“鸟巢”孵化体育强国的另一奇迹

摄影/王平华

近一段时间来,国外媒体表现出了对我国建筑设计前所未有的关注.美国《商业周刊》评选出了我国十大新建筑奇迹,北京奥运会主会场――国家体育场“鸟巢”位例第一.我国正逐步成为当今最具有创意性建筑和工程设计的舞台.当全球瞩目北京2008年奥运会时,不单是世界上最快及最具实力的运动员们正在为争取最高荣誉而加紧努力,新一代的创新建筑也正在北京的土地上拔地而起.由于有蒸蒸日上的经济作为强大支持,世界上最大的航空港、有节能环保的建筑及世界上最高的室外观光台等将很快――落户我国.为让“鸟巢”这个有着9.1个座位的、可能是至今最大的环保型体育场获得自然通风,建筑师从自然中获得了灵感,独创了一个未完全密封,但同样能为观众和运动员遮风挡雨的外壳.体育场的外观犹如一个由枝条编织而成的鸟巢,而其内部,从休息室到饭店,每一个分开的空间都是一个独立的单元,从而使自然空气的形成流通.无论是艺术的造型,还是环保的理念,凸现了种种的创意和独到之处,被评为我国十大新建筑奇迹是实至名归.

――编者

举世瞩目的第29届北京奥运会主会场――国家体育场“鸟巢”工程,在经历两年多的建设后,于2006年9月17日完成了钢结构施工的最后一个环节――整体卸载,钢结构由被外力支撑的状态变成完全靠自己支撑,国家体育场真正从图纸变成现实.

高技术攻克核心难题,成功完成钢结构主桁架梁卸载

坐落在北京北四环北辰桥北侧的国家体育场工程,钢结构外观已基本成形.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.国家体育场主体结构分成两个部分,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.钢结构由24榀门式桁架柱围绕着体育场碗状看台区旋转而成.钢结构组件相互支撑、形成网格状构架,所有钢结构构件形成的结构及建筑外形,整体外观酷似“鸟巢”造型.这些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.看似轻灵的枝蔓总重达4.2万吨,其中,顶盖及周边悬空部位重量为1.4万吨,产生的重力难以想象.在“鸟巢”的建设过程中,78根临时搭建的支撑塔架支撑着这1.4万吨钢铁的枝蔓.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.卸载,就是将由这78根临时支撑塔架提供的支撑荷载卸去,让“鸟巢“由被外力支撑的状态,变成完全靠自己支撑.

根据受力计算,卸载需要遵循整体、同步、分级的原则.所谓“整体”、“同步”就是每次需要同时解除同圈支撑点的荷载.又因为所需卸除的荷载很大,重量重达1.4万吨,不能一步到位,需要“分7次”进行,也就是“分级”.专家们根据严密计算和论证,把卸载这一复杂的过程分为7次完成.每次又按照外圈、中圈、内圈、中圈、内圈的顺序依次进行,即先同时解除外圈的24个支撑点的荷载,再同时解除中圈的24个支撑点的荷载,之后解除内圈30个支撑点的荷载,然后再将中圈和内圈的支撑点荷载重复解除一次,上述5个小步骤完成即实现了一次卸载；如此循环重复7次,卸载完成.专家们又把这一过程简称为“七大步,五小步”,共计35步.卸载共设78个点,安装了156个千斤顶,用电脑统一发出指令,实施自动同步卸载的方法进行.这78个点上承担的荷载也不一样,最大的承载了320吨,最少的也承载120吨.

据2008工程建设指挥部的领衔专家侯兆欣介绍,在“鸟巢”钢结构卸载环节中,3项高新技术解决了卸载的3个核心难题.一是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,结合受力分析,精确演算出卸载次数和距离.比如外圈的点要卸7次,中圈和内圈的点要卸14次,将35次卸载的每一个点都精确到毫米.二是计算机液压同步控制系统：把78个卸载点分为6个区,设立分控制台和总控制台.在计算机统一指令下,保证每一批卸载的点整齐划一,快慢均匀地下降.如果最后一圈的30个点在卸载过程中出现一点问题,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.三是结构监测和安全检测系统：就像在医院的重症监护室,我们的血压和心脏都是在监测的,“鸟巢”里也设置了这样一个监测设备,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；施工检测系统针对施工质量和安全做检测,而结构的“健康”检测系统将沿用到奥运会结束,时刻“监护”“鸟巢”的“体质”.

4年风雨,国家体育场“鸟巢”从概念变成现实

2002年4月,北京市计划委员会成立了“奥运项目办公室”,专职负责奥运场馆和相关设施建设项目法人招投标的组织、协调.

2002年8月,同时,北京《国家体育场（2008年奥运会主体育场）建筑概念设计方案》举行国际竞赛.

2003年1月至2月,北京市政府确定了5名国家体育场项目合格申请人进入项目法人招标的第二阶段.

2003年4月,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,以新颖的设计,独特的结构,成为国家体育场的设计方案,“鸟巢”这一名字不胫而走.

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,中国中信集团联合体作为项目法人合作方招标的中标方与北京市政府草签了《特许权协议》、与北京市政府和北京奥组委草签了《国家体育场协议》,并与北京市国有资产经营有限责任公司签订了《合作经营合同》.

2003年9月,北京市国有资产经营有限责任公司与中国中信集团联合组成部分建国家体育场有限责任公司.两个月后,国家体育场有限责任公司与瑞中设计联合体草签了《国家体育场设计怎么写作合同》.

“鸟巢”于2003年12月24日上午9时15分破土动工.

2004年1月18日,国家体育场基础桩工程开始施工.

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.

2004年7月,为了进一步实现“节俭办奥运”,“鸟巢”暂时停工.

2004年11月下旬,有关单位完成了“鸟巢”的设计优化调整方案.优化调整后的方案维持了“鸟巢”的设计概念,取消了可开启屋盖、扩大了屋顶开孔,与原设计相比,钢结构用钢量减少了22.3％,膜结构减少了13％.

2004年12月28日,经过专家精心设计与重新评估,国家体育场工程正式复工,建设进程进入高速发展期.

2005年7月,“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.

2006年8月31日钢结构主体工程完成合龙.

2006年9月17日11时30分,鸟巢钢结构卸载中第7次35步的最后一次卸载完成.在整个钢结构与支撑点完全脱离的那一瞬间,真正的“鸟巢”诞生了!

“鸟巢”工程建设展示中国科技自主创新成果

以“鸟巢”为代表,奥运工程建设几乎成为了展示中国建筑、建材等科技成果的窗口和舞台.国家体育场大跨度的钢架结构、国家游泳中心的空间钢架结构都是目前建筑立面中比较罕见的结构形式.此外,在奥运场馆的建设中,还大量采用了包括深基础支护技术、新型大跨度钢结构施工、新型膜结构、新型水处理、新型能源利用等一批新技术；包括优质高强钢材、新型膜结构材料、新型节水及防水防渗材料、高标准绿色环保建材等大批优质、新型材料得到示范和应用.

鸟巢”项目总工程师李久林介绍说：“‘鸟巢’最具特点也是最复杂的一个地方是肩部弯扭构件的设计,这种大胆而巧妙的设计在世界建筑史上还没有先例.”除此之外,要把这种弯扭构件从设计变为现实,首先需要的就是符合设计要求的高强度钢材,而在当时所有国产钢材都达不到它的强度要求.最终,在设计单位、施工单位和国内钢厂的通力合作下,经过反复研究、试验,终于成功地轧出了符合施工要求、完全由我国自主研发的Q460高强度钢材,不仅为“鸟巢”建设赢得了时间,同时也填补了我国该项技术领域的空白.李久林骄傲地说：“整个工程的钢材全部实现了国产化,使用钢材700万吨,合格率达到100%.可以说,‘鸟巢’钢结构在国内建筑用钢史上树立了一个新的里程碑.”

没有专项技术标准,是很多奥运场馆施工时面临的最大问题.奥运场馆使用的钢材超过20种,厚度超过100种.其中,110毫米Q460钢板焊接技术标准,是众多空白中最核心的难点.

“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记录.应该预热多久,用什么温度焊接最合适?相关规范全是空白的.

厚钢板焊接技术及应用研究,成了奥运工程中又一项重大的自主创新突破.今后在建筑中如果再遇到同类的焊接要求,无论中国还是外国,都可以奉这套标准为圭臬.

随着奥运工程进度的不断推进,新标准、新工艺相继浮出水面――《国家体育场结构设计和施工关键技术研究》,其中包括大跨度结构温度场研究、钢结构复杂节点研究、弯扭构件设计理论研究和复杂焊接薄壁箱形构件设计理论研究等核心技术.

钢结构成功卸载,向世人宣告“鸟巢”钢结构施工诸多难题都被中国钢结构专家和建筑工人一一,也使国家体育场工程建设又进入了新阶段,为装修和膜结构施工赢得了宝贵的时间.

工程建设为奥运会后体育设施商业化运营提前做好准备

据介绍,“鸟巢”能容纳观众9万余人,2008年北京奥运会开、闭幕式都将在此举行,同时还将承担奥运会田径和足球项目的比赛.

“鸟巢”是我国首个采用公私合营方式的项目,由中信联合体出资42％,并获得30年的特许经营权.在这30年的运行过程中,如果盈利政府不分红,亏损政府也不补贴,30年之后,要保证把一个设施完好,能够举办国际赛事的体育场移交给政府.

为了能够收回投资,同时为国内并不景气的体育设施运营提供一个可供借鉴的范例,业主方国家体育场有限责任公司煞费苦心,在设计建设的过程中为赛后运营做预留.如在设计阶段充分考虑了在今后运营的这种需要,在体育场里面设计有宾馆,预留了所有接口,不需要进行大的拆装,通过简单的升级改造商业面积可达5万平方米,在赛后即可投入运营,可用作做超市、做电影院或是购物中心,降低了了改造成本.同时,通过和国际知名公司合作,举办大型赛事或文化活动,带动体育场的人流,提升自身品牌,提高广告等方面的综合收入.

奥运会后,“鸟巢”可承担重大体育比赛、各类常规赛事以及非竞赛项目活动,是北京奥运会的一座标志性建筑,将是北京奥运会留下的宝贵遗产,同时也将成为北京市民广泛参与体育活动及享受体育娱乐的一所大型专业场所.