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北京城建揭秘鳥巢工程建設(shè)中鋼材等技術(shù)難題

作者：鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-23 10:01:31 [收藏]

    2006年底，最后一根5米長的次結(jié)構(gòu)箱型鋼構(gòu)件，身披大紅緞花，徐徐進(jìn)入預(yù)定工位。這標(biāo)志著國家體育場的鋼結(jié)構(gòu)安裝即將全部完成，“鳥巢”工程實(shí)現(xiàn)了完美合龍。在眾人欣賞這一工程的同時(shí)，“鳥巢”的建設(shè)者也向外界披露了他們在建設(shè)過程中的種種難題。
    “鳥巢”工程難度空前

    建設(shè)中的國家體育場是北京2008奧運(yùn)會的主會場，奧運(yùn)會期間可容納觀眾9.1萬人。工程占地面積20.4公頃，總建筑面積約25.8萬平方米，檐高68.5m，東西長297m，南北長333m。體育場建筑呈橢圓的馬鞍形，外殼是由約4.8萬噸鋼結(jié)構(gòu)有序編織成“鳥巢”狀的獨(dú)特建筑造型；體育場內(nèi)部為上、中、下三層碗狀看臺。觀眾坐席下為5-7層混凝土框架結(jié)構(gòu)。

    由于設(shè)計(jì)理念凸顯“綠色奧運(yùn)”，“鳥巢”在施工中有很多難題是獨(dú)一無二的，在國際上沒有現(xiàn)成的參考答案，只有依靠自己的科技創(chuàng)新獨(dú)立解決。

    北京城建集團(tuán)國家體育場總承包部總工程師李久林表示：“施工技術(shù)的難點(diǎn)，來源于工程的特點(diǎn)。這個工程與別的工程最大的不同點(diǎn)在于，設(shè)計(jì)師追求的是雜亂無序、渾然天成的建筑結(jié)構(gòu)造型，只是在圖紙上畫出了一個造型，甚至是一條條曲線，這種曲線不是用一個數(shù)字函數(shù)就能夠表現(xiàn)出來的，我們只能采用樣條函數(shù)曲線去描出來?！眴尉蜏y量來說，難度就很大。傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀不行，只能用全站儀進(jìn)行監(jiān)控。高峰期光全站儀就用了11臺……”

    組成智囊團(tuán)破解難題

    在技術(shù)人員感嘆“鳥巢”工程難度的同時(shí)，北京城建集團(tuán)董事長劉龍華，北京城建集團(tuán)總經(jīng)理徐建云也都在思考著如何破解這些世界性建筑難題。在建設(shè)高峰期，每周他們都親自到現(xiàn)場召開工程協(xié)調(diào)會，為解決技術(shù)難題出謀劃策。

    針對國家體育場工程由于十分獨(dú)特的設(shè)計(jì)特點(diǎn)而帶來的極為復(fù)雜的施工技術(shù)，北京城建集團(tuán)優(yōu)中選優(yōu)，抽調(diào)了各專業(yè)領(lǐng)域的優(yōu)秀人才，老中青結(jié)合，組成“鳥巢”建設(shè)的“智囊團(tuán)隊(duì)”，任命譚曉春為國家體育場工程總承包部經(jīng)理。

    集團(tuán)公司總工程師、鋼結(jié)構(gòu)專家張從思，集團(tuán)公司原副總工程師、機(jī)電專家石善友，集團(tuán)公司副總工程師、土建專家李清江都奉命來到國家體育場工地。一大批青年專家和專家顧問也扛著鋪蓋卷到“鳥窩”扎下營盤。

    集團(tuán)公司為支持“鳥巢”的自主創(chuàng)新，從本部科研經(jīng)費(fèi)中抽出200萬元，作為“鳥巢”的科研經(jīng)費(fèi)。專家組聯(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(shè)立科研課題，開展科技攻關(guān)。

    針對“鳥巢”技術(shù)難題，14個課題組成立了。各自盡快入題到位。由于科技先行，“鳥巢”施工中的一個個技術(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(xiàng)目。

    “鳥巢”鋼材全部國產(chǎn)

    “鳥巢”這個輻射式旋轉(zhuǎn)而成的夢幻般造型，使得4.8萬噸鋼的受力點(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(yīng)力。什么樣的鋼才能夠支撐起如此大的體量？這是技術(shù)人員遇到的第一個難題。

    “由于工程本身體量大，是國際上最大的鋼結(jié)構(gòu)工程，帶來一系列結(jié)構(gòu)難題。”邱德隆，這位1996年畢業(yè)于清華大學(xué)水利工程系的博士這樣說道，“采用什么鋼板焊接是個難題。這種鋼材在國內(nèi)還是個空白。必須盡快研制出一種把這些相對立的特性統(tǒng)一起來的特殊鋼材，才能破解鳥巢用鋼的難題。”

    2005年3月12日，一次特殊的會議在北京舉行。會議成員是北京市委、市政府領(lǐng)導(dǎo)和寶鋼、首鋼、鞍鋼、武鋼和舞鋼等國內(nèi)7家鋼鐵巨頭的老總。會議的原因，來自“鳥巢”特殊的結(jié)構(gòu)要求。

    “鳥巢”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奇特新穎，鋼結(jié)構(gòu)最大跨度達(dá)到343米。如果使用普通鋼材，受力厚度至少要達(dá)到220毫米。這樣一來，“鳥巢”鋼材重量將超過8萬噸。而且鋼板太厚，焊接起來更難。

    “鳥巢”的科研技術(shù)人員，對“鳥巢”的特殊用鋼進(jìn)行專項(xiàng)研究。最終，為舞陽鋼鐵廠提供了指導(dǎo)性的軋制方案。

    2005年7月，為“鳥巢”準(zhǔn)備的110毫米厚的Q460E鋼板經(jīng)過舞陽鋼廠的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，軋制成功并進(jìn)入批量生產(chǎn)。400噸Q460E鋼材，成了“鳥巢”鋼筋鐵骨中最堅(jiān)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(qiáng)度鋼材的生產(chǎn)訂單。在奧運(yùn)工程中，所有鋼材全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)。

    自主研究完成澆筑

    “鳥巢”的外罩由不規(guī)則的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件編織而成，里面的混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立，建筑師在混凝土看臺和鋼結(jié)構(gòu)外罩之間的空間里，設(shè)計(jì)了很多傾斜的混凝土柱子來支撐建筑。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(jié)構(gòu)要求，又能不影響“鳥巢”的整體美觀？

    北京城建集團(tuán)國家體育場工程總承包部專家組幾經(jīng)論證，一個兩全其美的方案誕生了。先像其他混凝土結(jié)構(gòu)一樣綁扎好鋼筋籠，然后再從上面一節(jié)一節(jié)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。這樣一來看不到混凝土柱，既安全又美觀，卻加大了施工難度。

    邊長一米的方鋼管被連接成120多根長短不同、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(zhuǎn)兩次。最高的鋼柱全長21米，橫跨體育場一至四層；最傾斜的鋼柱和地面的夾角達(dá)到59度，鋼柱的最大自轉(zhuǎn)角度超過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)是個不小的挑戰(zhàn)。何況鋼管內(nèi)部還密布著鋼筋網(wǎng)格―――縱向排列著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(tǒng)做法，通過振搗棒振搗密實(shí)混凝土，談何容易？起初，工程建設(shè)者只能試著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(tuán)國家體育場工程總承包部經(jīng)過自主研究，提出了一個新方案：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。這是一個從來沒有人用過的方法，結(jié)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(yù)定的工期縮短了兩個月零兩天。

    天公作美順利合龍

    經(jīng)過工程設(shè)計(jì)專家、氣象專家、焊接專家、鋼結(jié)構(gòu)專家的論證，2006年8月26日零點(diǎn)整，“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)主體工程，在100多名焊工手中開始合龍。這標(biāo)志著這座設(shè)計(jì)新穎、造型獨(dú)特的鋼結(jié)構(gòu)工程安裝進(jìn)入倒計(jì)時(shí)階段。

    “鳥巢”主結(jié)構(gòu)上合龍口有100多個，次結(jié)構(gòu)28個。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，滿足合龍質(zhì)量要求。為確保合龍口焊接質(zhì)量，項(xiàng)目質(zhì)量人員對每個焊縫都進(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(dāng)高，鋼結(jié)構(gòu)合龍溫度控制好壞，將直接影響到鋼結(jié)構(gòu)的安裝安全。經(jīng)過工程技術(shù)人員對北京市百年來氣象資料的分析，找到適宜的合龍時(shí)間，經(jīng)過認(rèn)真計(jì)算，確定了19℃±4℃為最佳合龍溫度。為確保溫度測量準(zhǔn)確，工程技術(shù)人員在鋼結(jié)構(gòu)上設(shè)立了60個觀測點(diǎn)。

    合龍計(jì)劃分三次完成，8月26日凌晨開始第一次從東北到西南方向合龍；8月28日凌晨開始第二次從西北到東南方向合龍；8月30日凌晨開始第三次進(jìn)行立面次結(jié)構(gòu)合龍。前兩次合龍很順利。

    8月30日，全天悶熱，晚上6點(diǎn)，開始下起了小雨，這對降低鋼梁表面溫度有利，工程技術(shù)人員緊緊盯著現(xiàn)場上的溫度測量數(shù)據(jù)傳送終端。可是雨越下越大，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(dá)到合理溫度要求。

    零點(diǎn)整，第三次合龍正式開始。午夜，“鳥巢”的上空，焊花閃爍，經(jīng)過緊張的焊接，鋼結(jié)構(gòu)合龍終于在次日凌晨順利完成。

    在新一年中，“鳥巢”的膜結(jié)構(gòu)、設(shè)備安裝、太陽能利用等更復(fù)雜的施工挑戰(zhàn)，也將開始，而這同時(shí)也將是“鳥巢”創(chuàng)新的繼續(xù)。


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