论文部分内容阅读
[摘 要]国家体育场（鸟巢）作为第29届北京奥运会的主会场，不仅是特级体育建筑，又同时是独一无二而又史无前例的地标性建筑。在我国钢结构领域中，鸟巢工程创造了多项第一。为了深入了解国家体育场在钢结构方面的创新技术，通过查阅大量的相关文献和资料对国家体育场钢结构施工方案及施工过程深入细致地了解，更加全面完善地认识了国家体育场钢结构施工难点和突破性解决方案。国家体育场的建造极大地提高了我国钢结构技术，使得我国钢结构技术有了创新性、突破性地提高。
[关键词]国家体育场，钢结构，创新技术，施工难点，解决方案
中图分类号：S271 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）08-0382-03
1 鸟巢概况及钢结构概况
国家体育场是2008年北京奥运会的主会场，坐落于北京城中轴线的北端、奥林匹克公园的中心区南部，可容纳观众91000人。整个体育场呈现马鞍形，其顶面两侧最高点高度为68.5m，中间最低点高度为42.8m，南北长为332.3m，东西宽为296.4m；建筑顶面中央有一长轴为185.3m、短轴为127.5m的椭圆形开口。共有24根桁架柱，相邻柱距为37.958m，24根桁架柱以螺旋的方式相互交叉成网格状，十分有规律，就像一个由枝条编织构造成的鸟巢，故国家体育场又名“鸟巢”。如图1所示。
钢结构分为三部分。第一部分安装在外围，是钢主结构。钢结构主结构由24榀门式桁架组成，其中22榀是直线贯通或近似直线贯通。24根桁架柱环绕混凝土碗状看台，支撑着整座建筑的重量。第二部分钢梁连接于外层钢梁间的空隙，对钢结构起着固定作用。第三部分次钢梁主要固定屋顶膜结构和支撑各层楼梯。
钢结构对钢材质的选择有不同的要求，对钢梁的要求尤为严格，钢材需要有足够的强度来承受弯曲，又要有足够的韧性来抵抗住地震的破坏。其中应用在4个柱脚和6根桁架柱的Q460钢材，由国内自主研制，在我国建筑钢材中初次应用。完成本次工程的总钢量约为42000吨。
2 钢结构施工方案
国家体育场工程规模大，构建吨位重，并且为了保证在总工期内顺利完工，混凝土看台先施工，之后再进行钢结构的安装。在钢结构跨度较大的安装中，一般的安装方案有整体提升、滑移、分段吊装高空组拼方法（即散装法）及局部提升等几类。整体提升法先要利用地面拼装，再选择合适吊点将钢结构整体提升，若选用此方案混凝土看台则不能先施工，总工期将会大大延长，而滑移法对施工场地面积有要求，均不适宜作为钢结构的安装方案。
在对比考虑散装法和局部提升法后，最终决定采用高空散装法作为钢结构总体安装方案。主要原因如下：
1）在修改了屋盖钢结构的设计后已不存在原本含义上的“内环桁架”；
2）改动过的屋盖边界相比原来有所扩大，到达跑道外侧及看台的边缘，若整体拼装会影响混凝土看台的施工。
3 钢结构施工过程
钢结构施工过程大致如下：临时塔架的选定和安装；主结构吊装；主结构合拢及卸载；次结构吊装。其中，主结构安装时分为南北两区域进行同步安装，次结构则在支撑塔架拆卸后安装。钢结构的安装共分为三个阶段，并将体育场划分为八个不同区域，首先完成1、2区域的安装；其次安装3、4区域，最后阶段安装5、6、7、8区域。如图2所示。
在安装主结构及钢结构转变为自身受力时，支撑塔架起到十分重要的作用，因此支撑塔架要具有抗风、抗震功能及良好的稳定性。选取78个支撑塔架分外、中、内三圈分布，并通过钢丝绳连成整体。如图3所示。
进行主结构吊装时，整个钢结构系统的施工分成两大施工区域，两大施工区域“分区进行，对称安装”。如图4所示。先安装主体钢结构的钢柱，之后再安装主桁架，以确保整体的钢结构外观能够尽快成型。
合拢焊接分三次进行。4条主桁架合拢线位于屋盖顶面，基于钢主结构吊装分两区同时进行，再另设两条合拢线可尽可能缩短完工时间。立面次结构沿主体钢结构合拢断面相应的柱间位置设置4条合拢线。为了达到质量要求，合拢时的温度有一定的要求，需接近北京的年平均气温。主结构合拢温度控制在15℃～23℃，之后的次结构合拢温度控制在11℃～23℃。
卸载工作是从最外层逐步往里进行，但实际操作时，中圈和内圈同时进行卸载工作。指挥中心实时监控测量三圈各位点的位移量。用千斤顶举起每一根钢柱，暂时承擔起高达300吨的负荷，拆除支柱后，再让千斤顶缓缓下降，钢结构也随之下降。卸载过程持续一周，重力重新分布，鸟巢下沉26.5cm。
4 施工难点及对策
4.1 节点交汇多、节点复杂
国家体育场的构件均为箱型断面杆件，本工程1/3以上的构件采用空间弯扭构件，无固定的线型。为了表现外部钢结构交织的外观形态，其结构中有多处空间交汇的现象，而且次结构变化多样、可循的规律不多，导致主结构的节点也种类多样、结构复杂。因此无论是制作还是安装的难度都大大增加，精度要求也大于同类施工项目。如图5所示。
对策：提高了焊接技术和焊接环境的要求，利用弯扭板件无膜成型技术保证了节点的加工工艺，首次引入三维坐标测量系统用于弯扭构型质量检测，多次进行工艺评定，以解决节点复杂多样的难题。
4.2 构件组装困难、翻身及吊装难度大
桁架柱与主桁架外形结构复杂多样，组装困难。并且质量大，体积大，需分段吊装，如此构件的吊装为国内外建筑钢结构史上首创。如图6所示。由于不同吊装单元的重心位置不同，吊装单元都需要全面而精确计算翻身吊装时吊点和吊耳的选择、吊装单元三向受力情况和受力变化情况，以保证吊装和翻身时的稳定性。钢结构采用散装法分段吊装有一弊端，桁架柱还未与主体结构连为整体时，吊件在高空中受风力影响较大，会使吊装单元难以保持稳定。因此，采用合理的吊装顺序（尽量首尾相接、分块吊装）和侧向稳定措施（如拉锚、缆风绳等）。 对策：桁架柱选择卧拼法，主桁架选择平拼法，而内圈主桁架则选择立拼法组装，并且提前吊装。翻身工作安排在拼装工作和吊装工作之间。吊装时体育场南北两区使用2台吊车同步施工，内圈主桁架提前吊装。
4.3 质量与施工要求高
本工程无论是外观质量，如外形尺寸、焊缝外观，还是内在质量，如焊缝质量等级、焊接残余应力消除等，都要求相当高。本次工程的钢结构不仅位置和方向性极强，而且易受现场环境、温度变化、自身重力等多种因素的影响，而这些自身因素和外界因素是很难把控的。
对策：施工前需精密计算，尽可能地减小安装时可能出现的误差。采取措施来解决施工中的问题，如控制钢结构的形变量，保障工程的安全与质量，达到预期的效果。并且进行了焊接性及热加工试验研究，以提高钢材的耐热、抗冲击及抗冷裂性能。
4.4 焊接量大、难度大、合拢口数众多
钢结构节点多，吊装单元单体质量大、体积大，都属于焊接吊装。此次工程焊接量大，焊缝长度加起来可达30万m。焊接位置也多种多样，包括平焊、横焊、立焊及难度最大的仰焊。合拢的目的是为了确保支撑塔架卸载和后续肩部次结构及顶面次结构的安装。主桁架设置了四条合拢线，立面结构同样也设置了四条合拢线。如图7所示。因为钢材易受温度影响，而发生热胀冷缩，所以合拢口的焊接需要在19±4℃的温度范围下进行，这样一来，最好的焊接时间则在夜间，再加上施工时间跨越冬雨季，需防止钢材在低温下发生脆化和出现裂纹，这就加大了焊接及合拢的难度。
对策：特训出250名技术熟练、耐性好的焊工来完成本次焊接任务，尤其对于角度刁钻、易受重力影响的仰焊，更是进行了强化培训以保证焊接任务能够保质保量完成。計划好施工作业时间，尽量避免低温、雨季对按时顺利完工的干扰。
4.5 卸载点多、重量重、同步控制难度大
本次卸载工作不仅卸载吨位大，而且卸载点数量多，78个卸载点受力情况各不相同。由于支撑塔架分为外中内三圈，加之考虑钢结构的受力及形变情况，确定采用“分阶段整体分级同步卸载”的原则进行卸载。卸载过程中，整个钢结构的重力会重新分布，会逐渐由支撑塔架受力转变为建筑本身单独受力，需精密的计算分析和技术保障。
对策：此次卸载过程以液压千斤顶作为动力，以由中心指挥的计算机同步控制系统作为控制设备。工具卸载全过程由在场中央实时监控、指挥，并进行操作和管理，中央控制器位于体育场中央。整个支撑塔架的体系分成外圈、中圈及内圈，以此进行分圈卸载。
5 结语
鸟巢钢结构工程自2005年10月28日正式开工，到2006年11月30日实现钢结构圆满封顶。针对钢结构施工过程各个环节面临的难点，顺利地解决了钢结构节点制作复杂、翻身及吊装难度大、安装精度控制难、焊接难度大、合拢实施难度大、卸载点多及吨位重等系列问题，保障了国家体育场钢结构工程顺利完工，确保了工程高质量，同时使得我国钢结构建筑上了一个新的台阶。
参考文献
[1] 李久林，杨俊锋，杨庆德，等.国家体育场（鸟巢）工程施工新技术综述[J].建筑技术，2008，39（8）：564-575.
[2] 刘树屯，李久林，高树栋，等."鸟巢"钢结构关键施工技术[C]//全国现代结构工程学术研讨会.2006.
[3] 邱德隆，李久林，黄卫东，等.国家体育场钢结构-"鸟巢"的安装与合拢控制[J].建筑施工，2007，29（5）：309-312.
[4] 李久林，杨俊锋，杨庆德，等.国家体育场（鸟巢）工程施工新技术综述[J].建筑技术，2008，39（8）：564-575.
[5] 高树栋，李久林，刘树屯，等."鸟巢"钢结构施工难点及对策[C]//全国现代结构工程学术研讨会.2007.
[6] 刘树屯，李久林，高树栋，等."鸟巢"钢结构关键施工技术[C]//全国现代结构工程学术研讨会.2006.
[7] 戴为志，黄明鑫，芦广平，等.国家体育场（鸟巢）钢结构安装工程焊接技术[J].电焊机，2008，38（4）：51-76.
[8] 邱德隆，李久林，杨俊峰，等.国家体育场钢结构支撑卸载分析[J].施工技术，2006，35（12）：32-35.
作者介绍
江西省南康中学高三（15）班，导师：梁佳华，导师介绍：北京航空航天大学建筑与土木工程学院。
[关键词]国家体育场，钢结构，创新技术，施工难点，解决方案
中图分类号：S271 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）08-0382-03
1 鸟巢概况及钢结构概况
国家体育场是2008年北京奥运会的主会场，坐落于北京城中轴线的北端、奥林匹克公园的中心区南部，可容纳观众91000人。整个体育场呈现马鞍形，其顶面两侧最高点高度为68.5m，中间最低点高度为42.8m，南北长为332.3m，东西宽为296.4m；建筑顶面中央有一长轴为185.3m、短轴为127.5m的椭圆形开口。共有24根桁架柱，相邻柱距为37.958m，24根桁架柱以螺旋的方式相互交叉成网格状，十分有规律，就像一个由枝条编织构造成的鸟巢，故国家体育场又名“鸟巢”。如图1所示。
钢结构分为三部分。第一部分安装在外围，是钢主结构。钢结构主结构由24榀门式桁架组成，其中22榀是直线贯通或近似直线贯通。24根桁架柱环绕混凝土碗状看台，支撑着整座建筑的重量。第二部分钢梁连接于外层钢梁间的空隙，对钢结构起着固定作用。第三部分次钢梁主要固定屋顶膜结构和支撑各层楼梯。
钢结构对钢材质的选择有不同的要求，对钢梁的要求尤为严格，钢材需要有足够的强度来承受弯曲，又要有足够的韧性来抵抗住地震的破坏。其中应用在4个柱脚和6根桁架柱的Q460钢材，由国内自主研制，在我国建筑钢材中初次应用。完成本次工程的总钢量约为42000吨。
2 钢结构施工方案
国家体育场工程规模大，构建吨位重，并且为了保证在总工期内顺利完工，混凝土看台先施工，之后再进行钢结构的安装。在钢结构跨度较大的安装中，一般的安装方案有整体提升、滑移、分段吊装高空组拼方法（即散装法）及局部提升等几类。整体提升法先要利用地面拼装，再选择合适吊点将钢结构整体提升，若选用此方案混凝土看台则不能先施工，总工期将会大大延长，而滑移法对施工场地面积有要求，均不适宜作为钢结构的安装方案。
在对比考虑散装法和局部提升法后，最终决定采用高空散装法作为钢结构总体安装方案。主要原因如下：
1）在修改了屋盖钢结构的设计后已不存在原本含义上的“内环桁架”；
2）改动过的屋盖边界相比原来有所扩大，到达跑道外侧及看台的边缘，若整体拼装会影响混凝土看台的施工。
3 钢结构施工过程
钢结构施工过程大致如下：临时塔架的选定和安装；主结构吊装；主结构合拢及卸载；次结构吊装。其中，主结构安装时分为南北两区域进行同步安装，次结构则在支撑塔架拆卸后安装。钢结构的安装共分为三个阶段，并将体育场划分为八个不同区域，首先完成1、2区域的安装；其次安装3、4区域，最后阶段安装5、6、7、8区域。如图2所示。
在安装主结构及钢结构转变为自身受力时，支撑塔架起到十分重要的作用，因此支撑塔架要具有抗风、抗震功能及良好的稳定性。选取78个支撑塔架分外、中、内三圈分布，并通过钢丝绳连成整体。如图3所示。
进行主结构吊装时，整个钢结构系统的施工分成两大施工区域，两大施工区域“分区进行，对称安装”。如图4所示。先安装主体钢结构的钢柱，之后再安装主桁架，以确保整体的钢结构外观能够尽快成型。
合拢焊接分三次进行。4条主桁架合拢线位于屋盖顶面，基于钢主结构吊装分两区同时进行，再另设两条合拢线可尽可能缩短完工时间。立面次结构沿主体钢结构合拢断面相应的柱间位置设置4条合拢线。为了达到质量要求，合拢时的温度有一定的要求，需接近北京的年平均气温。主结构合拢温度控制在15℃～23℃，之后的次结构合拢温度控制在11℃～23℃。
卸载工作是从最外层逐步往里进行，但实际操作时，中圈和内圈同时进行卸载工作。指挥中心实时监控测量三圈各位点的位移量。用千斤顶举起每一根钢柱，暂时承擔起高达300吨的负荷，拆除支柱后，再让千斤顶缓缓下降，钢结构也随之下降。卸载过程持续一周，重力重新分布，鸟巢下沉26.5cm。
4 施工难点及对策
4.1 节点交汇多、节点复杂
国家体育场的构件均为箱型断面杆件，本工程1/3以上的构件采用空间弯扭构件，无固定的线型。为了表现外部钢结构交织的外观形态，其结构中有多处空间交汇的现象，而且次结构变化多样、可循的规律不多，导致主结构的节点也种类多样、结构复杂。因此无论是制作还是安装的难度都大大增加，精度要求也大于同类施工项目。如图5所示。
对策：提高了焊接技术和焊接环境的要求，利用弯扭板件无膜成型技术保证了节点的加工工艺，首次引入三维坐标测量系统用于弯扭构型质量检测，多次进行工艺评定，以解决节点复杂多样的难题。
4.2 构件组装困难、翻身及吊装难度大
桁架柱与主桁架外形结构复杂多样，组装困难。并且质量大，体积大，需分段吊装，如此构件的吊装为国内外建筑钢结构史上首创。如图6所示。由于不同吊装单元的重心位置不同，吊装单元都需要全面而精确计算翻身吊装时吊点和吊耳的选择、吊装单元三向受力情况和受力变化情况，以保证吊装和翻身时的稳定性。钢结构采用散装法分段吊装有一弊端，桁架柱还未与主体结构连为整体时，吊件在高空中受风力影响较大，会使吊装单元难以保持稳定。因此，采用合理的吊装顺序（尽量首尾相接、分块吊装）和侧向稳定措施（如拉锚、缆风绳等）。 对策：桁架柱选择卧拼法，主桁架选择平拼法，而内圈主桁架则选择立拼法组装，并且提前吊装。翻身工作安排在拼装工作和吊装工作之间。吊装时体育场南北两区使用2台吊车同步施工，内圈主桁架提前吊装。
4.3 质量与施工要求高
本工程无论是外观质量，如外形尺寸、焊缝外观，还是内在质量，如焊缝质量等级、焊接残余应力消除等，都要求相当高。本次工程的钢结构不仅位置和方向性极强，而且易受现场环境、温度变化、自身重力等多种因素的影响，而这些自身因素和外界因素是很难把控的。
对策：施工前需精密计算，尽可能地减小安装时可能出现的误差。采取措施来解决施工中的问题，如控制钢结构的形变量，保障工程的安全与质量，达到预期的效果。并且进行了焊接性及热加工试验研究，以提高钢材的耐热、抗冲击及抗冷裂性能。
4.4 焊接量大、难度大、合拢口数众多
钢结构节点多，吊装单元单体质量大、体积大，都属于焊接吊装。此次工程焊接量大，焊缝长度加起来可达30万m。焊接位置也多种多样，包括平焊、横焊、立焊及难度最大的仰焊。合拢的目的是为了确保支撑塔架卸载和后续肩部次结构及顶面次结构的安装。主桁架设置了四条合拢线，立面结构同样也设置了四条合拢线。如图7所示。因为钢材易受温度影响，而发生热胀冷缩，所以合拢口的焊接需要在19±4℃的温度范围下进行，这样一来，最好的焊接时间则在夜间，再加上施工时间跨越冬雨季，需防止钢材在低温下发生脆化和出现裂纹，这就加大了焊接及合拢的难度。
对策：特训出250名技术熟练、耐性好的焊工来完成本次焊接任务，尤其对于角度刁钻、易受重力影响的仰焊，更是进行了强化培训以保证焊接任务能够保质保量完成。計划好施工作业时间，尽量避免低温、雨季对按时顺利完工的干扰。
4.5 卸载点多、重量重、同步控制难度大
本次卸载工作不仅卸载吨位大，而且卸载点数量多，78个卸载点受力情况各不相同。由于支撑塔架分为外中内三圈，加之考虑钢结构的受力及形变情况，确定采用“分阶段整体分级同步卸载”的原则进行卸载。卸载过程中，整个钢结构的重力会重新分布，会逐渐由支撑塔架受力转变为建筑本身单独受力，需精密的计算分析和技术保障。
对策：此次卸载过程以液压千斤顶作为动力，以由中心指挥的计算机同步控制系统作为控制设备。工具卸载全过程由在场中央实时监控、指挥，并进行操作和管理，中央控制器位于体育场中央。整个支撑塔架的体系分成外圈、中圈及内圈，以此进行分圈卸载。
5 结语
鸟巢钢结构工程自2005年10月28日正式开工，到2006年11月30日实现钢结构圆满封顶。针对钢结构施工过程各个环节面临的难点，顺利地解决了钢结构节点制作复杂、翻身及吊装难度大、安装精度控制难、焊接难度大、合拢实施难度大、卸载点多及吨位重等系列问题，保障了国家体育场钢结构工程顺利完工，确保了工程高质量，同时使得我国钢结构建筑上了一个新的台阶。
参考文献
[1] 李久林，杨俊锋，杨庆德，等.国家体育场（鸟巢）工程施工新技术综述[J].建筑技术，2008，39（8）：564-575.
[2] 刘树屯，李久林，高树栋，等."鸟巢"钢结构关键施工技术[C]//全国现代结构工程学术研讨会.2006.
[3] 邱德隆，李久林，黄卫东，等.国家体育场钢结构-"鸟巢"的安装与合拢控制[J].建筑施工，2007，29（5）：309-312.
[4] 李久林，杨俊锋，杨庆德，等.国家体育场（鸟巢）工程施工新技术综述[J].建筑技术，2008，39（8）：564-575.
[5] 高树栋，李久林，刘树屯，等."鸟巢"钢结构施工难点及对策[C]//全国现代结构工程学术研讨会.2007.
[6] 刘树屯，李久林，高树栋，等."鸟巢"钢结构关键施工技术[C]//全国现代结构工程学术研讨会.2006.
[7] 戴为志，黄明鑫，芦广平，等.国家体育场（鸟巢）钢结构安装工程焊接技术[J].电焊机，2008，38（4）：51-76.
[8] 邱德隆，李久林，杨俊峰，等.国家体育场钢结构支撑卸载分析[J].施工技术，2006，35（12）：32-35.
作者介绍
江西省南康中学高三（15）班，导师：梁佳华，导师介绍：北京航空航天大学建筑与土木工程学院。