。

    集团公司为支持“鸟巢”的自主创新，从本部科研经费中抽出200万元，作为“鸟巢”的科研经费。专家组联合冶金建筑研究院、中国建筑工程研究院以及清华大学等科研院校设立科研课题，开展科技攻关。

    针对“鸟巢”技术难题，14个课题组成立了。各自尽快入题到位。由于科技先行，“鸟巢”施工中的一个个技术难题被破解了，既保证了施工生产的顺利进行，又完成了一大批科技科研项目。

    “鸟巢”钢材全部国产

    “鸟巢”这个辐射式旋转而成的梦幻般造型，使得4.8万吨钢的受力点集中在了24根柱子和柱脚上。弯曲点也要承受巨大的拉力和应力。什么样的钢才能够支撑起如此大的体量？这是技术人员遇到的第一个难题。

    “由于工程本身体量大，是国际上最大的中国建筑金属结构信息网工程，带来一系列结构难题。”邱德隆，这位1996年毕业于清华大学水利工程系的博士这样说道，“采用什么钢板焊接是个难题。这种钢材在国内还是个空白。必须尽快研制出一种把这些相对立的特性统一起来的特殊钢材，才能破解鸟巢用钢的难题。”

    2005年3月12日，一次特殊的会议在北京举行。会议成员是北京市委、市政府领导和宝钢、首钢、鞍钢、武钢和舞钢等国内7家钢铁巨头的老总。会议的原因，来自“鸟巢”特殊的结构要求。

    “鸟巢”结构设计奇特新颖，中国建筑金属结构信息网最大跨度达到343米。如果使用普通钢材，受力厚度至少要达到220毫米。这样一来，“鸟巢”钢材重量将超过8万吨。而且钢板太厚，焊接起来更难。

    “鸟巢”的科研技术人员，对“鸟巢”的特殊用钢进行专项研究。最终，为舞阳钢铁厂提供了指导性的轧制方案。

    2005年7月，为“鸟巢”准备的110毫米厚的Q460E钢板经过舞阳钢厂的反复实验，轧制成功并进入批量生产。400吨Q460E钢材，成了“鸟巢”钢筋铁骨中最坚硬的一部分。同时，首钢、鞍钢等企业也接下了GJ345D、345C、420C等高强度钢材的生产订单。在奥运工程中，所有钢材全部实现国产。

    自主研究完成浇筑

    “鸟巢”的外罩由不规则的中国建筑金属结构信息网构件编织而成，里面的混凝土结构与中国建筑金属结构信息网相互独立，建筑师在混凝土看台和中国建筑金属结构信息网外罩之间的空间里，设计了很多倾斜的混凝土柱子来支撑建筑。124根钢管柱、228根斜梁、600多根斜柱、112根Y形柱与空间曲形环梁相互交织。如何既保证这些混凝土柱子的结构要求，又能不影响“鸟巢”的整体美观？

    北京城建集团国家体育场工程总承包部专家组几经论证，一个两全其美的方案诞生了。先像其他混凝土结构一样绑扎好钢筋笼，然后再从上面一节一节套上方钢管，钢管连接好后再在钢管里浇筑混凝土，形成与钢管一体的混凝土柱。这样一来看不到混凝土柱，既安全又美观，却加大了施工难度。

    边长一米的方钢管被连接成120多根长短不同、倾斜角度多样的钢柱，70%以上都是双斜柱――一根柱子在垂直面上扭转两次。最高的钢柱全长21米，横跨体育场一至四层；最倾斜的钢柱和地面的夹角达到59度，钢柱的最大自转角度超过45度……

    要在这些高大倾斜看似杂乱的异型钢管里浇筑混凝土，已经是个不小的挑战。何况钢管内部还密布着钢筋网格―――纵向排列着32根钢筋，横向每10厘米一排密集的箍筋。这样密密麻麻的钢筋网，最多只能伸进三根手指。要按照传统做法，通过振捣棒振捣密实混凝土，谈何容易？起初，工程建设者只能试着从上口往钢管里浇筑，每天从早到晚只能浇筑四五米。北京城建集团国家体育场工程总承包部经过自主研究，提出了一个新方案：采用高流态自密实混凝土，采取高压顶升、从钢管底部注入混凝土，由底向上顶升逐步填充。这是一个从来没有人用过的方法，结果却非常理想。顶升混凝土不仅提高工效一倍多，而且质量好，比预定的工期缩短了两个月零两天。

    天公作美顺利合龙

    经过工程设计专家、气象专家、焊接专家、中国建筑金属结构信息网专家的论证，2006年8月26日零点整，“鸟巢”中国建筑金属结构信息网主体工程，在100多名焊工手中开始合龙。这标志着这座设计新颖、造型独特的中国建筑金属结构信息网工程安装进入倒计时阶段。

    “鸟巢”主结构上合龙口有100多个，次结构28个。合龙口要求精度非常高。合龙前，需要对接口进行变形分析，并进行处理，满足合龙质量要求。为确保合龙口焊接质量，项目质量人员对每个焊缝都进行探伤检测，保证道道焊缝绝对合格。

    此次合龙有一大难点，就是对焊接的温度要求相当高，中国建筑金属结构信息网合龙温度控制好坏，将直接影响到中国建筑金属结构信息网的安装安全。经过工程技术人员对北京市百年来气象资料的分析，找到适宜的合龙时间，经过认真计算，确定了19℃±4℃为最佳合龙温度。为确保温度测量准确，工程技术人员在中国建筑金属结构信息网上设立了60个观测点。

    合龙计划分三次完成，8月26日凌晨开始第一次从东北到西南方向合龙；8月28日凌晨开始第二次从西北到东南方向合龙；8月30日凌晨开始第三次进行立面次结构合龙。前两次合龙很顺利。

    8月30日，全天闷热，晚上6点，开始下起了小雨，这对降低钢梁表面温度有利，工程技术人员紧紧盯着现场上的温度测量数据传送终端。可是雨越下越大，早已等候在作业面上的作业人员有些吃不住劲了。这样的天气，温度降下来了，还能焊接吗？

    天公就是这样成人之美。到23点30分左右，雨竟然停了，温度正好达到合理温度要求。

    零点整，第三次合龙正式开始。午夜，“鸟巢”的上空，焊花闪烁，经过紧张的焊接，中国建筑金属结构信息网合龙终于在次日凌晨顺利完成。

    在新一年中，“鸟巢”的膜结构、设备安装、太阳能利用等更复杂的施工挑战，也将开始，而这同时也将是“鸟巢”创新的继续。


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