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在经历了不规则弯扭构件制作、地面拼装、高空对接、限温合拢、1.4万吨支撑卸载之后，这座大跨度的钢铁巢穴独自屹立于世。它承载的不只是2008年的奥运会，还有诸多此前从未突破的建设难题
8月25日傍晚7点多，当雨水如期打湿了地面时，国家体育场工程总承包部常务总工程师李久林注视着巨大的钢筑“鸟巢”，微微松了口气。北京市专业气象台的气象专家提前一周就预报出这天有明显的降雨过程，一切都在掌握中。再过一会儿，温度就会如他所愿地降低下来。
用作2008年北京奥运会主会场的国家体育场以钢结构缠绕而成的“鸟巢”造型闻名于世。由于用钢量达到4.2万吨，为了防止庞大的钢结构在搭建时因热胀冷缩而变形扭曲，设计方中国建筑设计研究院为前期施工设计预留了4条1厘米宽的钢缝，供“鸟巢”“伸缩呼吸”。随着钢结构施工的逐渐完成，这4条钢缝将被焊接起来，使钢结构浑然一体。
设计之初，为了尽量保证国家体育场钢结构受温度应力影响最低，中国建筑设计研究院将这座钢筋“鸟巢”的合拢温度设定在了14±4摄氏度。根据工期安排，合拢本该在今年7月底进行，但在盛夏里维持偌大一片室外区域几十个小时的低温难乎其难。在不影响工程质量的前提下，经过反复计算与论证，设计者将合拢温度提高了19±4摄氏度，而8月底则是获得这个自然气温的最好时机。
活动房里，焊工们对即将到来的合拢焊接跃跃欲试。这批老焊工都是精选于造船、冶金等领域，焊龄在10年以上，多数具备甲级资质，不少工人此前还接受过专门培训。在合拢过程中，为了避免焊接中途停顿造成夹带杂质和钢材冷却，影响焊接质量，工人要连续不断地焊接：薄板焊工完工要六七个小时，占人数三分之一的厚板焊工则要在高空连续作战10多个小时，早饭也只能边焊边吃。
19摄氏度，万事俱备。系着安全带的焊工们两人一组，置身于“鸟巢”钢结构70米高空的悬空平台上，做着为焊口擦拭雨水、为焊条加热等准备工作，并用一种叫做“卡码”的钢笼将焊口固定。项目部对接口进行的变形分析与处理、对每个焊缝的探伤检测也已经完成。8月26日零点整，合拢工程正式启动，100多名焊工身边顿时焊花四溅。
4道焊缝上共有128个焊口，焊缝总长度约600延米。这次合拢分成3次进行，分别是两次“主结构焊接”和一次“次结构焊接”：第一次是从东北到西南方向屋盖2条线路合拢，第二次是从西北到东南方向合拢，第三次进行立面次结构缝合拢。
温度仍是最重要的坐标。气象观察设备被搬到了施工现场，实时观察云图变化。钢屋盖上也安装了36个自动测温仪来监控钢面温度。为确保合拢温度，现场还布设了60个温度监测点和气象观测站，用以对合拢过程中的大气温度和钢结构表面温度实施全过程监测，北京专业气象台也派出了气象专家对现场温度进行监测指导。
15个小时后，第一批100多名焊工的连续作业告一段落，顺利完成了52个焊口的焊接合拢。8月29日凌晨2时，焊工们开始第二次焊接，经过16个小时顺利完成了50个焊口的焊接合拢。到8月31日第三次焊接彻底完工时，“鸟巢”的整个合拢耗用焊条约2000公斤。
中信-北京城建联合体
被称作“第四代体育馆”的“鸟巢”位于北京北四环边的奥林匹克国家森林公园内，占地面积20.4万平米，总建筑面积25.8万平米，拥有9.1万个固定座位，内设餐厅、运动员休息室、更衣室等，在2008年奥运会期间将承担开幕式、闭幕式、田径比赛、男子足球决赛等赛事活动。该工程总投资4.5亿美元，是全球目前投资最大的单体建筑物。
2003年，北京市政府计划在国内首次将PPP(Public Private Partnership，公私合营)模式引用到大型基础设施工程上来，启动了国家体育场的业主合作方招标，希望引进私人投资者来参与项目的投资、建设与运营。
在当时来参加投标的5家联合体中，一举夺魁的原本是北京建工-德国B+B公司联合体，但在宣布其中标后，德方公司迟迟不响应开具保函等要求，一个月后，北京市政府决定，将这一标的转划给竞标时位列第二标的中信-北京城建联合体。
在联合体中，中信的出资比例是65%，城建占30%，在环保工程领域颇有建树的美国金州控股集团占5%。根据之前所交标书的联合体协议，如果中信-北京城建联合体中标的话，工程将是按照股份比例来实施。但另一方面，中信所拥有的承包资质为一级，而“鸟巢”的建设要求总承包商有特级资质。业主合作方招标文件中规定，如果业主联合方中有企业拥有特级资质的话，就自动成为总承包，无需再另外招标。“原来我们以为可以以联合体的身份总包，但法规上的原因，还是需要城建来做总包。”中信集团下属的国华国际工程承包公司国家体育场项目部总工程师吴之昕说。而《中华人民共和国建筑法》规定，总承包商在项目中完成的工程量必须超过50%。
双方协商之后，决定由总包方北京城建集团完成总工程量的约52%,剩下的近48%由中信国华完成。具体划分是，混凝土结构中信国华做1/3,城建做2/3；钢结构和膜结构两家都是各完成一半；装饰工程中信负责做72%,城建负责28%；强弱电工程全部归中信国华，给排水、供暖、通风等工程则全部划归城建。
双方各自成立项目部，中信国华项目部在总承包方城建集团的协调下，完成自己的部分工程。在明确了分工的基础上，双方的合作反而更为紧密。“因为是同一个工程，所有东西都要合作,进度上要协调,把我们双方的想法合成统一的计划。”吴之昕以钢构件招标为例解释，双方统一招标，同时招进来江苏沪宁钢机和浙江精工建设两家钢构件制作公司，再引入宝冶建设与城建精工两家构件吊装公司，由中信国华与城建分别聘用施工。这既能确保两家公司的制作标准统一，又能在短时间内完成大量钢构件的加工、制作、拼接任务。
这种崭新的合作模式得到了北京市政府的高度认可。北京市建委主任隋振江评价说，“鸟巢”工程中的北京城建与中信国华，是所有2008年奥运会场馆工程里合作得最好的搭档。
钢构件加工
“鸟巢”的钢结构屋面呈双曲面马鞍型，大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上，桁架立柱之间的距离都约为38米。每根立柱向左右分别伸出两个刚架，与对面的立柱一起承受大跨度桁架的力。如此，24榀门式桁架围绕着体育场的内环看台区旋转编织起来，其中22榀实现了拉通或基本拉通，每个门式桁架与内环开口相切。门式桁架之间以不受力的次结构杆件相连接，交叉布置的主结构与屋面、立面的次结构一起形成了“鸟巢”的造型。屋盖中部的内环呈椭圆型，长轴约190米，短轴约124米。
“鸟巢”的桁架柱脚是受力最大的部位，因此，桁架柱脚部分使用的钢板厚度达到110毫米，居整座“鸟巢”钢板厚度之首。桁架上方受力最小的部分，杆件钢板厚度则仅为60毫米。
“鸟巢”主桁架的双榀贯通最大跨度达到260米，如果用传统低强度钢材,将使钢材断面增大,在焊接时容易出现问题，而能适应这一要求的低合金高强度钢材“Q460E”此前在国内从未生产过。为此，项目部联合国内的厚钢板生产企业舞阳钢铁，在半年多时间里进行了3次技术攻关，自主研发出具有良好抗震性、抗低温性的“Q460E”，并实现了国产化。
随之而来的还有钢构件的造型问题。“如果构件是圆管的话，那就会好办很多，但它是方的，构成四个面的钢板都不可展开。”清华大学钢结构专家郭彦林教授一语道出难点所在。“鸟巢”的所有钢构件都是四方的箱型构件，而其整体造型决定了大量构件呈H型、T型、还有形态各异的空间扭曲型。要实现这些造型，就必须先将薄厚不等的平面钢板不断弯曲与扭转，使之符合其他几块钢板的曲率，再焊成需要的构件。因此，即便是最薄的60毫米钢板的加工过程，也让负责制作构件的江苏沪宁与浙江精工挠头不已。
江苏沪宁凭借工人素质高的优势，采用传统的冷热加工办法来将这些钢板弯扭成适合的曲率。浙江精工建设产业集团则借助国外合作者力量，专门为弯扭构件加工制作研发了“多点无模成型系统”，借助设备上许多可调的冲击头来构筑弯曲度，用冷成型的方法来弯扭出钢板的曲面。
作为屋顶结构主要承重构件的24根桁架柱的最大外形尺寸达到25米×20米，每根柱子有近700吨。为了节约作业空间，这些立柱被分成两段吊装，每个吊装单元的重量也有300多吨。分段吊装构件时，如何控制构件在空中翻身过程的稳定性、悬空构件的管口对接精度、变形引起的对接精度，是施工方不得面对的难题。
施工方对每个钢构件都事先准备了几套吊装方案，由多名工程师在吊装现场监控吊装。工程师要在每个施工过程中设置控制点，检查一切到位以后，在地面控制点下“拼装开焊令”，让工人在地面将构件拼装成吊装单元，工程师进行过程检查，合格后方可签字准备起吊。随后，发出“起吊令”，将吊装单元吊装到位并与其他杆件连接。检查确定严丝合缝以后，工程师再发出“安装开焊令”，在确认焊工焊接完毕后签字。最后发出给吊车的“松钩令”。这一过程少则大半天，多则一两周。
截至目前，“鸟巢”钢结构的焊接长度已经超过22万延米。所有焊工的焊接记录都详细记录在总承包单位的一本施工记录里。工地里流传的一个玩笑是，“鸟巢”的使用期限是100年，如果到了第99年有焊口出了问题，照样能凭质量记录将责任追究到人。
钢结构安装方案
“鸟巢”的施工主要分为三大步骤：混凝土结构施工、钢结构施工、建筑内外装修与机电设备安装调试。按照施工组织总设计的部署，看台混凝土结构从2003年动工之初就已先行施工，钢结构部分施工随后在2005年底启动。
在以往的施工经验中，大跨度钢结构常用的安装方案有整体提升、滑移、分段吊装高空组拼方法(简称散装法)和局部提升几种方案。在“鸟巢”工程里，设计方、专家顾问组与两个项目部，都仔细地把这几种方案斟酌了一遍。
如何协调钢结构安装与混凝土结构施工的关系，对保证混凝土看台连续施工、钢结构的顺利安装、室内装修工程与机电设备工程及时插入以及外围基座尽早施工有重大影响。如果采用整体提升方案，则看台混凝土部分无法先期施工，进而导致室内装修工程、机电设备工程无法提前插入，导致在总体工期上受到限制；如果采用滑移方案，又将受到施工场地的限制，并面临巨大的技术挑战。
在设计之初，设计方优先考虑过局部提升的方案。根据原始设计，“鸟巢”钢结构顶部配有可开启屋顶，开口呈一个长而窄的椭圆形，开口面积小，设计方曾计划将这个椭圆的边缘桁架在地面制作好，而后将这个“内环桁架”整体提升上去安装。但到2004年8月，基于“节俭办奥运”原则修改后的“鸟巢”设计方案所作的三大调整中有两项都与此有关：第一是去掉原来的可开启屋顶；第二就是扩大中间可开启屋顶的开口，降低用钢量（图1）。
调整之后，“鸟巢”屋盖钢结构已经没有真正意义上的“内环桁架”；由各榀贯通的主桁架形成的内环开口平面尺度很大，而且截面板厚比调整设计前有了较大幅度的减小，同时存在较大的高差，整体刚度很差；钢屋盖内边界在东西侧已经扩大到一层看台的边线、南北侧到跑道的外侧，如果仍在地面进行“内环桁架”的整体拼装，将对混凝土看台施工产生较大影响。
新的技术条件下，采用中央内环桁架局部整体提升的方式已经不具有优势，最终设计方与施工方决定，钢结构总体安装方案采用高空散装。
按照分工，中信国华负责钢结构北区的1、5、3、8区域，与城建负责的2、6、4、7区域形成对称（图2）。遵循对称同步、尽早形成安装区域局部稳定的原则，钢结构安装分阶段分区域地进行对称安装。施工时先安装钢柱，然后安装主桁架，保证结构体系的逐步形成。
为了解决空中定位与受力问题，施工区域分内、中、外三圈布置了78个支撑塔架，作为主桁架分段高空安装的受力支点（图3）。
78个支撑塔架的分布为内圈30个、中圈与外圈各24个，通过连系桁架形成8组闭合支撑环，这8组局部闭环支撑体系再由中圈的连系桁架与内外圈上的钢丝绳连成一个整体（图4）。78个支撑塔架穿过混凝土看台时，与看台的埋件连接。
主桁架的钢构件在地面分段拼装之后，在高空借助支撑塔架实现对接。施工方引进了2台800吨和2台600吨的履带吊车，分别在场外吊装桁架柱与外圈主桁架，和在场内吊装内圈与中圈主桁架（图5-6）。
整座钢结构吊装成型后，在8月底适宜的温度配合下，合拢进行得十分顺利。“合拢并不算难，”郭彦林、李久林、吴之昕，不止一个人认为，除了等待适宜温度，合拢工程并没有更多难以突破的技术关口。“难的还在后头。”合拢之后是钢结构工程的又一道关键工序：解除78个临时塔架给钢结构约1.4万吨的支撑力，让它独自站立。
由外向内卸载支撑
支撑塔架的存在多少影响了其它分部工程的进行。“支撑塔架整个贯穿了目前的混凝土结构，只有把它拆除，才能进行混凝土结构洞口的封堵，才能进行14000块看台板的安装，才能进行看台内的装饰装修和机电安装工作。”李久林解释。8月31日合拢成功后，他并没有太多时间来享受喜悦。9月11日，项目部为卸载做好了液压千斤顶、中央控制系统、监测系统等全部准备，并制定了十几套紧急预案。
“严格来说，这是一个给主结构加载、给支撑塔架卸载的过程。”中国工程设计大师、总承包的顾问总工程师刘树屯评价说。“鸟巢”的钢结构在每个受力点上，依靠若干垫片与支撑塔架连接，卸载的过程就像汽车换轮胎一样，用千斤顶架起钢结构，抽出松动的垫片。在卸载过程中，结构本身的杆件内力和临时支撑的受力均会产生变化，支撑塔架的荷载逐渐减小，钢结构体系受力逐步增大。
“78个支撑塔架，按照设计的理论，计算出卸载后的挠度（塔架卸载后的沉降量），然后分成等比同比下降，但各方下降的绝对数量是不一样的，内圈降得多，外圈降得少。”李久林说。在计算分析的基础上，项目部将整个支撑塔架体系分为外、中、内三圈分圈进行卸载。整个卸载步骤分为7大步，每大步中又分为外圈—中圈—内圈—中圈—内圈5个小步，各圈在每小步当中等比例降低支撑垫片的高度，直至支撑完全脱离主结构。
7大步35小步的卸载步骤在去年8月正式确定后，设计方与施工方又在今年完成了计划方案，并编撰了厚厚的卸载技术手册，印了500本，层层交给每一个管理人员和工作人员。到正式卸载前，操作手册上已经明确落实了每个细节、每个人的责任。
事后回想时，李久林认为9月12日进行的两次空载调试相当重要。从中央控制系统，到信号系统，到工人的操作，到各方的配合，项目部及时发现并改正了好几个隐藏的问题。
13日上午，施工现场开始进行负载调试。项目部通过78个支撑塔架两侧的156个千斤顶把整个屋盖顶起了2毫米，用以测试千斤顶的真实反力。这一步让李久林的压力尤其大。“1万多吨的屋盖整个顶起来，还不能顶太多，否则结构可能有变形的危险。”
13日下午启动的预卸载中，项目部尝试着先走了第1大步当中的1、2、3小步，即把外、中、内圈上的所有支撑塔架都下落了一档。每个卸载点上部署三名工人，一名负责拆垫片，另一名负责支撑塔架上的油泵开关，第三名管理人员负责记录操作进度与过程。这三小步的技术程序没有出现问题，加上上午负载调试中称重顺利，项目部心里有了底。
随后的14、15、16日，项目部基本按照早上8点半到晚上7点的工作时间，每隔一个小时卸载一小步。卸载前准备的十多套应急预案几乎没派上用场，整个卸载过程有健全的监控系统，每一步卸载时关键结构应力状态、温度、塔架应力、反力、变形的监控数据都会即时传递到卸载指挥部，确保符合偏差后方可继续下一步。
按照设计要求，卸载后外圈总下降量应控制在68毫米到286毫米，中圈控制在161毫米到178毫米，内圈控制在208毫米到286毫米。17日上午，最后一步的内圈卸载完成后，内圈的沉降量刚好保持在了286毫米。
顶面次结构吊装
“主结构受力之后,不能再进行大规模的焊接。”吴之昕说。为了加强主结构在安装与卸载过程中的侧向稳定性，立面次结构的杆件已经在前期安装立柱与桁架的同时安装完毕，卸载之后，还需完成的只剩下肩部与屋顶次结构的安装。
这座钢筑“鸟巢”顶面上未安装的次结构杆件有近7000吨。如果在卸载之前就将这批次结构杆件也安装上去的话，它们将在卸载之后跟主结构一起受力，为此必须加大用钢量。此外，如果先行安装顶面次结构，则支撑塔架的拆除时间、混凝土结构最终完成时间、预制看台板的安装、室内装修工程及机电设备安装进度都将受到影响。
出于节约钢材与工期的考虑，中国建筑设计研究院决定在完成主结构的支撑卸载之后，再将顶面次结构构件作为不受力的纯荷载安装上去。但随之而来的疑问是，卸载后的“鸟巢”钢结构由于自重产生了变形，那么已经在加工制作的顶面次结构构件是否还能满足精准的对接？
郭彦林的实验室已经完成了顶面次构件安装偏差的评估。根据他的测算，顶面次构件在安装时将会遇到的偏差有构件加工偏差、温度变形偏差，安装偏差、主结构落架变形偏差、甚至安装次构件过程中，主结构再次变形产生偏差。这其中，“主结构落架时的偏差、温度变形可以算，其他偏差则无法计算。”郭彦林表示，复杂的综合偏差使得他也难以保证测算结果可以满足矫正次构件的需要。
“我们已经做了一年多的准备工作，”刚刚完成卸载的李久林则显得踌躇满志，“我们做了大量分析计算，在安装过程中也会做现场测量，这些问题都会在地面消化掉。”在郭彦林等钢结构专家的协助下，次结构构件在深化设计时都被做得比原设计短，并在末端留出可伸缩的活动头，用以防备偏差。按照工期安排，今年年底安装完顶面的次结构构件之后，整个“鸟巢”的钢结构将完全成型。
反馈：dvdv@cmag.net.cn
“鸟巢”基本参数：
钢结构屋面呈双曲面马鞍型，最高点高度为68.5米，最低点高度为42.8米；平面上呈椭圆形，长轴最大尺寸约333米、短轴最大尺寸约296米；屋盖中部的内环呈椭圆型，长轴约190米，短轴约为124米；大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上，柱距为37.958米。
屋顶主结构均为箱型截面，上弦杆截面基本为1000毫米×1000毫米，下弦杆截面基本为800毫米×800毫米，腹杆截面基本为600毫米×600毫米，腹杆与上下弦杆相贯，屋顶矢高12米。竖向由24根组合钢结构柱支撑，每根组合钢结构柱由两根1200毫米×1200毫米箱型钢柱和一根菱形钢柱组成，荷载通过它传递至基础。立面次结构截面基本为1200毫米×1000毫米，顶面次结构截面基本为1000毫米×1000毫米。
设计总用钢量约42000吨。钢板的最大厚度110毫米。当钢板厚度≤34毫米时，采用Q345C钢材；当钢板厚度≥36毫米时，采用Q345D、Q345GJD钢材；局部采用厚度为100毫米和110毫米的Q460E-Z35级钢材。另外，桁架柱内柱由菱形截面向矩形截面转换处采用Gs-20Mn5V级铸钢件（C19桁架柱除外）。
来自《建造师》杂志
新闻来源:新闻-项目
发布时间:2006/10/30
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