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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

科技奥运故事会第十七集

国家体育场:科技炼钢骨的“鸟巢”(03)

王 凯 主 讲

国家体育场

朋友们,我想大家一定还沉浸在我昨天给大家讲述的“鸟巢”故事中。早在2006年9月17日,北京奥运会主会场——国家体育场钢结构成功卸载,卸载后,“鸟巢”重达4.2万吨的钢结构摆脱外力的支撑,靠自己站立起来。

这看似简单的事情,背后有着种种不简单的技术支撑着。下面我们接着来说说这座体育场的结构设计。

“鸟巢”钢架围绕巨大的混凝土结构建成,外形和结构布置上都非常复杂。由于大跨度钢结构的平面尺度很大,温度变化会让结构产生很大的内力而变形,所以工程师们提出大跨度结构温度场的计算方法,根据北京近30年的气象数据,计算出钢结构合龙的最佳温度环境。为了适应风、雨、雪、地震和温度变化等各种复杂不确定的环境,国家体育场还对结构的应力应变及动力特性进行监测,看施工使用中的实际情况是不是与原受力设计合拍,确保这个大跨度钢结构建筑的安全性与适用性。

此外,由于国家体育场外形巨大,使用的是超长的混凝土结构,外形和结构布置上都非常复杂。混凝土上部结构分成6块,每块长度在120~150米,这远远大于规范要求的极限值。这种超长的混凝土结构,就像细长容易折断的筷子,抗裂、耐久性能会大大降低,于是专家们又提出了控制混凝土原材料中的有害物质、提高混凝土密实度等方法,保证了场馆耐久性为100年的要求。

在施工过程中,技术人员还成功地实现了一系列的技术突破。“鸟巢”选用的1.2米乘1.2米的方钢管,需要被拧成旋转截面的形态,平滑过渡,完成“鸟巢”的造型。为此,钢材加工厂家研发出多点无模成型工艺加工技术,把50毫米厚的钢板压制成型,然后再焊接,形成这种“鸟巢”需要使用的弯扭形钢管,这在国内外来说,都是首次应用。

作为迄今为止世界上最大的场馆钢结构工程,“鸟巢”整个工程,包括混凝土中的钢材、螺纹钢等,总用钢量到达了11万吨。“鸟巢”还首次使用了有很强受力强度的Q460钢材,即使北京遭遇1976年唐山大地震一样的地震,依然能保持原状。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之久的科技攻关,前后3次试制终于获得成功。如今,就是这些自主创新、具有知识产权的国产Q460钢材,将“鸟巢”的铁骨钢筋支撑了起来。

既然“鸟巢”的用钢量如此之大,如果采用玻璃覆顶就会加重它的负荷,“膜”于是成了很好的选择。轻覆的薄膜使充满阳刚之气的“鸟巢”又多了一份柔婉。为了不影响鸟巢雄伟的钢结构外观造型,“鸟巢”的膜结构并不覆盖全身,而主要是集中在屋面的位置。膜结构位于钢结构的上弦下部20至30厘米处,只覆盖了屋盖部分,把看台遮住为观众挡风遮雨。这样既可以节省费用,又能让体育场内有更好的通风环境。使用膜覆盖钢结构部分顶部后,斜射入体育场内的光线不是直接将阴影投射在比赛场地中,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。

值得一提的是我们这里所说的膜,其实并不只是一层简单的维护材料。最外层是屋面围护膜,第二层为声学吊顶膜。“鸟巢”外层使用的ETFE绷膜,与“水立方”气囊式的ETFE膜材料一样,但结构却略有不同。“鸟巢”是单层张拉的ETFE膜,用于抵抗风雨侵蚀和紫外线照射。这层膜结构在具体使用中有个缺陷,绷紧之后的ETFE膜如同演出中的定音鼓,一旦下雨,噪音特别大,因此建设者们在外层膜下面设置了一层声学膜,可以吸收噪声。这些不透明的膜将雄伟的钢架遮挡起来,观众就能更好地将注意力集中在比赛上,比赛气氛更好地被烘托出来。

国家体育场优雅的外形、耐久的结构,是各种建筑设计、结构设计新技术成功运用的杰作。它不仅为奥运赛事提供了良好的环境,也为北京中轴线增加了让世界为之振奋的、新的亮点。

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