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北京城建揭秘鳥巢工程建設中鋼材等技術難題

作者：鋼結構網    
時間：2009-12-23 10:01:31 [收藏]

    2006年底，最后一根5米長的次結構箱型鋼構件，身披大紅緞花，徐徐進入預定工位。這標志著國家體育場的鋼結構安裝即將全部完成，“鳥巢”工程實現了完美合龍。在眾人欣賞這一工程的同時，“鳥巢”的建設者也向外界披露了他們在建設過程中的種種難題。
    “鳥巢”工程難度空前

    建設中的國家體育場是北京2008奧運會的主會場，奧運會期間可容納觀眾9.1萬人。工程占地面積20.4公頃，總建筑面積約25.8萬平方米，檐高68.5m，東西長297m，南北長333m。體育場建筑呈橢圓的馬鞍形，外殼是由約4.8萬噸鋼結構有序編織成“鳥巢”狀的獨特建筑造型；體育場內部為上、中、下三層碗狀看臺。觀眾坐席下為5-7層混凝土框架結構。

    由于設計理念凸顯“綠色奧運”，“鳥巢”在施工中有很多難題是獨一無二的，在國際上沒有現成的參考答案，只有依靠自己的科技創(chuàng)新獨立解決。

    北京城建集團國家體育場總承包部總工程師李久林表示：“施工技術的難點，來源于工程的特點。這個工程與別的工程最大的不同點在于，設計師追求的是雜亂無序、渾然天成的建筑結構造型，只是在圖紙上畫出了一個造型，甚至是一條條曲線，這種曲線不是用一個數字函數就能夠表現出來的，我們只能采用樣條函數曲線去描出來?！眴尉蜏y量來說，難度就很大。傳統(tǒng)的經緯儀不行，只能用全站儀進行監(jiān)控。高峰期光全站儀就用了11臺……”

    組成智囊團破解難題

    在技術人員感嘆“鳥巢”工程難度的同時，北京城建集團董事長劉龍華，北京城建集團總經理徐建云也都在思考著如何破解這些世界性建筑難題。在建設高峰期，每周他們都親自到現場召開工程協(xié)調會，為解決技術難題出謀劃策。

    針對國家體育場工程由于十分獨特的設計特點而帶來的極為復雜的施工技術，北京城建集團優(yōu)中選優(yōu)，抽調了各專業(yè)領域的優(yōu)秀人才，老中青結合，組成“鳥巢”建設的“智囊團隊”，任命譚曉春為國家體育場工程總承包部經理。

    集團公司總工程師、鋼結構專家張從思，集團公司原副總工程師、機電專家石善友，集團公司副總工程師、土建專家李清江都奉命來到國家體育場工地。一大批青年專家和專家顧問也扛著鋪蓋卷到“鳥窩”扎下營盤。

    集團公司為支持“鳥巢”的自主創(chuàng)新，從本部科研經費中抽出200萬元，作為“鳥巢”的科研經費。專家組聯(lián)合冶金建筑研究院、中國建筑工程研究院以及清華大學等科研院校設立科研課題，開展科技攻關。

    針對“鳥巢”技術難題，14個課題組成立了。各自盡快入題到位。由于科技先行，“鳥巢”施工中的一個個技術難題被破解了，既保證了施工生產的順利進行，又完成了一大批科技科研項目。

    “鳥巢”鋼材全部國產

    “鳥巢”這個輻射式旋轉而成的夢幻般造型，使得4.8萬噸鋼的受力點集中在了24根柱子和柱腳上。彎曲點也要承受巨大的拉力和應力。什么樣的鋼才能夠支撐起如此大的體量？這是技術人員遇到的第一個難題。

    “由于工程本身體量大，是國際上最大的鋼結構工程，帶來一系列結構難題?！鼻竦侣?，這位1996年畢業(yè)于清華大學水利工程系的博士這樣說道，“采用什么鋼板焊接是個難題。這種鋼材在國內還是個空白。必須盡快研制出一種把這些相對立的特性統(tǒng)一起來的特殊鋼材，才能破解鳥巢用鋼的難題?！?

    2005年3月12日，一次特殊的會議在北京舉行。會議成員是北京市委、市政府領導和寶鋼、首鋼、鞍鋼、武鋼和舞鋼等國內7家鋼鐵巨頭的老總。會議的原因，來自“鳥巢”特殊的結構要求。

    “鳥巢”結構設計奇特新穎，鋼結構最大跨度達到343米。如果使用普通鋼材，受力厚度至少要達到220毫米。這樣一來，“鳥巢”鋼材重量將超過8萬噸。而且鋼板太厚，焊接起來更難。

    “鳥巢”的科研技術人員，對“鳥巢”的特殊用鋼進行專項研究。最終，為舞陽鋼鐵廠提供了指導性的軋制方案。

    2005年7月，為“鳥巢”準備的110毫米厚的Q460E鋼板經過舞陽鋼廠的反復實驗，軋制成功并進入批量生產。400噸Q460E鋼材，成了“鳥巢”鋼筋鐵骨中最堅硬的一部分。同時，首鋼、鞍鋼等企業(yè)也接下了GJ345D、345C、420C等高強度鋼材的生產訂單。在奧運工程中，所有鋼材全部實現國產。

    自主研究完成澆筑

    “鳥巢”的外罩由不規(guī)則的鋼結構構件編織而成，里面的混凝土結構與鋼結構相互獨立，建筑師在混凝土看臺和鋼結構外罩之間的空間里，設計了很多傾斜的混凝土柱子來支撐建筑。124根鋼管柱、228根斜梁、600多根斜柱、112根Y形柱與空間曲形環(huán)梁相互交織。如何既保證這些混凝土柱子的結構要求，又能不影響“鳥巢”的整體美觀？

    北京城建集團國家體育場工程總承包部專家組幾經論證，一個兩全其美的方案誕生了。先像其他混凝土結構一樣綁扎好鋼筋籠，然后再從上面一節(jié)一節(jié)套上方鋼管，鋼管連接好后再在鋼管里澆筑混凝土，形成與鋼管一體的混凝土柱。這樣一來看不到混凝土柱，既安全又美觀，卻加大了施工難度。

    邊長一米的方鋼管被連接成120多根長短不同、傾斜角度多樣的鋼柱，70%以上都是雙斜柱――一根柱子在垂直面上扭轉兩次。最高的鋼柱全長21米，橫跨體育場一至四層；最傾斜的鋼柱和地面的夾角達到59度，鋼柱的最大自轉角度超過45度……

    要在這些高大傾斜看似雜亂的異型鋼管里澆筑混凝土，已經是個不小的挑戰(zhàn)。何況鋼管內部還密布著鋼筋網格―――縱向排列著32根鋼筋，橫向每10厘米一排密集的箍筋。這樣密密麻麻的鋼筋網，最多只能伸進三根手指。要按照傳統(tǒng)做法，通過振搗棒振搗密實混凝土，談何容易？起初，工程建設者只能試著從上口往鋼管里澆筑，每天從早到晚只能澆筑四五米。北京城建集團國家體育場工程總承包部經過自主研究，提出了一個新方案：采用高流態(tài)自密實混凝土，采取高壓頂升、從鋼管底部注入混凝土，由底向上頂升逐步填充。這是一個從來沒有人用過的方法，結果卻非常理想。頂升混凝土不僅提高工效一倍多，而且質量好，比預定的工期縮短了兩個月零兩天。

    天公作美順利合龍

    經過工程設計專家、氣象專家、焊接專家、鋼結構專家的論證，2006年8月26日零點整，“鳥巢”鋼結構主體工程，在100多名焊工手中開始合龍。這標志著這座設計新穎、造型獨特的鋼結構工程安裝進入倒計時階段。

    “鳥巢”主結構上合龍口有100多個，次結構28個。合龍口要求精度非常高。合龍前，需要對接口進行變形分析，并進行處理，滿足合龍質量要求。為確保合龍口焊接質量，項目質量人員對每個焊縫都進行探傷檢測，保證道道焊縫絕對合格。

    此次合龍有一大難點，就是對焊接的溫度要求相當高，鋼結構合龍溫度控制好壞，將直接影響到鋼結構的安裝安全。經過工程技術人員對北京市百年來氣象資料的分析，找到適宜的合龍時間，經過認真計算，確定了19℃±4℃為最佳合龍溫度。為確保溫度測量準確，工程技術人員在鋼結構上設立了60個觀測點。

    合龍計劃分三次完成，8月26日凌晨開始第一次從東北到西南方向合龍；8月28日凌晨開始第二次從西北到東南方向合龍；8月30日凌晨開始第三次進行立面次結構合龍。前兩次合龍很順利。

    8月30日，全天悶熱，晚上6點，開始下起了小雨，這對降低鋼梁表面溫度有利，工程技術人員緊緊盯著現場上的溫度測量數據傳送終端?？墒怯暝较略酱螅缫训群蛟谧鳂I(yè)面上的作業(yè)人員有些吃不住勁了。這樣的天氣，溫度降下來了，還能焊接嗎？

    天公就是這樣成人之美。到23點30分左右，雨竟然停了，溫度正好達到合理溫度要求。

    零點整，第三次合龍正式開始。午夜，“鳥巢”的上空，焊花閃爍，經過緊張的焊接，鋼結構合龍終于在次日凌晨順利完成。

    在新一年中，“鳥巢”的膜結構、設備安裝、太陽能利用等更復雜的施工挑戰(zhàn)，也將開始，而這同時也將是“鳥巢”創(chuàng)新的繼續(xù)。


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