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北京城建揭秘鳥(niǎo)巢工程建設中鋼材等技術(shù)難題

作者：鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-23 10:01:31 [收藏]

    2006年底，最后一根5米長(cháng)的次結構箱型鋼構件，身披大紅緞花，徐徐進(jìn)入預定工位。這標志著(zhù)國家體育場(chǎng)的鋼結構安裝即將全部完成，“鳥(niǎo)巢”工程實(shí)現了完美合龍。在眾人欣賞這一工程的同時(shí)，“鳥(niǎo)巢”的建設者也向外界披露了他們在建設過(guò)程中的種種難題。
    “鳥(niǎo)巢”工程難度空前

    建設中的國家體育場(chǎng)是北京2008奧運會(huì )的主會(huì )場(chǎng)，奧運會(huì )期間可容納觀(guān)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(cháng)297m，南北長(cháng)333m。體育場(chǎng)建筑呈橢圓的馬鞍形，外殼是由約4.8萬(wàn)噸鋼結構有序編織成“鳥(niǎo)巢”狀的獨特建筑造型；體育場(chǎng)內部為上、中、下三層碗狀看臺。觀(guān)眾坐席下為5-7層混凝土框架結構。

    由于設計理念凸顯“綠色奧運”，“鳥(niǎo)巢”在施工中有很多難題是獨一無(wú)二的，在國際上沒(méi)有現成的參考答案，只有依靠自己的科技創(chuàng )新獨立解決。

    北京城建集團國家體育場(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，設計師追求的是雜亂無(wú)序、渾然天成的建筑結構造型，只是在圖紙上畫(huà)出了一個(gè)造型，甚至是一條條曲線(xiàn)，這種曲線(xiàn)不是用一個(gè)數字函數就能夠表現出來(lái)的，我們只能采用樣條函數曲線(xiàn)去描出來(lái)?！眴尉蜏y量來(lái)說(shuō)，難度就很大。傳統的經(jīng)緯儀不行，只能用全站儀進(jìn)行監控。高峰期光全站儀就用了11臺……”

    組成智囊團破解難題

    在技術(shù)人員感嘆“鳥(niǎo)巢”工程難度的同時(shí)，北京城建集團董事長(cháng)劉龍華，北京城建集團總經(jīng)理徐建云也都在思考著(zhù)如何破解這些世界性建筑難題。在建設高峰期，每周他們都親自到現場(chǎng)召開(kāi)工程協(xié)調會(huì )，為解決技術(shù)難題出謀劃策。

    針對國家體育場(chǎng)工程由于十分獨特的設計特點(diǎn)而帶來(lái)的極為復雜的施工技術(shù)，北京城建集團優(yōu)中選優(yōu)，抽調了各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的優(yōu)秀人才，老中青結合，組成“鳥(niǎo)巢”建設的“智囊團隊”，任命譚曉春為國家體育場(chǎng)工程總承包部經(jīng)理。

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

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

    針對“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目。

    “鳥(niǎo)巢”鋼材全部國產(chǎn)

    “鳥(niǎo)巢”這個(gè)輻射式旋轉而成的夢(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，是國際上最大的鋼結構工程，帶來(lái)一系列結構難題?！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。這種鋼材在國內還是個(gè)空白。必須盡快研制出一種把這些相對立的特性統一起來(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)導和寶鋼、首鋼、鞍鋼、武鋼和舞鋼等國內7家鋼鐵巨頭的老總。會(huì )議的原因，來(lái)自“鳥(niǎo)巢”特殊的結構要求。

    “鳥(niǎo)巢”結構設計奇特新穎，鋼結構最大跨度達到343米。如果使用普通鋼材，受力厚度至少要達到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“鳥(niǎo)巢”的特殊用鋼進(jìn)行專(zhuān)項研究。最終，為舞陽(yáng)鋼鐵廠(chǎng)提供了指導性的軋制方案。

    2005年7月，為“鳥(niǎo)巢”準備的110毫米厚的Q460E鋼板經(jīng)過(guò)舞陽(yáng)鋼廠(chǎng)的反復實(shí)驗，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等高強度鋼材的生產(chǎn)訂單。在奧運工程中，所有鋼材全部實(shí)現國產(chǎn)。

    自主研究完成澆筑

    “鳥(niǎo)巢”的外罩由不規則的鋼結構構件編織而成，里面的混凝土結構與鋼結構相互獨立，建筑師在混凝土看臺和鋼結構外罩之間的空間里，設計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構要求，又能不影響“鳥(niǎo)巢”的整體美觀(guān)？

    北京城建集團國家體育場(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。先像其他混凝土結構一樣綁扎好鋼筋籠，然后再從上面一節一節套上方鋼管，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(guān)，卻加大了施工難度。

    邊長(cháng)一米的方鋼管被連接成120多根長(cháng)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兩次。最高的鋼柱全長(cháng)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到59度，鋼柱的最大自轉角度超過(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。何況鋼管內部還密布著(zhù)鋼筋網(wǎng)格―――縱向排列著(zhù)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，工程建設者只能試著(zhù)從上口往鋼管里澆筑，每天從早到晚只能澆筑四五米。北京城建集團國家體育場(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)工程設計專(zhuān)家、氣象專(zhuān)家、焊接專(zhuān)家、鋼結構專(zhuān)家的論證，2006年8月26日零點(diǎn)整，“鳥(niǎo)巢”鋼結構主體工程，在100多名焊工手中開(kāi)始合龍。這標志著(zhù)這座設計新穎、造型獨特的鋼結構工程安裝進(jìn)入倒計時(shí)階段。

    “鳥(niǎo)巢”主結構上合龍口有100多個(gè)，次結構28個(gè)。合龍口要求精度非常高。合龍前，需要對接口進(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，項目質(zhì)量人員對每個(gè)焊縫都進(jìn)行探傷檢測，保證道道焊縫絕對合格。

    此次合龍有一大難點(diǎn)，就是對焊接的溫度要求相當高，鋼結構合龍溫度控制好壞，將直接影響到鋼結構的安裝安全。經(jīng)過(guò)工程技術(shù)人員對北京市百年來(lái)氣象資料的分析，找到適宜的合龍時(shí)間，經(jīng)過(guò)認真計算，確定了19℃±4℃為最佳合龍溫度。為確保溫度測量準確，工程技術(shù)人員在鋼結構上設立了60個(gè)觀(guān)測點(diǎn)。

    合龍計劃分三次完成，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)行立面次結構合龍。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，這對降低鋼梁表面溫度有利，工程技術(shù)人員緊緊盯著(zhù)現場(chǎng)上的溫度測量數據傳送終端?？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，鋼結構合龍終于在次日凌晨順利完成。

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


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