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创专利实现建筑梦想鸟巢见证中国智慧

作者：建筑中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-23 10:02:01 [收藏]

    在25.8万平方米的建筑面积上，玩转4.2万吨钢材，将其如积木般且非常规地搭建成一个奥运会主会场，而且拥有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。这样的“鸟巢”，正如英国《泰晤士报》所指出的其建筑学价值那样：测试大量最新技术，一切努力均是为了实现将“表皮”和“建构”融为一体的新建筑梦想。
    这个目前世界上规模最大、用钢量最多、技术含量最高、结构最为复杂、施工难度空前的超大型中国建筑金属结构信息网体育设施工程，从中国建筑金属结构信息网到膜结构到混凝土结构，施工中每一步，无不是一个又一个世界级建筑难题。“没有先例，没有经验，没有软件……所有的一切，只有靠我们中国人自己的智慧，只有通过自主创新来解决。”北京城建集团国家体育场工程总承包部副总工程师邱德隆说。

    要建“鸟巢”先拆“鸟巢”

    一项建筑的完成，简而言之为三部曲：设计、零部件加工和安装。记者仔细了解下来，在“鸟巢”的实际建筑过程中，其难度之大，完全超乎人们的想像。

    第一道大难关，就来自设计。“鸟巢”之壮美，其中的关键在于它真如鸟巢般异常复杂的结构。可它最初只体现在设计单位提供的150多张图纸上。如何才能将其变成可行性的建筑实体？为此，建筑方先拆“鸟巢”，即进行大量深化设计工作。李久林主持编制了国家体育场工程施工组织设计大纲、施工组织总设计、中国建筑金属结构信息网安装施工设计等各类施工组织设计和施工方案500多项，并和他的团队用了几个月的时间，经过反复的大量分析、计算与试验研究，最终将这150余张中国建筑金属结构信息网设计图细化成了两万多张深化设计施工图纸，每一张放大100多倍。为之后“鸟巢”工程施工打下了最牢固的“第一根桩”。

    其中的细化程度，难以想像。单就“鸟巢”中国建筑金属结构信息网构件深化设计部分，参与其中的同济大学中国建筑金属结构信息网研究人员陈鲁说：“‘鸟巢’中国建筑金属结构信息网有几万根不同尺寸、不同规格的钢构件，我们需要把每一根钢梁、钢柱的详细尺寸从建筑图纸中单独抽离、划分出来，计算出每一根的数据，提供给构件加工厂家，以便他们进行构件的制作和加工。”陈鲁说，为了完成这一工作，他们还专门编写了相关的设计绘图软件。

    同济大学土木工程学院的工程师杨晖柱告诉记者，“鸟巢”的成功离不开之前的深化设计，这是对其理念的体现和技术的实现，对于如此独特、复杂的中国建筑金属结构信息网超大型建筑，其设计技术、技巧、工具等，在“鸟巢”之前尚无先例。单就这方面而言，如何将“鸟巢”按主次结构编制起来，在设计理论上已是个突破，而在一些针对性软件上的开发，也是中国建筑业方面的新贡献。

    精益求精打造“钢筋铁骨”

    “鸟巢”最让人折服的一点，就是其整个主结构，那些看似随意搭放的钢条，实际上却没有用一个螺丝钉，完全靠焊接技术将其牢牢连接在一起，且在没有一根传统建筑中必有直柱的前提下，能将整体受力问题合理解决。

    其中可是大有奥秘。“鸟巢”工程中关注度最高、技术难度最大的就是中国建筑金属结构信息网施工。其最大跨度达到343米，相当于200个成年人手拉手的长度，其整体受力点主要集中在24个桁架柱上。什么样的钢能够支撑起如此大的重量和重力？这不仅是中国建筑科学家、设计家们的难题，更是世界建筑界的难题。一种完全由我国自主研发的叫做Q460的高强钢材由此诞生，在受力最大的6个桁架柱的最大受力部位肩负起如此重任，并由此实现了国家体育场全部用钢国产化。

    要将“鸟巢”所用的所有钢材，包括新型的Q460，牢牢地焊接在一起，其焊缝总长达30多万米，相当于从北京到天津的一个来回。不仅如此，复杂的结构决定了会有多个杆件在同一个点上交汇。交汇杆件越多，焊接难度越大。为筑“鸟巢”，焊接工人共运用了180多项工艺，在同类工程中堪称绝无仅有。

    与此同时，还不能用通常所说的“慢工出细活”来考量其难度。“鸟巢”的焊接工人们面对的不仅仅是工期限制，还有北京的季节温差所带来的难题。按工期要求，近一半现场钢材焊接要在冬季进行。北京冬季的室外气温常在0℃以下，而焊接一般要求在零摄氏度以上的“正温”条件下进行。中国建筑金属结构信息网合拢焊接时又正值北京夏季，而设计测算出的最佳合拢温度为15℃到23℃，于是那几天大家成了“夜猫子”，半夜12点后凉爽时才开工。经过四五天通宵达旦焊接，终于筑出“鸟巢”雏形。

    如航天人般精益求精地打造着“鸟巢”的“钢筋铁骨”，将其“化整为零”，在地面理好“枝叶”，凑成一个个吊装单元，再在空中“筑巢”，而后再通过78个卸载点科学、安全地将其临时支撑搭架，中国建筑者们巧手搭建成“鸟巢”中国建筑金属结构信息网的同时，也创造出了一个又一个新的技术专利。

    摸索着建成“坚定底盘”

    根据测试，“鸟巢”主体结构设计使用年限达到100年以上，局部结构甚至可达120年，抗震设防烈度8度。如此庞大的一个中国建筑金属结构信息网，能如此坚如磐石，除了用高科技将看似杂乱无序的钢材纵横交错地构筑在一起的同时，更需要一个极其坚固的“底盘”―――混凝土结构。

    事实上，在人们视线触及不到的地方，有24个承台在地下默默地支撑着这个庞然大物。中国建筑金属结构信息网和混凝土结构之间，228根斜梁、124根钢管柱、600多根斜柱和112根Y型柱与空间曲形环梁相互交错，真如鸟鹊筑巢一般，共同构成了“鸟巢”独特的力学结构。

    不仅如此，为了不让混凝土柱影响“鸟巢”中国建筑金属结构信息网部分的视觉效果，项目部对混凝土柱采取了特殊处理―――钢筋绑扎好之后，外面还要套上方钢管，然后再进行混凝土浇筑，完成之后，混凝土柱整个藏在钢管之中，既起到了支撑作用，又不影响美观。但与此同时，所带来的就是更大的施工难度。因为这些钢柱如此“奇形怪状”，像麻花一样拧起来，最大自转角度超过45度，最倾斜的和地面的夹角达到59度。当然，建设者们也没被这道难题难倒。

    “鸟巢”外罩由不规则的中国建筑金属结构信息网构件编织而成，其中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。为了在这些高大倾斜、看似杂乱的异型钢管里浇筑混凝土，可是让建设者们绞尽了脑汁。最终，他们通过采取高压顶升、从钢管底部注入混凝土，由底部向上顶升逐步填充的方案，才解决了这个棘手的难题。当然，由此又产生了一个新的专利发明，即“超高矩形钢管永久模板钢筋混凝土斜扭柱施工工艺”。

    就这样，一次次用心摸索，终于让所有的承台、斜梁、斜柱和环梁全部按设计计划建造出来了，它们像深深扎入泥土的树根，稳稳地托住“鸟巢”。

    该项目总工程师李久林记得，光是在开工之初的技术准备阶段，他们就整理出了二十几项关键技术难题、十八项科技攻关项目，再加上建设部的科技示范工程，有将近二十项具有世界级技术难度的科研攻关项目，等待本应只是施工单位的他们去攻关。而且，时间有限，在很多方面没有先例可以借鉴、必须自己摸索的同时，却不能有半点闪失。 无论曾面临多少道世界级难题，中国的建筑者们用他们的智慧最终成功跨越了这些障碍，筑就了世界级的“鸟巢”。
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