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北京城建揭秘鳥(niǎo)巢工程建設(shè)中鋼材等技術(shù)難題

作者：鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-23 10:01:31 [收藏]

    2006年底，最后一根5米長(zhǎng)的次結(jié)構(gòu)箱型鋼構(gòu)件，身披大紅緞花，徐徐進(jìn)入預(yù)定工位。這標(biāo)志著國(guó)家體育場(chǎng)的鋼結(jié)構(gòu)安裝即將全部完成，“鳥(niǎo)巢”工程實(shí)現(xiàn)了完美合龍。在眾人欣賞這一工程的同時(shí)，“鳥(niǎo)巢”的建設(shè)者也向外界披露了他們?cè)诮ㄔO(shè)過(guò)程中的種種難題。
    “鳥(niǎo)巢”工程難度空前

    建設(shè)中的國(guó)家體育場(chǎng)是北京2008奧運(yùn)會(huì)的主會(huì)場(chǎng)，奧運(yùn)會(huì)期間可容納觀眾9.1萬(wàn)人。工程占地面積20.4公頃，總建筑面積約25.8萬(wàn)平方米，檐高68.5m，東西長(zhǎng)297m，南北長(zhǎng)333m。體育場(chǎng)建筑呈橢圓的馬鞍形，外殼是由約4.8萬(wàn)噸鋼結(jié)構(gòu)有序編織成“鳥(niǎo)巢”狀的獨(dú)特建筑造型；體育場(chǎng)內(nèi)部為上、中、下三層碗狀看臺(tái)。觀眾坐席下為5-7層混凝土框架結(jié)構(gòu)。

    由于設(shè)計(jì)理念凸顯“綠色奧運(yùn)”，“鳥(niǎo)巢”在施工中有很多難題是獨(dú)一無(wú)二的，在國(guó)際上沒(méi)有現(xiàn)成的參考答案，只有依靠自己的科技創(chuàng)新獨(dú)立解決。

    北京城建集團(tuán)國(guó)家體育場(chǎng)總承包部總工程師李久林表示：“施工技術(shù)的難點(diǎn)，來(lái)源于工程的特點(diǎn)。這個(gè)工程與別的工程最大的不同點(diǎn)在于，設(shè)計(jì)師追求的是雜亂無(wú)序、渾然天成的建筑結(jié)構(gòu)造型，只是在圖紙上畫(huà)出了一個(gè)造型，甚至是一條條曲線，這種曲線不是用一個(gè)數(shù)字函數(shù)就能夠表現(xiàn)出來(lái)的，我們只能采用樣條函數(shù)曲線去描出來(lái)。”單就測(cè)量來(lái)說(shuō)，難度就很大。傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀不行，只能用全站儀進(jìn)行監(jiān)控。高峰期光全站儀就用了11臺(tái)……”

    組成智囊團(tuán)破解難題

    在技術(shù)人員感嘆“鳥(niǎo)巢”工程難度的同時(shí)，北京城建集團(tuán)董事長(zhǎng)劉龍華，北京城建集團(tuán)總經(jīng)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(shè)高峰期，每周他們都親自到現(xiàn)場(chǎng)召開(kāi)工程協(xié)調(diào)會(huì)，為解決技術(shù)難題出謀劃策。

    針對(duì)國(guó)家體育場(chǎng)工程由于十分獨(dú)特的設(shè)計(jì)特點(diǎn)而帶來(lái)的極為復(fù)雜的施工技術(shù)，北京城建集團(tuán)優(yōu)中選優(yōu)，抽調(diào)了各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的優(yōu)秀人才，老中青結(jié)合，組成“鳥(niǎo)巢”建設(shè)的“智囊團(tuán)隊(duì)”，任命譚曉春為國(guó)家體育場(chǎng)工程總承包部經(jīng)理。

    集團(tuán)公司總工程師、鋼結(jié)構(gòu)專(zhuān)家張從思，集團(tuán)公司原副總工程師、機(jī)電專(zhuān)家石善友，集團(tuán)公司副總工程師、土建專(zhuān)家李清江都奉命來(lái)到國(guó)家體育場(chǎng)工地。一大批青年專(zhuān)家和專(zhuān)家顧問(wèn)也扛著鋪蓋卷到“鳥(niǎo)窩”扎下?tīng)I(yíng)盤(pán)。

    集團(tuán)公司為支持“鳥(niǎo)巢”的自主創(chuàng)新，從本部科研經(jīng)費(fèi)中抽出200萬(wàn)元，作為“鳥(niǎo)巢”的科研經(jīng)費(fèi)。專(zhuān)家組聯(lián)合冶金建筑研究院、中國(guó)建筑工程研究院以及清華大學(xué)等科研院校設(shè)立科研課題，開(kāi)展科技攻關(guān)。

    針對(duì)“鳥(niǎo)巢”技術(shù)難題，14個(gè)課題組成立了。各自盡快入題到位。由于科技先行，“鳥(niǎo)巢”施工中的一個(gè)個(gè)技術(shù)難題被破解了，既保證了施工生產(chǎn)的順利進(jìn)行，又完成了一大批科技科研項(xiàng)目。

    “鳥(niǎo)巢”鋼材全部國(guó)產(chǎn)

    “鳥(niǎo)巢”這個(gè)輻射式旋轉(zhuǎn)而成的夢(mèng)幻般造型，使得4.8萬(wàn)噸鋼的受力點(diǎn)集中在了24根柱子和柱腳上。彎曲點(diǎn)也要承受巨大的拉力和應(yīng)力。什么樣的鋼才能夠支撐起如此大的體量？這是技術(shù)人員遇到的第一個(gè)難題。

    “由于工程本身體量大，是國(guó)際上最大的鋼結(jié)構(gòu)工程，帶來(lái)一系列結(jié)構(gòu)難題?！鼻竦侣?，這位1996年畢業(yè)于清華大學(xué)水利工程系的博士這樣說(shuō)道，“采用什么鋼板焊接是個(gè)難題。這種鋼材在國(guó)內(nèi)還是個(gè)空白。必須盡快研制出一種把這些相對(duì)立的特性統(tǒng)一起來(lái)的特殊鋼材，才能破解鳥(niǎo)巢用鋼的難題?！?

    2005年3月12日，一次特殊的會(huì)議在北京舉行。會(huì)議成員是北京市委、市政府領(lǐng)導(dǎo)和寶鋼、首鋼、鞍鋼、武鋼和舞鋼等國(guó)內(nèi)7家鋼鐵巨頭的老總。會(huì)議的原因，來(lái)自“鳥(niǎo)巢”特殊的結(jié)構(gòu)要求。

    “鳥(niǎo)巢”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奇特新穎，鋼結(jié)構(gòu)最大跨度達(dá)到343米。如果使用普通鋼材，受力厚度至少要達(dá)到220毫米。這樣一來(lái)，“鳥(niǎo)巢”鋼材重量將超過(guò)8萬(wàn)噸。而且鋼板太厚，焊接起來(lái)更難。

    “鳥(niǎo)巢”的科研技術(shù)人員，對(duì)“鳥(niǎo)巢”的特殊用鋼進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)研究。最終，為舞陽(yáng)鋼鐵廠提供了指導(dǎo)性的軋制方案。

    2005年7月，為“鳥(niǎo)巢”準(zhǔn)備的110毫米厚的Q460E鋼板經(jīng)過(guò)舞陽(yáng)鋼廠的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，軋制成功并進(jìn)入批量生產(chǎn)。400噸Q460E鋼材，成了“鳥(niǎo)巢”鋼筋鐵骨中最堅(jiān)硬的一部分。同時(shí)，首鋼、鞍鋼等企業(yè)也接下了GJ345D、345C、420C等高強(qiáng)度鋼材的生產(chǎn)訂單。在奧運(yùn)工程中，所有鋼材全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)。

    自主研究完成澆筑

    “鳥(niǎo)巢”的外罩由不規(guī)則的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件編織而成，里面的混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立，建筑師在混凝土看臺(tái)和鋼結(jié)構(gòu)外罩之間的空間里，設(shè)計(jì)了很多傾斜的混凝土柱子來(lái)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(jié)構(gòu)要求，又能不影響“鳥(niǎo)巢”的整體美觀？

    北京城建集團(tuán)國(guó)家體育場(chǎng)工程總承包部專(zhuān)家組幾經(jīng)論證，一個(gè)兩全其美的方案誕生了。先像其他混凝土結(jié)構(gòu)一樣綁扎好鋼筋籠，然后再?gòu)纳厦嬉还?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(lái)看不到混凝土柱，既安全又美觀，卻加大了施工難度。

    邊長(zhǎng)一米的方鋼管被連接成120多根長(zhǎng)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(zhuǎn)兩次。最高的鋼柱全長(zhǎng)21米，橫跨體育場(chǎng)一至四層；最傾斜的鋼柱和地面的夾角達(dá)到59度，鋼柱的最大自轉(zhuǎn)角度超過(guò)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(jīng)是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。何況鋼管內(nèi)部還密布著鋼筋網(wǎng)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(wǎng)，最多只能伸進(jìn)三根手指。要按照傳統(tǒng)做法，通過(guò)振搗棒振搗密實(shí)混凝土，談何容易？起初，工程建設(shè)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(tuán)國(guó)家體育場(chǎng)工程總承包部經(jīng)過(guò)自主研究，提出了一個(gè)新方案：采用高流態(tài)自密實(shí)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(gè)從來(lái)沒(méi)有人用過(guò)的方法，結(jié)果卻非常理想。頂升混凝土不僅提高工效一倍多，而且質(zhì)量好，比預(yù)定的工期縮短了兩個(gè)月零兩天。

    天公作美順利合龍

    經(jīng)過(guò)工程設(shè)計(jì)專(zhuān)家、氣象專(zhuān)家、焊接專(zhuān)家、鋼結(jié)構(gòu)專(zhuān)家的論證，2006年8月26日零點(diǎn)整，“鳥(niǎo)巢”鋼結(jié)構(gòu)主體工程，在100多名焊工手中開(kāi)始合龍。這標(biāo)志著這座設(shè)計(jì)新穎、造型獨(dú)特的鋼結(jié)構(gòu)工程安裝進(jìn)入倒計(jì)時(shí)階段。

    “鳥(niǎo)巢”主結(jié)構(gòu)上合龍口有100多個(gè)，次結(jié)構(gòu)28個(gè)。合龍口要求精度非常高。合龍前，需要對(duì)接口進(jìn)行變形分析，并進(jìn)行處理，滿(mǎn)足合龍質(zhì)量要求。為確保合龍口焊接質(zhì)量，項(xiàng)目質(zhì)量人員對(duì)每個(gè)焊縫都進(jìn)行探傷檢測(cè)，保證道道焊縫絕對(duì)合格。

    此次合龍有一大難點(diǎn)，就是對(duì)焊接的溫度要求相當(dāng)高，鋼結(jié)構(gòu)合龍溫度控制好壞，將直接影響到鋼結(jié)構(gòu)的安裝安全。經(jīng)過(guò)工程技術(shù)人員對(duì)北京市百年來(lái)氣象資料的分析，找到適宜的合龍時(shí)間，經(jīng)過(guò)認(rèn)真計(jì)算，確定了19℃±4℃為最佳合龍溫度。為確保溫度測(cè)量準(zhǔn)確，工程技術(shù)人員在鋼結(jié)構(gòu)上設(shè)立了60個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。

    合龍計(jì)劃分三次完成，8月26日凌晨開(kāi)始第一次從東北到西南方向合龍；8月28日凌晨開(kāi)始第二次從西北到東南方向合龍；8月30日凌晨開(kāi)始第三次進(jìn)行立面次結(jié)構(gòu)合龍。前兩次合龍很順利。

    8月30日，全天悶熱，晚上6點(diǎn)，開(kāi)始下起了小雨，這對(duì)降低鋼梁表面溫度有利，工程技術(shù)人員緊緊盯著現(xiàn)場(chǎng)上的溫度測(cè)量數(shù)據(jù)傳送終端?？墒怯暝较略酱?，早已等候在作業(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(lái)了，還能焊接嗎？

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

    零點(diǎn)整，第三次合龍正式開(kāi)始。午夜，“鳥(niǎo)巢”的上空，焊花閃爍，經(jīng)過(guò)緊張的焊接，鋼結(jié)構(gòu)合龍終于在次日凌晨順利完成。

    在新一年中，“鳥(niǎo)巢”的膜結(jié)構(gòu)、設(shè)備安裝、太陽(yáng)能利用等更復(fù)雜的施工挑戰(zhàn)，也將開(kāi)始，而這同時(shí)也將是“鳥(niǎo)巢”創(chuàng)新的繼續(xù)。


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