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        “鳥巢”建設(shè)片段回顧

        2024-05-18 13:03:04戴為志孟延風(fēng)
        百年潮 2024年3期
        關(guān)鍵詞:體育場鳥巢鋼結(jié)構(gòu)

        戴為志 孟延風(fēng)

        我作為中國國家體育場鋼結(jié)構(gòu)分部副總工程師和主管焊接的高級(jí)顧問,全程參與了國家體育場“鳥巢”建筑施工的競標(biāo)、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工作。20年過去了,“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)尤其是焊接工程一直令我難以忘懷。

        “鳥巢”的得名

        中國國家體育場的建設(shè),先后經(jīng)歷了建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)和制作、施工五個(gè)階段。除了建筑設(shè)計(jì)是由中外工程師合作完成以外,其他部分都是中國自主完成,“鳥巢”是地地道道的“中國制造”。

        中國國家體育場的建筑模型設(shè)計(jì),由中外建筑師共同完成。外方設(shè)計(jì)師是國際知名的建筑師赫爾佐格和德梅隆,中方的總設(shè)計(jì)師是中國建筑設(shè)計(jì)研究院年輕的副總建筑師李興鋼。

        2003年,當(dāng)中國國家體育場建筑設(shè)計(jì)模型擺在中外專家面前時(shí),幾乎所有人腦子里同時(shí)閃出“鳥巢”兩個(gè)字。這是因?yàn)轶w育場從設(shè)計(jì)創(chuàng)意來說,看臺(tái)設(shè)計(jì)東西高、南北低。為了貼合看臺(tái)設(shè)計(jì),外表的鋼結(jié)構(gòu)造型也是東西高、南北低。遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去,像個(gè)大鳥巢。鳥巢是鳥兒銜來一根又一根樹枝搭建而成,而北京奧運(yùn)會(huì)主體育場則是中國工人把一根又一根鋼構(gòu)件焊接吊裝而成的。

        “鳥巢”的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        “鳥巢”建筑模型設(shè)計(jì)通過之后,就進(jìn)入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段。

        瑞(瑞士)中聯(lián)合設(shè)計(jì)體給出的“鳥巢”造價(jià)概算是38.9億元人民幣,用鋼量13.6萬噸。這是一個(gè)驚世的用鋼量。參加討論的專家們一致認(rèn)為,過于沉重的鋼外殼,不僅造價(jià)昂貴,也會(huì)給“鳥巢”帶來結(jié)構(gòu)安全的風(fēng)險(xiǎn)。

        2004年7月4日,中國工程院土木、水利、建筑工程學(xué)部再次召開奧運(yùn)建筑專題研討會(huì)。院士們在討論中認(rèn)為,如果“鳥巢”的外形不改變,要減少結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn),主要辦法在取消移動(dòng)屋頂。這樣做還可以減少一萬多噸用鋼量,節(jié)約四億至六億元。這或許是當(dāng)時(shí)的情境下可做的唯一選擇。世界上許多事物都難以兩全,這個(gè)選擇也代表我們失去了擁有一個(gè)世界上獨(dú)一無二的活動(dòng)屋頂?shù)膰殷w育場的機(jī)會(huì)。

        “鳥巢”的建設(shè)施工競標(biāo)

        “鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)的建設(shè)施工招標(biāo)是面向全世界的。當(dāng)時(shí)大概有13個(gè)國家和地區(qū)的施工單位參與投標(biāo)和競標(biāo)。最后城建、中信集團(tuán)、精工集團(tuán)和中冶集團(tuán)的標(biāo)書評(píng)估位于前列?!傍B巢”建設(shè)施工的任務(wù),基本確定落在這幾家頭上。在中國的施工單位是否有能力完成“鳥巢”建設(shè)施工的問題上,有些領(lǐng)導(dǎo)同志舉棋不定。得知消息,我作為中冶集團(tuán)的代表,寫了一份建言書。核心內(nèi)容有三點(diǎn):一就技術(shù)層面來講,“鳥巢”施工放眼全世界也是一個(gè)全新的嘗試,中國和外國處于同一起跑線上。而且從某些方面來看,中國還有技術(shù)優(yōu)勢。二就經(jīng)濟(jì)層面來講,中國施工單位的標(biāo)的價(jià)格低,工人的工資低、成本低。三從民族感情層面來講,中國第一次舉辦奧運(yùn)會(huì),場館建設(shè)理應(yīng)由中國人自己完成。不知道我的建議是否起到作用。最后“鳥巢”建設(shè)施工的任務(wù),落到了我們中國人自己頭上。

        “鳥巢”建設(shè)用鋼全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化

        “鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)工程有兩個(gè)重要工序,兩個(gè)重要節(jié)點(diǎn)。兩個(gè)重要工序是“焊接”和“吊裝”;兩個(gè)重要節(jié)點(diǎn)是“合龍”和“卸載”。由于“合龍”是焊接的最后工序,所以在“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)工程之初,在專業(yè)排序上就明確提出了“一焊、二吊、三卸載”的戰(zhàn)略思想。這就樹立了焊接技術(shù)在“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)工程各專業(yè)中不可動(dòng)搖的統(tǒng)帥地位。

        焊接雖然極其重要,但如果沒有好的鋼材料,也是無米之炊、無源之水。時(shí)任北京市委書記、北京奧運(yùn)會(huì)組委會(huì)主席劉淇對(duì)“鳥巢”用鋼的國產(chǎn)化,起了重要的推動(dòng)作用。

        2005年3月12日,正值全國兩會(huì)期間,劉淇請來國內(nèi)七家鋼鐵巨頭的老總,在北京的菖蒲河公園共同商討“鳥巢”的用鋼問題。

        劉淇是冶金行業(yè)出身,他問:“‘鳥巢基礎(chǔ)樁用的鋼是哪里生產(chǎn)的?”

        時(shí)任北京城建集團(tuán)總經(jīng)理徐賤云回答:“鋼筋都是國產(chǎn)的,首鋼、寶鋼、承鋼這幾個(gè)大鋼鐵廠供應(yīng)的。”

        劉淇又問:“鋼結(jié)構(gòu)用的鋼是哪里生產(chǎn)的?”

        徐賤云邊思索邊回答:“鋼結(jié)構(gòu)我們現(xiàn)在還在規(guī)劃、做方案……據(jù)我們分析,有百分之幾的鋼板,大約5個(gè)百分點(diǎn)吧,可能需要進(jìn)口。”

        “為什么要進(jìn)口?”劉淇追問。

        徐賤云坦誠道:“國產(chǎn)的高強(qiáng)度厚鋼板,它的Z方向、力學(xué)性能和抗變形能力滿足不了‘鳥巢的設(shè)計(jì)要求。目前國內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)如果用到這種鋼,都是進(jìn)口?!?/p>

        “那么,這是個(gè)很大的問題呀?!眲空f,“‘鳥巢要用這個(gè)鋼,不利用這個(gè)機(jī)會(huì)通過研發(fā)、攻關(guān)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,什么時(shí)候還有機(jī)會(huì)啊?!”

        劉淇再一次問這些國營大廠的當(dāng)家人:“特殊的高強(qiáng)度鋼能不能實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)?”他告訴大家:“辦奧運(yùn)就是要拉動(dòng)民族的自主創(chuàng)新、填補(bǔ)空白!”

        舞陽鋼廠負(fù)責(zé)人當(dāng)即表態(tài):“‘鳥巢用的特種鋼材,我們可以自主生產(chǎn),什么時(shí)候需要,我們什么時(shí)候供貨!”“自主生產(chǎn)”這四個(gè)字,這位負(fù)責(zé)人說得豪情滿懷、擲地有聲。

        短短一個(gè)多月的時(shí)間,舞鋼就軋出100毫米厚的Q460E-Z5試驗(yàn)鋼板。不久,又軋出110毫米厚的Q460E-Z35試驗(yàn)鋼板。

        攻克“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)焊接工程技術(shù)難關(guān)

        有了好的鋼材料,還得把一根根、一塊塊鋼材料對(duì)接安裝起來。攻克“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)焊接工程技術(shù)難關(guān),擺在了我面前。

        “鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)焊接工程可以用“七大難關(guān)、十四項(xiàng)技術(shù)、八個(gè)鮮明特點(diǎn)”來概括。由于它的專業(yè)性太強(qiáng),只講幾件事情。

        一是攻克“鳥巢”用鋼的焊接性試驗(yàn)難關(guān)。11厘米厚的鋼第一次被我們自己生產(chǎn)出來。它能不能用?好不好用?它的焊接技術(shù)參數(shù)和工藝怎樣?都需要通過試驗(yàn)取得。舞陽鋼廠打破常規(guī)和慣例,無私地把3塊長約9米、寬約1.3米、重13噸多,當(dāng)時(shí)總價(jià)值四五十萬元的Q460E鋼板送給了施工單位,大大降低了試驗(yàn)成本。

        我從舞鋼回到北京后不久,就拿出了一套Q460E鋼試驗(yàn)方案。時(shí)任“鳥巢”建設(shè)鋼結(jié)構(gòu)分部總工程師周文瑛和其他焊接專家看了,完全同意。本來準(zhǔn)備把試驗(yàn)?zāi)玫侥戏揭患液附友芯苛α啃酆竦难芯克プ?,可這家研究所看了試驗(yàn)內(nèi)容,沒敢接。因?yàn)檫@種鋼,這樣的厚度,這樣大規(guī)模使用,在世界上都是第一次。原有的鋼材可焊性的試驗(yàn)方法,要重新進(jìn)行組合修改,連評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)都要重新制定。

        中冶集團(tuán)焊接研究所最終承接了這項(xiàng)光榮而艱巨的試驗(yàn)任務(wù)。

        在此后幾個(gè)月的時(shí)間里,鋼焊接性試驗(yàn)團(tuán)隊(duì),廢寢忘食、苦心鉆研,經(jīng)過100多項(xiàng)次試驗(yàn),梳理出上萬個(gè)數(shù)據(jù)后,最終攻克了Q460E鋼焊接的技術(shù)難題。

        二是突破柱腳拼裝焊接難關(guān)?!傍B巢”鋼結(jié)構(gòu)安裝焊接過程中,最復(fù)雜的階段是柱腳的拼裝焊接。在研究“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)桁架柱柱腳的焊接順序時(shí),曾經(jīng)發(fā)生過這樣一件事情。

        鳥巢主結(jié)構(gòu)焊接順序

        一群專家和技術(shù)人員聚集在會(huì)議室,我提出自己的方案,同時(shí)闡述理由。首席焊接專家周文瑛則針對(duì)我的方案找出問題,提出質(zhì)疑,我作出解答。然后周文瑛提出他的方案和思想,再由我反駁。其他人員做裁判員。他們中有學(xué)焊接的,也有學(xué)結(jié)構(gòu)的,這樣就可以從不同角度提出問題并對(duì)回答作出評(píng)判,直到全體取得一致意見。每一條焊縫都是這樣一個(gè)過程。

        就這樣,一個(gè)柱腳的焊接順序,就排了三個(gè)下午。而經(jīng)過這樣縝密過程做出的方案,每一盤焊絲,每一根焊條,每一個(gè)技術(shù)參數(shù),都和工程實(shí)際連接了起來。

        三是征服低溫焊接難關(guān)。“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)之所以要搞低溫焊接,是總工期安排“逼”出來的。

        按照總工期要求,“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)安裝工程于2005年10月28日開始,必須在2006年6月份之前完成。這就要求我們必須在2005—2006年的冬季,實(shí)施鋼結(jié)構(gòu)低溫焊接工程施工。

        本來,對(duì)于冬季鋼結(jié)構(gòu)焊接施工,施工單位具有豐富的經(jīng)驗(yàn),他們原本想設(shè)置保溫棚,采用電加熱,全部實(shí)現(xiàn)正溫焊接,避免低溫(負(fù)溫)焊接。這種想法立即遭到焊接界專家和技術(shù)人員的反對(duì)。因?yàn)閮H憑經(jīng)驗(yàn)而沒有充分的理論依據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù),是“鳥巢”這么一個(gè)事關(guān)國家形象的標(biāo)志性建筑物施工所不允許的。

        于是,2005年12月中旬,根據(jù)時(shí)任國家體育場工程總工程師李久林的指示,我?guī)ьI(lǐng)一支15人的隊(duì)伍,到哈爾濱做負(fù)溫焊接的試驗(yàn)。

        剛下火車,只在露天站了一會(huì)兒,我就覺得頭被凍得發(fā)疼。這一天,哈爾濱的最低氣溫是零下15攝氏度。

        隨后的3天里,一共做了15組試驗(yàn),平焊、橫焊、立焊、仰焊都做了。這是何等嚴(yán)酷的試驗(yàn)環(huán)境!一塊試板,一個(gè)不變的焊接姿勢,在零下十幾攝氏度左右的室外一焊就是四五個(gè)小時(shí)。一塊試板焊完,焊工們也凍僵在原地,要人把他們拉起來。

        把試件運(yùn)回北京測試,根據(jù)得出的結(jié)論,確定了“鳥巢”負(fù)溫焊接的極限溫度是零下15攝氏度。這是一個(gè)綜合的指標(biāo),不僅是鋼材承受的極限,還有設(shè)備承受的極限。最重要的,是人的承受極限。同時(shí),還確定了“鳥巢”從零攝氏度到零下15攝氏度焊接的一系列工藝規(guī)程。

        組建思想過硬、技術(shù)過硬的焊工隊(duì)伍

        合格的鋼材料有了,技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和工藝規(guī)程有了,算是“萬事俱備”。那“東風(fēng)”在哪里?“東風(fēng)”就是一支思想過硬、技術(shù)過硬的焊工隊(duì)伍。

        “鳥巢”焊工隊(duì)伍的組建,可謂一波三折。最初,絕大多數(shù)人并沒有意識(shí)到焊工危機(jī)的存在,直到工程進(jìn)展中發(fā)現(xiàn)了制約工程進(jìn)度、影響工程質(zhì)量的軟肋—焊工隊(duì)伍的數(shù)量和質(zhì)量。然而,到哪里去找至少500名合格乃至優(yōu)秀的焊工呢?

        “鳥巢”指揮部派出精干人員,到北京、天津、上海、包頭去挑選和考核焊工。本以為,“鳥巢”厚板、超強(qiáng)鋼、全位置焊接(重點(diǎn)是仰焊)以及100%UT-BI的要求,會(huì)嚇跑不少焊接高手。但沒有想到的是,不少優(yōu)秀焊工懷著為國家建功立業(yè)的夢想,加入這個(gè)隊(duì)伍。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),有911名焊工參加了初選,最終錄取832名,再從中挑選265人進(jìn)行強(qiáng)化培訓(xùn)。

        令人意外的是,第一期培訓(xùn)班就出師不利—在對(duì)40名焊工進(jìn)行的入學(xué)摸底考試中,竟無一件合格作品!首戰(zhàn)即全軍覆沒,怎么辦?“鳥巢”人的回答是:“三從一大”(從嚴(yán)、從難、從實(shí)際工程出發(fā),模擬現(xiàn)場風(fēng)速、濕度等條件進(jìn)行大工作量訓(xùn)練半軍事化的魔鬼訓(xùn)練)。在長達(dá)12天的培訓(xùn)期里,焊工們早上7點(diǎn)起床,出操、接受戰(zhàn)前動(dòng)員,然后每天必須完成2組50毫米—60毫米厚的試板焊接,這個(gè)工作強(qiáng)度可以把幾乎所有焊工的體力消耗殆盡。晚飯后,教練和指導(dǎo)老師會(huì)對(duì)每個(gè)焊工的試件進(jìn)行點(diǎn)評(píng),有的被批評(píng)了的焊工,會(huì)在點(diǎn)評(píng)結(jié)束后含淚加班操練。這還沒完,還有緊接著的俯臥撐、下蹲等體力訓(xùn)練,直至晚10點(diǎn)才能休息。前后一共進(jìn)行了7期培訓(xùn)。

        毫不夸張地講,焊工們是拿生命在灌筑“鳥巢”。比如有條柱腳的焊接,是在寬420毫米、深220毫米、長1700毫米左右的深坑進(jìn)行。焊縫不僅位置奇怪,而且其部位稱得上是焊接“禁區(qū)”。更危險(xiǎn)的是,焊縫采用的是二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊技術(shù)。二氧化碳的比重比空氣大,容易在深坑底部存留而讓人窒息。沒有豪言壯語,也沒有進(jìn)行戰(zhàn)地動(dòng)員,“鳥巢”焊工們爭先恐后要求參加這條特殊焊縫的焊接?,F(xiàn)場就像戰(zhàn)爭時(shí)期共產(chǎn)黨員主動(dòng)請纓斬關(guān)奪隘一樣,令人感動(dòng)和唏噓!《北京青年報(bào)》著名記者楊菊芳在長篇通訊《筑巢》中這樣描寫:“……這種焊接活,只有中國的工人階級(jí)才能干!”

        還有一根立柱和柱腳的焊縫,再次出現(xiàn)焊接“禁區(qū)”。18名焊工連續(xù)倒班工作58個(gè)小時(shí),焊縫的一次合格率100%,終于啃下了這塊硬骨頭。

        到2006年1月25日止,各單位共完成焊縫53868米。經(jīng)專家驗(yàn)收,“鳥巢”整個(gè)焊接工程的焊縫一次合格率高達(dá)99.7%,少量第一次探傷有缺陷的焊縫經(jīng)返修和二次探傷,全部合格??梢则湴恋卣f,“鳥巢”的焊縫,沒有一條裂紋。這不僅是中國建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接的頂峰,也是世界鋼結(jié)構(gòu)焊接的奇跡!

        “鳥巢”的建成,極大地提升了我國的鋼結(jié)構(gòu)焊接水平。經(jīng)過“鳥巢”實(shí)戰(zhàn),我國的鋼焊接技術(shù)一躍成為世界領(lǐng)先。我本人也作為主要研發(fā)人員之一,獲得國際焊接學(xué)會(huì)頒發(fā)的國際焊接最高獎(jiǎng)—“Ugo Guerrera Prize”獎(jiǎng)。

        “鳥巢”建設(shè)還有力地推動(dòng)了我國冶金工業(yè)的發(fā)展。以前,很多特殊鋼材、鋼板我們都要從外國進(jìn)口?,F(xiàn)在,我們自己也能大批量生產(chǎn)大厚度、高強(qiáng)度的鋼材料,甚至開始出口。

        在“鳥巢”施工過程中,我們培養(yǎng)了一大批焊接骨干?!傍B巢”的焊工,當(dāng)年不管是持A證還是B證,現(xiàn)在都成了全國焊接行業(yè)最受重視的一批人,至今仍在國家建設(shè)的各個(gè)角落,發(fā)揮他們應(yīng)有的作用。

        (責(zé)任編輯 楊琳)

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