走近科學(xué)

建筑師們用他們天馬行空的想象，為一個繁榮、現(xiàn)代、開放的中國建造了一個又一個的新地標(biāo)。國家體育場 “鳥巢”更是以它人性化的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)和外觀的完美統(tǒng)一，鑄就了建筑史上的奇跡。筑巢人是如何將鳥巢由設(shè)計(jì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的呢？

從圖紙到屹立在我們眼前的真實(shí)建筑，時間只用了5年！

2003年12月24日10點(diǎn)15分 鳥巢破土動工了。近萬名筑巢人如何把鳥巢近乎完美的設(shè)計(jì)理念由圖紙變成堅(jiān)實(shí)穩(wěn)固的體育場呢？梁偉平，鳥巢的安全員，工作之余，他和同事康民用照相機(jī)記錄了鳥巢的成長。

梁偉平（國家體育場城建精工項(xiàng)目部安全負(fù)責(zé)人）:我用相機(jī)把它與眾不同的地方，也就是每一個環(huán)節(jié)進(jìn)行記錄。它每長一塊，每長一歲，我都要進(jìn)行拍攝，讓大家都知道，鳥巢長大了。

在梁偉平拍攝的上千張鳥巢的照片中，有一張意義非凡。那是他在鳥巢的第一張作品。

梁偉平:這個地方叫洼里，洼里鄉(xiāng)。這個畫面是在平理場地之后，就是叫打基礎(chǔ)。萬丈高樓從地起，首先要把基礎(chǔ)工作做得非常扎實(shí)，非常牢固（圖1）。

(1) 美輪美奐的鳥巢就是在這塊地方拔地而起的

如何讓鳥巢更加牢固呢？任何一個建筑都要審視它的安全性能，特別是大型場館。國家體育場必須要有抗8級地震的抗震性能。鳥巢所在洼里鄉(xiāng)一帶的土質(zhì)卻讓專家們大費(fèi)周折。

尤天直（國家體育場混凝土結(jié)構(gòu)總設(shè)計(jì)師）:針對不同的地質(zhì)情況我們就采取不同的對策，比如說，如果這個地方地質(zhì)條件非常好，是巖石類土壤，承載力非常高，那我們的技術(shù)形式就只需做一個天然地基的形式就可以了?？渗B巢的地質(zhì)基本屬于黏性粉土，做天然地基就不行，它不能滿足承載力和沉降的要求。

4.2萬噸鋼結(jié)構(gòu)、333 米的大跨度設(shè)計(jì)給我們帶來一個可容納近十萬人的大型體育場，也給地基承載帶來了非常大的難度。鳥巢施工總指揮李久林和他的團(tuán)隊(duì)要負(fù)責(zé)把圖紙上的鳥巢建設(shè)成穩(wěn)固安全的體育場，他們知道這就需要穩(wěn)固的地基來支撐這個宏大建筑物沉重的身軀。鳥巢地基必須要挖得非常深，樁基深入地下37米。

鳥巢的大跨度設(shè)計(jì)給觀眾帶來了開闊的空間，但對于樁基礎(chǔ)來說，它在豎向受力的同時，還要承擔(dān)比較大的水平受力。為了增加樁基的承載和抗震性能，施工中往樁基周圍壓注了大量的水泥漿，從而使樁周圍土的承載性能增強(qiáng)，地基更穩(wěn)固（圖2）。

(2) 鳥巢的樁基深入地下37米，同時壓注了大量水泥漿

地基的強(qiáng)度大大增加了，第一個建筑難題解決了。但接下來的幾年里還有更多的障礙，能否趕在奧運(yùn)會前完工，關(guān)系到國家的信譽(yù)。

主持人:龐大的純鋼建筑，只是鳥巢外部的一個結(jié)構(gòu)，是給大家提供一個擋風(fēng)遮雨的一個鋼結(jié)構(gòu)。如果我們現(xiàn)在能夠把鳥巢的這個大蓋取掉的話，你就會發(fā)現(xiàn)，它內(nèi)部的看臺，是由鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)組成的。整個看臺，實(shí)際上是六個部分，這六個部分之間的防震墻，能夠起到抗擊地震的作用，即便是發(fā)生了晃動傾斜等問題，這六個部分之間也留有能量余地，能夠保證整個看臺不被撕毀（圖3）。

(3) 由六個部分組成的鳥巢看臺有很強(qiáng)的抗擊地震的能力

鳥巢能夠容納９萬多名觀眾同時欣賞一場體育比賽。又是如何做到讓最前排和最后頭的人在看比賽的時候，感覺上并不是相差很大呢？

為了保證9.1萬個觀眾視覺均等，筑巢人建造了一個錯綜復(fù)雜的混凝土框架。這個結(jié)構(gòu)分為三層。頂部看臺傾斜35度。它就像骨架一樣支撐起精心澆鑄的觀眾席。然后在這個骨架上插進(jìn)14700塊預(yù)制混凝土板做成看臺。

強(qiáng)化預(yù)制板運(yùn)到了工地，它們每一塊都是獨(dú)立澆鑄成型，重量達(dá)到了18噸一塊。數(shù)千塊預(yù)制板在澆鑄時誤差不能超過2毫米。有瑕疵的預(yù)制板就必須重造，那樣整個工程就得停下來。所以每一次都必須做到安裝一次成功。12個月之后，最后一塊預(yù)制板終于安裝完成了（圖4）。

(4)圖組:（4－1）每塊重達(dá)18噸的混凝土預(yù)制板看臺

（4－2）將一塊塊看臺板插入建造好的看臺框架上（圖示）

最困難的階段來臨了，引人矚目的鋼結(jié)構(gòu)開始搭建。

鳥巢總用鋼量約11萬噸，這些鋼材足夠建造兩艘航空母艦。其中“鳥巢”外部的鋼骨架4.2萬噸（圖5）。

(5) 艱難的鋼結(jié)構(gòu)搭建開始了

一個如此龐大而復(fù)雜的建筑，它要面對許多傳統(tǒng)建筑不會遇到的作用力。它的橫向拉力，縱向拉力，沿著圓弧形相互拉著牽著。如果使用普通鋼材，在巨大的張力之下，整個結(jié)構(gòu)就會有坍塌的危險。顯然這個建筑必須找到更高級別的鋼材來完成這項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

范重（國家體育場鋼結(jié)構(gòu)總設(shè)計(jì)師）:對于一個體量巨大的鋼結(jié)構(gòu)而言，鋼材的選擇是設(shè)計(jì)能否成功的一個非常重要的方面。我們在鋼材選擇方面進(jìn)行了很多的嘗試和摸索，用了很多新型的、高強(qiáng)的、高性能的鋼材。其中最突出的就是一種叫Q460的鋼材，這種鋼材是目前為止在我們國家建筑鋼結(jié)構(gòu)利用中強(qiáng)度最高，焊接性能最好，抗撕裂性能最好的一種鋼材。

為了滿足大容量、開闊視野等體育場的要求，設(shè)計(jì)者讓鳥巢穿上了醒目的鋼制外衣?？此品彪s的鋼結(jié)構(gòu)，像音樂節(jié)奏，有著獨(dú)特的韻律。錯綜復(fù)雜的搭建，讓鳥巢每個鏤空部分成三角形排列，這種幾何排列可以讓鋼結(jié)構(gòu)在地震來襲時非常穩(wěn)定。獨(dú)一無二的設(shè)計(jì)帶給人們震撼之余，也給施工帶來始料未及的難度。如果想讓這個鋼結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，必須選擇特殊的鋼材，舞陽鋼廠臨危受命，負(fù)責(zé)生產(chǎn)一種集眾多優(yōu)點(diǎn)于一身的鋼材。Q460鋼應(yīng)運(yùn)而生。這種被稱為鋼中極品的鋼材被使用在鳥巢的24根柱腳上。它可以保證鳥巢穩(wěn)穩(wěn)地站在大地上100年。但這種集眾多優(yōu)點(diǎn)于一身的鋼材也為焊接帶來了不少的麻煩。

如今，被鳥巢的壯觀宏偉震撼之余，人們也在琢磨它是怎么搭建而成的？

主持人:鳥巢的這個外觀究竟是如何搭建的？大家可能會說，用起重機(jī)不就完了嗎？您可能不知道，這種鋼結(jié)構(gòu)的材料，在我們國家的建設(shè)史上是比較罕見的。一般的一個桁架柱質(zhì)量就達(dá)到了1000噸，目前在全世界范圍，也少有幾臺起重機(jī)能夠把它吊起來。鳥巢在搭建外部結(jié)構(gòu)的時候，首先要打上立柱，然后再放上桁架柱，接下來再安裝其他的設(shè)施。因此工程量非常巨大。面對如此份量大的結(jié)構(gòu)件，到底怎么把它們一個個放置到位呢？

?1999年7月14日，在美國密爾沃基市的米勒公園球場，吊機(jī)正在起吊部分鋼結(jié)構(gòu)屋頂。當(dāng)?shù)跗鹨粋€450噸的部件越過體育場的時候，災(zāi)難降臨了。3名工人在那天喪生，起重機(jī)倒塌事故給鳥巢施工敲響了警鐘。

李久林:整個鳥巢的主體結(jié)構(gòu)我們把它分成了256個段。這些次構(gòu)件我們又把它分成1000多個段，按照標(biāo)記把這些段，一段一段地裝上去，這些段來源于工廠加工好的小的構(gòu)件。把它們運(yùn)到北京以后，先在地面上將它們拼裝成這種段。最大的一段重量達(dá)到364噸（圖6）。

(6)圖組:鳥巢的主體結(jié)構(gòu)就這樣一段一段地拼裝上去

分段，吊裝，焊接，固定，保證了施工安全。即便這樣，起吊工作并不容易。特別是立柱和鳥巢肩部像八爪魚一樣的構(gòu)件。梁偉平用照片記錄了吊裝的艱辛。一旦出現(xiàn)任何閃失，后果將不堪設(shè)想。

梁偉平:一般工地吊裝就像砌磚似的，一塊一塊往上壘，它是垂直于地面的，整個吊裝，有一個幾何圖形，這樣就比較好控制它焊口的對接。而鳥巢不一樣，鳥巢的鋼結(jié)構(gòu)形狀比較怪異，不規(guī)則。

?2005年10月，第一根桁架柱終于成功安裝完成。余下的23根桁架柱也在幾個月之內(nèi)全部到位，而且整個過程安全無誤。此時時間成了壓在每個建設(shè)者心上的石頭。

主持人:其實(shí)不僅僅是工期緊的問題，對于施工人員而言，鳥巢建設(shè)中很多地方對于他們來說都是一個挑戰(zhàn)。就拿焊接鋼材來說，焊接的工作量是非常大的。一塊鋼就有4條焊縫，整個鳥巢，焊縫就是320公里，相當(dāng)于從北京到天津跑一個來回。而且不能焊得坑坑洼洼高低不平，所要求的這個焊接面不能超過鋼材1毫米，可想而知，這個精度要求得有多高。再有，平時焊接基本上是在地面上完成的。而此次鳥巢的鋼構(gòu)件吊在空中，加上這種特殊鋼材Q460，要把它和其他的鋼材焊接在一起，工人們經(jīng)常是在一個相對封閉的環(huán)境中，在很高的高溫下，仰著頭工作，一工作就是14個小時（圖7）。

(7) 高難度、高精度的焊接

當(dāng)1000多個鋼構(gòu)件搭建結(jié)束，鳥巢的鋼結(jié)構(gòu)在臨時支撐下站起來時，鳥巢的建造者面臨著更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)——合攏。

什么是合攏呢？

鳥巢外部的鋼結(jié)構(gòu)，初建成就像一個被切成四塊的蛋糕，當(dāng)局部施工結(jié)束后，建造者要把四個局部焊接成一個整體，這個過程被稱為合攏（圖8）。合攏要讓鳥巢均勻受力，使建筑本身更加穩(wěn)固。

(8) 鳥巢鋼結(jié)構(gòu)合攏示意圖

周浩東，鳥巢南區(qū)合攏總指揮，從業(yè)12年了，在他剛接到鳥巢施工圖紙時就意識到鳥巢就像一個沒有硝煙的戰(zhàn)場，而他們要迎接的任務(wù)難度超乎想象。

范重:合攏當(dāng)然和這個屋體的形狀是分不開的。鳥巢從頂面看是一個圓形，是一個圓環(huán)狀態(tài)，所以我們分了四塊，最后四塊合攏而成。合攏時溫度的穩(wěn)定性，準(zhǔn)確性對于后期結(jié)構(gòu)使用的安全性影響很大。

溫度為什么對鳥巢的合攏至關(guān)重要呢？鳥巢的外部是用全鋼建造的，我們都知道鋼會隨著溫度高低而熱脹冷縮。找到一個合適的溫度合攏，讓鳥巢可以隨著溫度變化，焊縫伸縮而自由呼吸。否則，當(dāng)溫度下降時，鋼鐵收縮，焊縫就會產(chǎn)生裂紋，繼而斷開。到時候“鳥巢”將會把自己撕成碎片！

因此合攏時，必須要在鋼體的伸縮性處于中間狀態(tài)時候完成，為將來一年四季的熱脹冷縮留出余地。這就需要滿足一個特殊的條件：合攏焊接中，鋼體的溫度要始終保持在19℃，正負(fù)誤差不超過4℃的范圍內(nèi)。

工人們加班加點(diǎn)，為合攏攢足了勁，可是工程卻突然停下了。鳥巢施工現(xiàn)場停工一天就意味著損失116萬元人民幣，是什么原因讓合攏滯后呢？

當(dāng)時北京正值８月酷暑季節(jié)。氣溫讓鋼體的溫度逐漸升高。這讓筑巢人們一籌莫展。工期的逼近讓大家心急如焚。施工隊(duì)請了整天跟天氣打交道的專業(yè)氣象臺的工作人員幫忙，隨時關(guān)注著氣溫的變化。

終于在８月25日，氣象專家推測可能有一場雨，會使鳥巢降溫。

雨使溫度降下來了。為了保證鋼體受力均衡，100名焊工準(zhǔn)備就緒，他們進(jìn)行了同步焊接。從夜晚到凌晨，工人們一刻不敢停歇。經(jīng)過三次合攏，鳥巢終于完成了它的期中考試。焊接合格率是100% 這意味著沒有一條焊縫返工。

合攏完美結(jié)束，筑巢人們短暫地放下了壓力，回憶著鳥巢從圖紙到平地而起，到現(xiàn)在的合攏成功。夜晚的鳥巢蓄勢待發(fā)，等待著明天的黎明。

主持人:鳥巢合攏的完美超出了專業(yè)人士的想象。可以說，因?yàn)檫@一步工作的完成，才為下一步鳥巢卸載，提供了一個非常堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。如果說，我們把前面的這些工作看作是鳥巢整個建設(shè)的一個期中考試的話，那么所有工程設(shè)計(jì)人員、施工人員已經(jīng)交出了一份完美的答卷了。接下來，鳥巢面臨的卸載工作就是一個期末考試了，那么鳥巢的卸載，又將面臨什么樣的困難呢？