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国家体育场:科技炼钢骨的“鸟巢”
http://tech.QQ.com  2008年07月23日16:41   腾讯科技    我要评论(0)
 

编者注:科技奥运之光 燃亮百年梦想,百集科技奥运故事会由全国科技活动周组委会授权腾讯网首发

科技奥运故事会第十六集

国家体育场:科技炼钢骨的“鸟巢”(02)

王 凯 主 讲

国家体育场

朋友们,今天我继续同大家讲述“鸟巢”的故事。今年的8月8日,第29届奥运会的圣火将在国家体育场点燃。在以兴奋的心情期待着这场世界性盛会的同时,不妨让我们将目光投向5年前,投向这座北京奥运会最重要的,同时也是第一个招标产生的项目——国家体育场的评审现场。

评委会由来自5个国家的13名专家组成,包括建筑师、建筑评论家、结构专家、体育建筑设计专家、北京市政府和奥组委代表。经过3天的紧张评审,最终评出3个优秀方案,并推选B11方案,也就是今天我们所熟知的鸟巢为重点实施方案。

与以往历届奥运会的主体育场相比,这次竞赛要求最大的不同可以归纳为两个方面:对中国和北京历史文化的考量和可开闭屋盖的设置。而后者几乎成了此次竞赛的决定性因素,从13个候选方案来看,绝大多数设计者都在可开闭式屋盖的形式和它与建筑造型的结合方面倾注了大量的心血,而多少忽视了其他方面的因素。

接下来发生的事情颇具戏剧性。在“鸟巢”顺利被确定为实施方案、完成了施工图设计并开始施工后,数位院士上书主管部门,指出奥运工程为追求形式,不仅极大提高了造价,而且忽视安全、适用等基本问题。

紧接着北京市政府提出,必须贯彻节俭办奥运的观念,并尽最大努力降低工程造价。2004年7月30日,“鸟巢”停止施工,北京奥运工程瘦身开始。2004年11月15日,经过多轮论证和反复的修改,在取消了可开闭屋盖,减少了9000个座位,总造价减少了4个亿之后,“鸟巢”重新开工。

在保持“鸟巢”建筑风格不变的前提下,新设计方案对结构布局、构建截面形式、材料利用率等问题进行了较大幅度的调整与优化。由于原设计方案中为了增加场地对各类比赛适应性的可开闭屋顶被取消,屋顶的开口扩大了,并通过钢结构的优化大大减少了用钢量。大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上,柱距为37.96米。主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置,交叉布置的主桁架与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。

“鸟巢”新颖独特的设计思想,有着大量高新技术在背后支撑。比如CATIA软件,这是一种最早用于制造飞机和船只的设计软件。它有着强大的造型功能、三维察看功能、强效复制功能,在体育场的设计中发挥了重要的作用。工程师们利用它解决了复杂的空间结构、扭曲构件与特殊节点的建模问题。在钢结构安装过程中,主结构、次结构构件安装的顺序不同,各部件承受的内力也就不同,会直接影响到用钢量的大小。所以要通过详细的施工模拟分析,运用有限元法将计算程序中不参与整体结构分析的“死”单元逐次激活,对钢结构施工过程进行整体分析,做出最科学的安装顺序。这样,既节省了用钢量,也改善了结构的抗震性。

此外,由于“鸟巢”里面的混凝土结构与钢结构相互独立,建筑师在混凝土看台和钢结构外罩之间的空间里,设计了很多倾斜的混凝土柱子来支撑建筑。而如何既保证这些混凝土柱子的结构要求,又不影响“鸟巢”的整体美观则成了问题。 国内工程师几经讨论,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,就是说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,横向每十厘米一排密集的钢筋。这样密密麻麻的钢筋网,最多只能伸进三根手指。要在里面瓷瓷实实地灌满混凝土并使之与钢管贴密,谈何容易?

起初,施工单位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。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:混凝土顶升、从钢管底部注入混凝土,由底向上逐步填充。 这是一个从来没有人用过的方法,结果却非常理想。顶升混凝土不仅进度快,而且质量好,不分层。完工时,比预定的工期缩短了两个月零两天。 2006年1月20日,这项工艺被命名为“超高矩形钢管永久模板钢筋混凝土斜扭柱施工工艺”,正式向国家知识产权局申请发明专利。这是奥运工程结出的又一颗自主创新的成熟果实。

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