当代建筑奇观鸟巢,里里外外都是当之无愧的中国造!

了不起的中国制造 了不起的中国制造 05-10 07:34 跟贴 8038 条
“鸟巢”外观使用了中国自主研发的“鸟巢钢”,看似杂乱无章,而其实每根钢铁架构都是精心设计过的,精密度要求极高;顶层采用了双层膜结构,上层为透明膜,下层为半透明吸音膜,不仅亮度刚刚好,还可以降噪。

  出品| 网易新闻学院

  作者| 须臾千秋

  如果让人评价“二十一世纪初叶最有特点的建筑”,可能许多人会脱口而出:鸟巢。这座为2008年北京奥运会专门建设的国家体育场,在一个时代的中国人心里留下了深深的烙印,这座建筑本身也成为了北京的标志之一。

  鸟巢实际上分为结构上完全脱开、形式上相互围合的两层。外层是由4.2万吨钢结构有序编织成鸟巢状的壳体建筑造型,长333米,宽280米,肩负着分隔内外空间、遮风挡雨的“使命”;内层是三层混凝土结构碗状看台,设有观众坐席9.1万个,是承担观众的主体。

  我们所看到“鸟巢”形状的外观,就是指钢结构的外观。正是这层外壳,集中了鸟巢的多数技术难题。鸟巢这座当代奇观,在其建成之前就已经因其工期紧、任务重、技术含量高而在工程界出了名。但中国的工程师们攻坚克难,最终如期交上了一份优秀的答卷。下面就让我们来看看这座奇观给工程师们出了哪些难题,工程师们又是如何一一攻克它们的。

  (一)“钢铁树枝”托起了世界最大的屋顶结构

  我们看到的“鸟巢”是由许多看似杂乱无章的“钢枝条”相互搭接而成的。但实际上,这些杂乱的“钢枝条”可一点都不杂乱。它们的每一根都是精心设计过的,不仅不能随意,而且要精准地控制误差。

  它们中的一部分还“偷偷地”组成了24榀门式钢桁架,承担起了结构的重量,托起了世界最大的屋顶结构。它们就“潜伏”在这些杂乱无章的“钢铁树枝”中,从外观上看,与整个钢铁鸟巢融为一体。

鸟巢钢结构门式桁架示意图。图片引自李久林,杨俊锋, 杨庆德等. 国家体育场(鸟巢)工程施工新技术综述[J] 建筑综述39(8) 564-575

  “钢铁枝条”竟然是空心的!

  这些“钢铁枝条”远看又细又长,但那是被巨大的鸟巢衬托的。它们实则粗壮无比。枝条中粗的边长有1.2米,细的也有60厘米。这么粗的钢柱当然不是实心的,而是由几厘米(最大11厘米)厚的钢板焊接成的。也就是说,这些看起来细长的“钢铁枝条”其实内部理论上都可以允许一个人轻松爬过。

  (二)精密度要求高:没有两根一模一样的钢铁构件

  然而,正是这些巨大的钢铁构件,对精密度的要求却极高。它们大都属于空间弯扭构件,无固定的线型,随便拿出两根来形状都会有差别。这与普通建筑中动辄使用几百上千个相同构件的情况是完全不同的。

  既然各有不同,控制误差就变得相当困难,加工效率也变得非常低。更要命的是,鸟巢中处处都存在“多杆件交汇”的情况,最复杂的结点甚至涉及到14根杆件。只要一根杆件的误差超限了,这个结点就连接不好,甚至根本连接不上。

  此外,鸟巢里的结点之间各个不同,几乎无规律性可言。每一次制作、安装无论对于工程师还是工人师傅来说都是一次几乎全新的挑战,这就对误差控制提出了更高的要求。一方面误差难以控制,另一方面对误差的要求又高,鸟巢的搭建难度可想而知。

  吊装设备的调度和使用也是挑战

  除了要求精密之外,鸟巢的建设过程中还要面临一个显而易见的重要问题:没错,就是“大”。鸟巢中的“钢铁树枝”体积大,单体重量重,吊装单元最终达360多吨,最长达68.5米。各类构件的重心位置各不相同,任何一点小小的偏差都造成严重的事故。建筑中通常使用的普通塔吊只能吊装几吨重量,鸟巢的建造显然需要独特的巨型施工设备。这些设备本身的调度、使用都是高难度的挑战。

  (三)自主研发“鸟巢钢”:国产Q460钢材

  鸟巢的成功,首先依赖于材料的进步。鸟巢是国内首个使用Q460规格钢材的建筑。所谓Q460,是指“屈服强度460兆帕”,这意味着这种钢材的强度比最广泛使用的建筑用钢高上一倍。

  在鸟巢之前,这种钢材一直依赖进口。而鸟巢用量庞大,且它具有重要的象征意义,我们怎么可以依赖进口呢。所以,中国科研人员攻坚克难、从无到有,自主生产出了具有知识产权的国产Q460钢材。这种高质量的钢材也因此光荣地得名“鸟巢钢”。

  利用软件,精密加工独特的钢箱构件

  有了钢材,下一步就是加工。为了加工出几乎“每一根都是独一无二”的鸟巢钢箱构件——也就是那些弯曲的“钢铁树枝”,工程师们特意开发了箱形弯扭构件三维建模及壁板展平放样的专用软件。利用软件进行精准放样,再按样图在工厂中精密地加工出钢铁构件。

  相比起建筑工地,在工厂中预先加工的构件更加精密。随后将预先在工厂中加工好的构件运往现场进行安装,这样既减小了对施工场地的占用,又加快了工期。

  大大小小每个零件都得“考试”

  没有规矩,不成方圆。对于鸟巢这种非常特殊的建筑,其中的结点在当时并没有成型的国家规范来进行验收。所以在调研的基础上,建筑专家们特意为鸟巢的钢结构工程制定出了施工质量验收标准,为鸟巢大大小小的每一个零件和结点“考考试”,考试通过才能使用。

  (四)降低能耗的同时,还让观众舒适观赛

  鸟巢整体的建设也尽量降低能耗,减少污染。比如,鸟巢的观众席充分利用自然通风和自然采光,尽量减少人工的机械通风和人工光源带来的能源消耗。

  鸟巢可以容纳着八万多人,要想让所有人感觉舒适,这也是一项浩大的工程。工程师们为降低场内温度,对大面积的窗户也进行了遮阳处理。鸟巢中还使用了幕墙、地源热泵、雨虹系统等多项新技术,来降低能耗。

  顶层双层膜结构:节能减耗又降噪

  鸟巢顶层采用了双层膜结构,上层为透明膜,下层为半透明吸音膜。这样一来,日光照射进体育场后成为散光,不仅亮度刚刚好,而且使得钢结构的阴影变为散射状,不影响场内运动员的发挥和观众们的观看。吸音膜还很好地调节了鸟巢中的声音场,降低了体育场内的嘈杂,使得每一个角落中的观众都能够专注于比赛。

  为了实现这些设计,鸟巢应用了新技术和科技创新50多项。时光荏苒,北京奥运会已经过去9年了。然而,鸟巢以及它背后承载的体育精神依然屹立在北京。

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  编辑| 于冉帝

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