鸟巢的结构赏析

鸟巢结构赏析

陈小程【男，1992年出生，城建学部11 土木本一班学生，专业为土木工程】尤天成【男，1993年出生，城建学部11 土木本一班学生，专业为土木工程】熊标【男，1993 年出生，城建学部11土木本一班学生，专业为土木工程】晏盛鸿【男，1993年出生，城建学部11 土木本一班学生，专业为土木工程】

摘要

国家体育馆（鸟巢），这个梦幻般的体育场在 2008 北京奥运会期间，承担开幕式、闭幕式以及足球决赛等重大体育项目，这个庞然大物采用了不可思议的外部结构，那是一个比蜘蛛网还复杂的外壳，全部由钢材编织而成，用钢总量为4.2 万吨，钢梁跨度是世界罕见的 333 米。它使用的焊接技术和装载技术等创造了钢结构建筑的奇迹与历史。

关键词：鸟巢钢结构焊接技术安装技术奇迹

总介绍

国家体育场工程为特级体育建筑，主体结构设计使用年限 100 年，耐火等级为一级 , 抗震设防烈度8 度,地下工程防水等级1 级。工程主体建筑呈空间马鞍椭圆形，南北长333米、东西宽294 米，高 69 米。主体钢结构形成整体的巨型空间马鞍形钢桁架编织式“鸟巢”结构，钢结构总用钢量为 4.2 万吨，混凝土看台分为上、中、下三层，看台混凝土结构为地下1 层，地上7 层的钢筋混凝土框架- 剪力墙结构体系。钢结构与混凝土看台上部完全脱开，互不相连，形式上呈相互围合，基础则坐在一个相连的基础底板上。国家体育场屋顶钢结构上覆盖了双层膜结构，即固定于钢结构上弦之间的透明的上层 ETFE 膜和固定于钢结构下弦之下及内环侧壁的半透明的下层 PTFE 声学吊顶。

“鸟巢” 钢结构施工技术创造了我国钢结构施工史上的奇迹，其钢结构工程施工难度是当今世界难度最高、最复杂建筑之一。“鸟巢”钢结构是怎样建成的呢？

鸟巢”的前期技术研究

“鸟巢”独特的建筑造型是由 4.2 万吨钢结构构件有序编织而成。钢结构工程是由24 榀

门式钢架围绕着体育场内部混凝土碗状看台区旋转而成，其中 22 榀是通过桁架对接拉通或基本拉通。钢结构编织顺序是先进行钢柱角安装，随后进行 24 榀门式钢架安装、屋面主结构安装、次结构安装、合龙、卸载等过程。施工技术决定工程成败的关键，对城建集团施工技术人员来讲，是一个巨大的挑战。

北京城建集团对“鸟巢”钢结构施工技术立项研究：为实现“鸟巢”独特造型，其肩部1.4 万吨钢构件采用无固定线形的空间箱型弯扭构件。设计师仅提供控制点坐标，施工单位需要自行开发三维建模及展平放样软件。同时，大断面箱型弯扭构件加工制作技术在国内外尚无先例。工程结构跨度大、体型复杂，整体安装方案优化选择难度大， 1.4 万吨钢屋盖支撑卸载在全世界钢结构史上也是史无前例的。如何保证造型复杂、体型庞大的“鸟巢” 钢结构的安装精度和建筑效果，需要研究相应的测控技术。

钢结构施工中的技术创新

“鸟巢” 钢结构施工多项技术，在国内属首次遇到，如箱型弯扭构件制作技术研究与应

用、钢结构综合安装技术研究与应用、钢结构合龙施工技术研究与应用、钢结构支撑卸载技术研究与应用、焊接综合技术研究与应用、施工测量测控技术研究与应用等六项最难施工技术，国内一无先例，二无规范可循，完全要靠北京城建集团集社会智慧，最大限度地挖掘和调动现场技术人员积极性进行技术研究与创新。

焊接技术的创新

“鸟巢”的其中一种构件由 8 块厚钢板焊接而成，每块钢板长 1．26 米，宽 1．17 米，重约 1 吨。要把 8 块钢板按照不同的比例弯纽成钢铁箱状，难度相当大，而这种异型弯纽结构构件只是“鸟巢”数万构件中最普通的一种。

解决这些困难曾经是沪宁钢机最大的难题，石荣金介绍道：“‘鸟巢' 弯纽构件的加工不

外乎三个途径，第一个是用模型，用压模给它压出来；第二个是用热加工给它做出来，包括用火来烤；第三个是用冷加工的原理给它加工出来。这三个方案在‘鸟巢'的制作里面都有用到。”

在克服弯纽方面，“鸟巢”的其他建设者有的采用了热加工方式，然而钢材冷却下来后产生了较大误差。这时对沪宁来说，多年积累的经验派上了用场。他们为“鸟巢”弯纽结构专门开发了电脑软件，根据电脑设计出的样式，用木头做出大小一样的模型，然后根据模型校正弯纽。尤其一绝的是，他们选择了技术难度最大的冷加工：将厚厚的钢板卷弯。“鸟巢” 的构件在三台液压机上做出来，然而这几台液压机只能把钢板卷弯，要按照模型的形状制作出来，光靠机器是不行的。石荣金说：“钢板在卷板机上卷到什么时候，里边应该去垫一垫东西，在加工到什么时候，应该把这块东西拿出来，这全是靠工人的经验和长期的实际操作。” 用液压机冷轧过后，就是人工校正了。可以说，“鸟巢”的每根构件都离不开沪宁钢机工人的聪明才智，正是这些埋头苦干的工人凭借长期积累的经验，对每个动作时刻保持清醒，才成就了“鸟巢”整体的牢固和宏伟。

安装技术创新

国家体育场钢结构工程安装流程图

在综合安装技术研究与应用方面，国家体育场主钢结构总用钢量 4.2万吨，钢结构构

件体型大、单体重量重，构件翻身、吊装难度大。例如桁架柱最大外形尺寸达 25X 20X 68.5

米，每延米最重达10吨，采取何种技术吊装完成如此体型庞大、对接口数量多、构件异形、 构件翻身和吊装难度巨大的

工程，国内外均无成功经验可借鉴。

北京城建集团技术人员通过工况分析计算，

结合工程实践，总结出一套包括重心确

定、吊耳设计、稳固措施及接口偏差调整措施等内容的异型复杂钢构件综合安装技术。

在高空安装方面，经过反复研究，最终确定采用高空散装方案，

而合龙和卸载则是

检验搭建能否成功的关键两步。 李久林介绍道：国家体育场钢结构工程结构跨度大， 传力体 系复杂。有关部门协调并经过国家气象、规划等部门的研究论证，确定合拢温度为 19度正

负4度。在合龙温度确定下来后，经过反复择优比选并通过设计复核， 主桁架、立面结构及 顶面次结构的合龙线确定为四条合龙线。 采取了先进行主桁架的合龙，

再进行立面结构的合

龙顺序。

桁架柱 脚拼装

主桁架

牛拼装 钢构件 制作

砖锚固

柱。

2、 桁架柱 脚。

3、 桁架柱。

4、 柱桁架。

5、 立面次结

构。

6、 顶面次结

构。

7、 楼梯、马 道

及其它。

1、 柱过渡 加工

土建混凝 土配合施 工（含埋 件）基础 验收

NDT

锚固

柱安

装

MHDT ND

支撑塔架制作（现场）

Y N NDT N

N 验I

NDT

支撑塔架安装

"Y 立面次结 验收

构拼装 —

立面次 N

芟板 验收

安 装

桁

架

N

ND

N Y

N

DT

上桁架 柱拼装

桁 架 柱

安 装

上 桁

架 安

下桁架I 柱拼装J

—

N

Y

主桁架

安装

安

立面次结 构安装