国家体育馆“鸟巢”的钢结构资料

2017-12-28

　　坐落在北四环北辰桥北侧的国家体育场工程于2003年12月24日开工建设；工程设计方案于2004年下半年进行了优化调整；2007年8月31日，钢结构工程合龙完成。该工程钢结构屋盖呈双曲面马鞍型，东西轴长298米、南北轴长333米，最高点69米、最低点40米。主体结构分成二个部分，即混凝土框架结构和钢结构，混凝土结构被钢结构罩在里面。
　　“鸟巢”是目前世界上跨度最大的钢结构建筑，钢结构最大跨度达343米，钢结构涂装面积达28.4万平方米。外罩是由不规则的钢结构构件编织而成，“巢”内则是由一系列辐射式门式钢桁架围绕成碗状座席。
　　2003年3月18日，13名权威人士组成的评审委员选举出3个优秀方案，分别是“鸟巢”方案、由中国北京市建筑设计研究院独立设计的“浮空开启屋面”方案和由日本株式会社佐藤综合计划与中国清华大学建筑设计研究院合作设计的“天空体育场”方案。在讨论“鸟巢”方案时，共有8票赞成、2票反对、2票弃权、1票作废。
　　2003年3月25日，由瑞士赫尔佐格和德梅隆设计事务所、奥雅纳工程顾问公司及中国建筑设计研究院设计联合体共同设计的"鸟巢"方案成为国家体育场的设计方案，"鸟巢"这一名字不胫而走。现场的施工图等大多中后期操作，则都是由中国建筑院承担的
　　2003年8月，由中国中信集团公司、北京城建集团有限责任公司、国安岳强有限公司、金州控股集团有限公司4家企业组成的中国中信集团联合体，成为国家体育场项目法人合作方招标的中标人。
　　2003年8月9日，国家体育场项目正式签约。
　　2003年底，奥林匹克公园地区基本都拆迁完毕了。原来嘈杂的集贸市场，小摊贩，小餐馆，火锅街从此在这个地方彻底的消失了。
　　2003年12月24日上午9时15分，“鸟巢”破土动工。
　　2004年5月，国家体育场看台结构和钢结构屋盖下的约1500根基础桩施工全部完成。一个月后，完成了基础工程施工的国家体育场进入混凝土结构施工阶段。
　　停工：2004年7月30日，40亿，38亿，31亿，在一年多时间里，鸟巢的工程造价估算一变再变，前后相差达25%。高层目标是控制投资在31亿。为了进一步实现"节俭办奥运"，"鸟巢"暂时停工。
　　2004年8月，鸟巢公布效果图。
　　2004年12月， "鸟巢"优化设计，取消可开启屋盖，扩大了屋顶开孔，其钢结构用钢量比原设计减少了22.3％。膜结构减少了13％。官方称节省费用比最初35亿元的预算造价减少了约4亿元。
　　复工：2004年12月28日，工程正式复工。半年后，"鸟巢"内部看台混凝土结构全部完成。
　　2005年11月15日，国家体育场结构提前封顶。比预期时间提前了一个月。
　　2006年8月，钢结构工程圆满合拢，耗用焊条约2000公斤。
　　亮相：2006年9月17日11时30分，鸟巢钢结构最后一次卸载完成。真正的"鸟巢"外型诞生了！
　　2007年5月22日,“鸟巢”承建商之一德国康沃泰公司申请破产,该公司承担了国家体育场“鸟巢”的4万平米塑胶保护膜的工程。康沃泰公司随后被德国另一家著名的幕墙公司SEELE公司全资收购。
　　2007年9月27日，鸟巢"顶部开始贴膜，为坐席遮风挡雨。
　　完善：2007年10月15日，网络中有传言称："由于鸟巢的设计缺陷，使用过于复杂的钢结构，晴天钢结构阴影致人看不清场上情况，所以鸟巢只能晚上在灯光照明下使用，也无法转播。"随后，鸟巢工程总指挥谭晓春明确表示：鸟巢的设计没有缺陷。根本不会影响观众的视觉效果，更不会影响赛事的正常转播。
　　2007年11月，场内开始安装座椅，开始内部装修。
　　2008年1月，部分海外媒体报道"鸟巢"工地发生死亡10人的事故，北京市安监局副局长丁镇宽对此回应说，在"鸟巢"的建设过程中，曾于2006年和2007年各发生一起事故，共死亡两人。
　　2008年1月底，"鸟巢"8万座椅全部装完 开始景观照明测试。
　　2008年1月底，北京市副市长陈刚透露，国家体育场'鸟巢'的造价控制在35亿元人民币以内。工程由中央及地方政府财政出资50%，其余资金采用社会融资等方式。
　　“鸟巢”的施工分为三大步骤：混凝土结构施工、钢结构施工、建筑内外装修与机电设备安装调试。纵横交错的钢铁枝蔓是“鸟巢”设计中最华彩的部分，是世界上跨度最大的钢结构建筑，也是鸟巢建设中最艰难的。看似轻灵的枝蔓总重达42000吨，全部采用中国自主创新研发的钢材。其中，顶盖以及周边悬空部位重量为14000吨，产生的重力难以想象。在鸟巢建设过程中，78根临时搭建的支撑塔架支撑着14000吨钢铁的枝蔓。78个受力点按所处的平面位置分布在鸟巢钢结构顶面的外圈、中圈和内圈上，其中外圈24个，中圈24个，内圈30个。
　　整个鸟巢钢结构的跨度将近340米，高度达到了68米，相当于20层楼的高度，整个重量是42000吨，中间悬空部位为11200吨，产生的重力难以想象。对于如此重量钢结构，施工方采取了高空拼装安装方法。这种方法需要安装的过程中，在钢架下安置很多临时支撑点，鸟巢则安装了78个之多，分布在鸟巢钢结构的外圈、中圈、内圈上。其中外圈24个、中圈24个、内圈30个。
　　钢结构卸载
　　根据严密计算和论证，整个卸载的过程分解成7大步骤，每一大步骤里又包含5个相似的小步骤，总共35个环节。每次按外圈、中圈、内圈再中圈、内圈的步骤来进行，如此循环重复七次，卸载完成.具体实施卸载时，每个小步的完成需要经过三个准确无误的工艺环节.在鸟巢安装过程中78个临时支撑塔架的顶部都设置了一些厚度不等的垫块支撑钢结构，第一环节，升起千斤顶，使它与“垫块”一起支撑鸟巢(垫块是指钢柱与鸟巢之间可以活动的块状钢铁，每一根钢柱的顶端都有50毫米厚的数块垫块)；第二环节，撤去钢柱顶端的第一层垫块，这个区域的受力完全由千斤顶支撑；第三环节，千斤顶缓慢下降，一直降到第二层垫块的高度，此时这个区域的受力再次由钢柱与千斤顶共同承担。就这样，千斤顶与钢柱交替受力，交替下降，在上述5个位置上重复后，5小步骤再循环往复7次，也就是7大步骤，直至卸载完成。
　　千斤顶下面的垫片是“Q35”钢（Q代表钢材的强度，35代表35兆帕，兆是10的6次方，帕是压强单位帕斯卡。Q35就是钢材受力强度达到35兆帕时才会发生塑性变形），它承受的最大压力是300吨，可以承受千斤顶在卸载过程中的压力。这些垫片在设计的过程中，经过反复论证才做成了现在的厚薄不一的样式。原因：首先是要有足够的高度，但同时垫片也不能太高，高了以后会影响水平力的稳定性。所以，一般情况下垫片的高度是40、50毫米，每块垫板的厚度为10毫米、20毫米各不相等。
　　卸载后，鸟巢的钢结构会出现正常的沉降和扭曲，如果沉降和扭曲程度在设计控制的范围内，那么卸载就成功了。卸载成功，将标志着鸟巢真正从图纸转化为实体，展现出中国人自主创新的能力。
　　工程解读
　　当初为什么要用钢架支撑：安全与经济决定钢架方案
　　对于鸟巢为什么要用这些钢架支撑的问题，有关人员表示，如果不用这些钢架支撑，前期焊接施工的几十个小时就需要几辆800吨吊车自始至终将钢结构吊在空中，而这些吊车每台租价每小时需5000多元。用78根临时钢柱支撑钢结构，既经济，又保证了焊接过程中工作面的稳定和安全。
　　鸟巢的每一次部分卸载只有几毫米，和整个国家体育场相比微乎其微，靠肉眼都很难看出这种变化。如果直接卸下支撑钢柱，由于钢结构自重大，突然一下子往下沉，容易造成钢结构断裂。“就像摔跤，一下子摔倒在地面上，容易摔骨折。”
　　为什么不一下子卸：直接卸载易造成主体断裂
　　整个卸载工作将拆除鸟巢钢结构的78个临时支撑点，整体钢结构在独立承担重力后将出现不同程度的下沉，最大下沉距离不超过30厘米。根据设计要求，外圈的下降总量将控制在67—70毫米，中圈161—178毫米，内圈208—286毫米。
　　“鸟巢”钢结构的卸载逐步卸载的方式。侯兆欣对此解释说，这是出于保证平稳“降落”的考虑，卸载需要一步一步进行，使整个钢架均匀、同步、持续地受力，最终达到独立承重的目的。在“鸟巢”钢结构卸载结束后，中国钢结构协会钢结构焊接分会理事、中国著名的钢铁焊接专家戴为志介绍道，这次卸载非常成功，实际数字和操作数字高度一致，非常圆满。
　　戴为志说，鸟巢确实是一个设计工程，相当复杂，很难控制。卸载从总体上来讲其实是对钢结构的加载，如果加载速度过快，就对钢结构产生冲击，对质量不利，这也是我们划分七大步35小步的目的。在具体实施卸载时，每个小步的完成其实是需要经历三个准确无误的工艺环节：在鸟巢安装过程中，78个临时支撑塔架的顶部均设置了100mm或200mm高，厚度不等的垫块支撑主体钢结构。第一环节，升起千斤顶，使它代替临时支撑塔架撑起鸟巢；第二环节，撤去临时支撑塔架顶端设计所要求高度的垫块；第三环节，千斤顶缓慢下降至解除撑力的高度，鸟巢剩余荷载又转化为临时支撑塔架撑起。这个过程是循序渐进的，要由千斤顶与临时支撑塔架柱交替受力，交替下降。每圈所有的受力点完成一遍三个环节才算完成一小步，循环35次后，鸟巢的全部荷载就转化为自身承受，卸载完成。
　　说起来似乎很简单，其实过程相当复杂。首先，步骤繁琐。其次，做工精细，五七三十五个步骤都必须严格控制下降的距离。在卸载的环节中，所有的距离都必须精确到毫米。外圈总下降量将达到68~286毫米；中圈161~178毫米；内圈208~286毫米。如果鸟巢在自身受力后，主体钢结构下降幅度超过这个距离或是出现局部裂缝等结构问题，那么就意味着鸟巢在过去三年的设计、制造、施工等环节中存在问题。因此，卸载成败是检验鸟巢成功与否的标志。
　　在卸载环节中，运用了3项高新技术：第一是采用了计算机仿真模拟技术，把世界上最先进的各种技术集合在一起，将35次卸载的每一个点，比如外圈的点要卸七次，中圈和内圈的点要卸14次，都精确到毫米这个单位。第二是采用计算机同步控制系统，保证整个卸载的78个点都是同步进行。如果最后一圈的30个点在卸载过程中出现一点问题的话，比如漏油或者设备出现故障，就会马上停止卸载，等故障排除后再开始卸载工作。第三个技术是采用结构监测和安全检测技术保证每次卸载的成功。设置了一个监测设备，在整个卸载过程中，整个“鸟巢”的卸载都是在受监测的环境下进行的。如果发现监测的数据和计算的数据有误差或者偏差很大，也会停止卸载，找出原因问题解决后再继续往下卸载。
　　整个卸载过程完全由电脑操控，电脑终端和指挥中心就在鸟巢体育场的中央。两次卸载之间要间隔一小时左右，其间每一个技术数据都会由众多的传感器从卸载点传到中心，对卸载的效果进行监测和评估。卸载指令也通过这个“神经中枢”传递到每一个卸载点，显示在每个卸载区块的三种颜色灯上，绿色代表开始下降、黄色代表暂停下降、红色代表两个以上的受力点下降距离不同步，需要停止。
　　这次卸载中的钢结构焊接和传统的操作技术有很大的区别：整个焊缝非常长，这么大的焊接工作量不论在全国，乃至全世界都是非常少的。所有的焊缝合格率相当高，几乎100%合格，这是钢结构焊接市场的典范。
　　“国家体育场钢结构支撑塔架卸载最后一步卸载到位，钢结构与支撑全部脱离，数据检测正常，最大变形量实测值271毫米，完全满足设计要求。”总包、业主、监理和设计四个项目的负责人审核卸载成果后，一起在国家体育场钢结构卸载确认单上签字。现场总指挥宣布：国家体育场钢结构卸载顺利完成!由此，42000吨的铁骨将永远屹立于世界的东方，成为北京的地标性建筑。
　　“鸟巢”所用钢材名为 Q460EZ235，是顶级建筑用钢，“460”指的是钢材的强度，这表明这种钢的强度是普通钢材的两倍，“E”指的是负40度的冲击韧性指标，这表明此钢的韧性十足，而“Z235”则表明鸟巢钢材的性能是最高级的。
　　按照我国钢材标准，强度为420的钢材可满足普通建筑用钢标准，而鸟巢的用钢总量极大，重量也超出想象，因此，420强度的钢不能满足鸟巢的需求，因此，必须采用超出我国现有标准的钢材。这种钢材是进口还是自主创新，成为摆在北京面前的问题。
　　2005年3月12号，武阳钢铁公司的负责人明确表示该公司有能力研制这种特殊需求的钢材。武钢人再次挑起了这个重任，他们首先把目标关注在Q460，但是厚度、强度并不能完全满足鸟巢要求，一场围绕着Q460进化的科研攻关开始了，历经无数次的挫折和失败，每一步都是把不可能变为可能，把难题转化为成果，最终传统钢种Q460脱胎成110毫米厚的鸟巢特殊用钢，Q460EZ35，集刚强、柔韧于一体，实现了三效合一，保证了鸟巢在承受最大460兆帕的外力后，依然可以恢复到原有形状。这意味着如果北京再次遭受上世纪70年代唐山地震一样的地震波及，鸟巢依然能保持原状。
　　“鸟巢”建筑结构形式独特，采用钢椼架编织而成，要实现这一独特的建筑设计形式，必须保证以下六大要素。第一是技术方案，国家体育场的钢结构技术方案，经过国家科 技部科技攻关立项，多方专家进行了深入论证、评审，经过严密论证的技术方案是国家体育场钢结构施工的基础；第二个要素是钢材，“鸟巢”建筑需要的钢材量巨大，对钢材质量和技术要求都比较高，在中国钢铁协会等有关部门和各大钢厂的支持下，建设所需钢材全部落实；第三个要素是加工，国家体育场钢结构分别在江苏、浙江以及上海三地进行加工，加工方案和工程进展可以满足钢结构施工要求；第四个要素是施工详图；第五个要素是焊工，由于“鸟巢”工程非常独特，其对焊工的技术要求也非常高，大批焊工都需经过长时间培训、考核；最后一个要素是运输，由于“鸟巢”所用钢材加工地在浙江、江苏和上海，这些钢材需跨五省三市才能被送到国家体育场，这项工作得到了五省三市的极大支持，运输工作保证了国家体育场施工的正常。
　　8月31日中午13时 经过60多名焊工12个小时的连续作业，国家体育场“鸟巢”钢结构立面次结构的26个合龙焊口全部完成焊接作业，此举标志着备受关注的第29届奥运会主会场——国家体育场(鸟巢)钢结构工程合龙完成。
　　国家体育场钢结构合龙主要有两大施工难点：一是对合龙焊接的气象温度要求严格，特别是太阳辐射温度的升高，对钢结构的变形和内力都有很大的影响。因为北京每天的温度变化比较大，对于“鸟巢”的钢结构来说，如果加载的温度，顶升的温度，高于合拢温度的话，钢结构整个挠度就会有所上升，如果低于合拢温度挠度会有所下降，都会影响到钢结构的下载。钢结构合龙温度是设计的基准温度，合龙温度控制的好坏直接影响到钢结构的运行安全，此次合龙必须在摄氏19±4oC范围内进行合龙焊接作业；二是合龙焊缝口多，质量要求高，国家体育场钢结构共预留了4条合龙线，128个焊口，焊缝总长度约600延米，分3次完成合龙焊接。
　　为确保合龙圆满成功，合龙分三次进行，共调集了100多名高级焊工和100多台焊机。为确保合龙温度，还在现场布设了60个温度监测点和气象观测站，对合龙过程中的大气温度和钢结构表面温度实施全过程监测，北京专业气象台也派出气象专家对现场温度进行监测指导。为确保合龙焊接质量，对每条焊缝都进行探伤检测。
　　整个合龙从8月26日零时开始第一次施工，经过100多名焊工15个小时的连续作业，于26日15时顺利完成P4-P5、P16-P17之间顶面桁架52个焊口的焊接合龙，8月29日凌晨2时开始第二次合龙，经过16个小时顺利完成P8-P9、P20-P21之间顶面桁架50个焊口的焊接合龙。三次合龙耗用焊条约2000公斤。
　　据专家李兴钢介绍，钢结构卸载完成的“鸟巢”，马上将进行一系列的美化工作，先是钢结构肩部和屋顶次结构的安装，之后是膜结构安装、建筑装修和机电设备安装、基座结构和景观施工等等，“中方总设计师，李兴刚既要跟业主、政府、奥组委等多方协调关系，又要跟十几个专业的设计人员、几个国家的工程师协调解决矛盾，同时，近四千张的施工图纸，都需要李兴刚签字负责.   　国家体育场钢结构如果使用普通钢材，厚度至少要达到220毫米。这样将会使得整个建筑的钢结构的总重量超过8万吨，对加工、运输以及焊接等工作造成很大的麻烦。
　　通过专家反复论证，厚度为110毫米的Q460高强度钢材成为最佳选择。经过我国科研人员三次技术“攻关”所研制出的低合金高强度Q460钢，具有良好的抗震能力，因为它在受到强大外力时能够通过变形来吸收能量，从而防止钢材的断裂，而且它还具有良好的抗震性、抗低温性、可焊性等特点。
　　Q460在这里诞生--舞阳钢铁有限责任公司介绍
　　舞阳钢铁有限责任公司是我国首家宽厚钢板生产和科研基地，具有世界影响的著名特厚钢板厂之一。位于中原腹地的河南省舞钢市，北依伏牛山余脉东麓，南临石漫滩水库，东接国家级森林公园，十里厂区掩映于青山绿水之间，风景秀丽。现有资产50多亿元，职工1万余人。
　　舞钢原为中央直属企业，筹建时为国防军工项目。1970年，舞钢工程破土动工。1978年，曾经号称我国“轧机之王”的舞钢4200mm宽厚钢板轧机建成投产，结束了我国钢铁企业不能生产特宽特厚钢板的历史。我国引进的第一座 90吨超高功率电炉、国产第一套300×1900mm大型板坯连铸机分别于1991年、1992年在舞钢建成投产，舞钢形成了电炉冶炼、精炼、连铸(模铸)、轧制、热处理、精整的短流程特钢生产线。
　　1997年9月8日，是舞钢发展史上具有里程碑意义的日子。在党和国家领导人的关注下，舞钢加入邯钢集团，重组为邯钢集团控股的有限责任公司。它也是当时我国冶金行业最大的一次资产重组。
　　“9·8”改制为舞钢插上了腾飞的翅膀。经过8年来的奋力拼搏，舞钢由一个年产钢、钢板不足30万吨的特钢厂，一跃成为百万吨级的大型特钢企业，经济效益由原来的连续4年年均亏损2.5亿元转变为2004年一年盈利4亿元。今日的一个舞钢是过去的四个舞钢。
　　8年来，舞钢沿着“创中国名牌，出世界精品”的道路，高举科技兴企旗帜，开发新品种达188个，形成了12大系列、300多个品种的名牌精品体系，为国家重点工程建设和国防军工事业做出了重要贡献。舞钢是国内第一家，也是唯一一家生产西气东输X70大口径直缝焊管用钢板的企业，首次打破了日本、韩国钢厂垄断供应的局面；为三峡工程建设生产钢板11万吨，占三峡同类产品总用量的90%以上。在跨度世界最大的上海卢浦大桥、毗临天安门广场的国家大剧院的建设中，在正在紧张进行的北京2008奥运场馆等国家重点工程建设中，在新型主战坦克等国防军工领域，在中国首次载人航天飞行等尖端技术领域等，舞钢产品均发挥了关键性作用。
　　2005年5月，国家正式批准舞钢新建百万吨宽厚钢板工程，舞钢进入了新的发展时期。舞钢将投资40多亿元，通过两年的努力，使企业综合实力在现有基础上翻一番，成为一个销售收入超百亿元的大型特钢集团和具有世界影响的国家优质宽厚板生产科研基地。