国家体育场建筑节能案例

国家体育场位于北京奥林匹克公园中心区南部,为2008年第29届奥林匹克运动会的主体育场.工程总占地面积21公顷,建筑面积258,000M2.场内观众坐席约为91000个,其中临时坐席约11000个.将举行奥运会、残奥会开闭幕式、田径比赛及足球比赛决赛.奥运会后,它将成为北京市民广泛参与体育活动及享受体育娱乐的大型专业场所,并成为具有地标性的体育建筑和奥运遗产.

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.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上层ETFE膜和固定于钢结构下弦之下及内环侧壁的半透明下层PTFE声学吊顶.

打稳地基

“鸟巢”的建筑面积有25万多平方米,需要基础的钢筋混凝土灌注桩达2600多根,不仅数量巨大,而且由于“鸟巢”体量的庞大,每根灌注桩都要长约30米至40米.为了保证“鸟巢”的安全性,建筑团队先是制作了24根试验桩,在对这些试验桩的数据、参数进行了详细的记录和分析后,才最终开始进行钢筋混凝土灌注桩的施工.

混凝土结构牢固

“鸟巢”的底部是一圈混凝土环形带,其中最宽处有近200米,最窄处也有80米,而且整个环形带的长度有约1公里,如何保证这个超长混凝土环形结构的牢固不开裂成为了当时摆在建设者们面前的一个难题.为了避免因为混凝土结构过长所导致的裂缝,建设者首先在施工前进行了模拟计算、制作数学模型并进行仿真分析,最终对用于环形带的混凝土原材料进行了优化,同时配合先进的施工工艺,保证了环形带的不开裂.

钢柱内浇筑混凝土

“鸟巢”外罩由不规则的钢结构构件编织而成、其中边长一米的方钢管被连接成120多根长短不同、倾斜角度多样的钢柱,70%以上都是双斜柱――一根柱子在垂直面上扭转两次.最高的钢柱全长21米、横跨体育场一至四层,最倾斜的钢柱和地面的夹角达到59度,钢柱的最大自转角度超过45度.为了给这些高大倾斜、看似杂乱的异型钢管里浇筑混凝土,建设者们最终通过采取高压顶升、从钢管底部注入混凝土,由底部向上顶逐步填充的方案才解决了这个难题.

国产钢结实耐用

为了保证“鸟巢”的安全性,在“鸟巢”受力最为集中的24根柱子和柱角上使用了我国自主创新生产的Q460特型钢材.科研人员通过几千次的试验最终寻找到了钢材合适的配方配比,生产出了符合“鸟巢”使用要求的110毫米厚的Q460E-Z35.这是一种史无前例的特殊钢材,它集刚强、柔韧于一体,保证了“鸟巢”的抗震性、抗低温性、焊接性.保证“鸟巢”在承受最大460兆帕的外力后,依然可以恢复原有形状和弹性.

焊缝长度达30万米

“鸟巢”钢结构动工之前,施工单位对全世界150多个钢铁焊接的大型数据库进行了详细的检索,结果发现根本找不到任何规范记录.最难的还是对季节天气的把握,跨越冬季和雨季的焊接施工,必须拥有一套完整的焊接参数和标准.特别是在温度控制方面,5度的微小偏差就可能威胁到“鸟巢”的质量安全.科研人员在100多种钢材之间反复进行可焊性实验.实验一直持续了五个多月,最终制定出了准确科学的设计规范.据统计,“鸟巢”的焊缝达到30万米,相当于从北京到天津打个来回还多,光特制焊接材料就用掉了2000吨.

成功卸载

“鸟巢”是世界上跨度最大的钢结构建筑,纵横交错的钢铁枝蔓是“鸟巢”设计中最华彩的部分,也是“鸟巢”建设中最艰难的地方.看似轻灵的钢结构总重达4.2万吨,由78个临时搭建的支撑塔架支撑.卸载就是在完成钢结构的合拢,形成整体结构后,卸除临时支撑.为了让“鸟巢”均匀、渐进地自主受力,卸载工程分成七大步、三十五小步,分批撤掉78个临时支撑点.根据测算,“鸟巢”钢结构支撑塔架卸载最大变形量实测值271毫米,远远低于最大下沉距离的30厘米,完全满足设计要求.卸载的成功完成也标志着“鸟巢”真正从图纸上“站”了起来.

建筑寿命达100年以上

为了能让“鸟巢”具有更长的使用寿命,科研人员还专门对它所使用的混凝土进行抗裂研究.在进行了几百次试验后,最终通过提高混凝土的抗碳化能力、增加保护层厚度等工艺,大大提高了“鸟巢”的建筑寿命.根据测试,“鸟巢”主体结构设计使用年限达到100年以上,局部结构甚至可达120年,耐火等级为一级,抗震设防烈度8度.

双层膜结构效果

除了特殊的钢结构以及外形之外,“鸟巢”还拥有世界上最大的透明顶棚.“鸟巢”的顶棚由两层膜组成,其中外层膜由884块ETFE膜组成.在这884块膜中面积最小的不超过1平方米,而面积最大的达到250平方米,整个铺设面积接近4万平方米.ETFE膜还具备自洁功能,下雨就能够清除污垢,另外还能滤去紫外线.内层膜则是PTFE膜,实际上就是一层“隔音幕”,它紧紧地包住了所有的看台,加上一些声学技术的处理,能够较好地解决噪声问题.另外,这层膜也能够遮蔽钢结构屋顶和一些设备、管道,起到了美观的作用.

角落都能听到清晰广播

9万多人同时观赛,现场声音会非常嘈杂,如果场内没有良好吸声材料,无论运动员还是观众都将很难听清广播.除了“鸟巢”内层的PTFE膜可以起到声学吊顶的作用外,它的钢结构上也有吸音材料,配合“鸟巢”内高性能的电声扩音系统,使“鸟巢”内部的语音清晰度指标指数能够达到0.6――这个数值完全能够保证坐在任何角落的观众都能清晰收听到场内广播.

座位都能享受到自然风

由于没有墙的遮挡,“鸟巢”可以让风自由流通,保证了运动场的通透.经过设计师们的多次论证,它借用了流体力学设计中的一种计算机CFD模拟方法,对观众席进行了热舒适度、风舒适度的模拟分析实验,可以精确地模拟出9万多人同时观赛时的自然通风状况.目前“鸟巢”所有的通风设施都是按照这个模拟分析对外国设计师的图纸进行调整优化的结果.无论观众坐在上层看台还是下层看台、普通座位还是VIP席,都能享受到自然光和自然风.

“鸟巢”外形结构主要由巨大的门式钢架组成,共有24根桁架柱,现已完成20根桁架柱整柱及2根下柱吊装.国家体育场建筑顶面呈鞍形,长轴为332.3米,短轴为296.4米,最高点高度为68.5米,最低点高度为42.8米.在保持“鸟巢”建筑风格不变的前提下,新设计方案对结构布局、构建截面形式、材料利用率等问题进行了较大幅度的调整与优化.原设计方案中的可开启屋顶被取消,屋顶开口扩大,并通过钢结构的优化大大减少了用钢量.大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上,柱距为37.96米.主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置,有22榀主桁架直通或接近直通.为了避免出现过于复杂的节点,少量主桁架在内环附近截断.钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件,交叉布置的主桁架与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型.主看台部分采用钢筋混凝土框架――剪力墙结构体系,与大跨度钢结构完全脱开.

“鸟巢”是2008年北京奥运会主体育场.由2001年普利茨克奖获得者赫尔佐格、德梅隆与中国建筑师合作完成的巨型体育场设计,形态如同孕育生命的“巢”,它更像一个摇篮,寄托着人类对未来的希望.设计者们对这个国家体育场没有做任何多余的处理,只是坦率地把结构暴露在外,因而自然形成了建筑的外观.

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多的科技攻关,前后3次试制终于获得成功.

此外,屋顶内环主桁架吊装和立面次结构安装已全面展开.“鸟巢”钢结构所使用的钢材厚度可达11厘米,以前从未在国内生产过.另外,在“鸟巢”顶部的网架结构外表面还将贴上一层半透明的膜.使用这种膜后,体育场内的光线不是直射进来的,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,同时也有为座席遮风挡雨的功能.

许多看过“鸟巢”设计模型的人这样形容：那是一个用树枝般的钢网把一个可容10万人的体育场编织成的一个温馨鸟巢.用来孕育与呵护生命的“巢”,寄托着人类对未来的希望.

整个体育场结构的组件相互支撑,形成网格状的构架,外观看上去就仿若树枝织成的鸟巢,其灰色矿质般的钢网以透明的膜材料覆盖,其中包含着一个土红色的碗状体育场看台.在这里,中国传统文化中镂空的手法、陶瓷的纹路、红色的灿烂与热烈,与现代最先进的钢结构设计完美地相融在一起.

整个建筑通过巨型网状结构联系,内部没有一根立柱,看台是一个完整的没有任何遮挡的碗状造型,如同一个巨大的容器,赋予体育场以不可思议的戏剧性和无与伦比的震撼力.这种均匀而连续的环形也将使观众获得最佳的视野,带动他们的兴奋情绪,并激励运动员向更快、更高、更强冲刺.在这里,人真正被赋予中心的地位.

更为匠心独具的是,“鸟巢”把整个体育场室外地形微微隆起,将很多附属设施置于地形下面,这样既避免了下挖土方所耗的巨大投资,而隆起的坡地在室外广场的边缘缓缓降落,依势筑成热身场地的2000个露天座席,与周围环境有机融合,并再次节省了投资.

评审委员会主席、中国工程院院士关肇邺评价说,这个建筑没有任何多余的处理,一切因其功能而产生形象,建筑形式与结构细部自然统一.

评审委员会和许多其他建筑界专家都认为,“鸟巢”将不仅为2008年奥运会树立一座独特的历史性的标志性建筑,而且在世界建筑发展史上也将具有开创性意义,将为21世纪的中国和世界建筑发展提供历史见证.

设计并搭建“鸟巢”不易,要让“鸟巢”在未来的日子里充满生机与活力更为不易.据介绍,“鸟巢”设计之初和深化设计的过程中,一直贯穿着节俭办奥运和可持续发展的理念,在满足奥运使用功能的前提下,充分考虑永久设施和临时设施的平衡.按照要求,“鸟巢”共设10万个座席,其中8万个是永久性的,另外两万个是奥运会期间临时增加的.

在此基础上,设计中将“鸟巢”的功能与周围地区日后定位乃至整个城市的中长远发展规划结合起来考虑.根据已确定的规划方案,“鸟巢”所在的奥林匹克公园中心区赛后将成为一个集体育竞赛、会议展览、文化娱乐、商务和休闲购物于一体的市民公共活动中心.作为北京奥运会主体育场,“鸟巢”将成为北京的标志性建筑之一,在相当长时期内,也将成为参观旅游的热点地区.同时,“鸟巢”在设计建设中,还在场地和空间的多功能上下了很大功夫,以提高场馆利用效率,除能够承担开幕、闭幕和体育比赛外,还将满足健身、商务、展览、演出等多种需求,为成功实施“后奥运开发”奠定了坚实的基础.

作为北京奥运会主体育场的国家体育场将采用太阳能光伏发电系统.“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”是北京奥运的三大主题,此次尚德太阳能光伏发电系统落户“鸟巢”,将清洁、环保的太阳能发电与国家体育场容为一体,不仅是对北京奥运会三大主题的极好体现,同时对于提倡使用绿色能源、有效控制和减轻北京及周边地区的大气污染,倡导绿色环保的生活方式将起到积极的推动作用和良好的示范效应.太阳能光伏发电系统技术目前处于世界先进水平,该太阳能发电系统是由无锡尚德太阳能电力有限公司自主研发并向国家体育场独家提供,安装在国家体育场的12个主通道上,总投资1000万元人民币,总容量130千瓦,对国家体育场的电力供应将起到良好的补充.

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