國家體育場工程中的關(guān)鍵技術(shù)觀摩演示

參觀“鳥巢”工程——學(xué)習(xí)國家體育館工程中的關(guān)鍵技術(shù)一、引言2002年10月北京市《國家體育場（2008年奧運會主體育場）建筑概念設(shè)計方案》舉行國際競賽。

2002年12月，經(jīng)過對參賽單位資格審查，14家單位參加了概念設(shè)計方案的角逐。2003年3月，國內(nèi)外的建筑大師、建筑評論家、體育專家、結(jié)構(gòu)專家、奧運會組織專家及北京奧組委的代表組成評審委員會。

2003年3月下旬，由評審委員會評出三個優(yōu)秀設(shè)計方案，“鳥巢”方案以其獨特的風(fēng)格居三甲之首。

2003年4月，經(jīng)嚴格的評審和群眾投票，由瑞士赫爾佐格和德梅隆設(shè)計事務(wù)所及中國建筑設(shè)計研究院設(shè)計聯(lián)合體共同設(shè)計的“鳥巢”方案最終中選。

二、概況

“鳥巢”——國家體育場位于北京市成府路南側(cè)，是08年北京第29屆奧運會的主體育場，承擔(dān)奧運會開、閉幕式與田徑比賽。國家體育場建筑頂面呈鞍形，長軸為332m，短軸為296m，最高點高度為68.5m，最低點高度為40m，固定坐席可容納8萬人，活動坐席可容納1.1萬人，總建筑面積約25.8萬平方米。設(shè)計使用年限為100年。

國家體育場結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用后壓漿鋼筋混凝土鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，持力層承載力為卵石層。其大跨度屋蓋支撐在24根桁架柱之上，柱距為38.0m。大跨度屋蓋中間開洞長度為185.3m，寬度為127.5m。大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)采用交叉平面桁架體系，由于主桁架與內(nèi)環(huán)相切，其中一些主桁架在平面外微彎。主看臺采用鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系，與大跨度鋼結(jié)構(gòu)完全脫開。

“鳥巢”主結(jié)構(gòu)布置圖

國家體育場由24根桁架柱與主桁架+立面次結(jié)構(gòu)共同形成抗側(cè)力體系。而交叉布置的主結(jié)構(gòu)與屋面及里面的次結(jié)構(gòu)一起形成“鳥巢”的建筑造型。三、工程中的關(guān)鍵技術(shù)1、首次采用CATIA軟件解決復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)建模問題頂面次結(jié)構(gòu)與立面次結(jié)構(gòu)均位于屋蓋結(jié)構(gòu)的外表面，存在大量空間扭曲構(gòu)件，在設(shè)計中采用了航空、汽車制造業(yè)得以應(yīng)用的三維建模CATIA軟件，以解決復(fù)雜建筑的空間建模問題。2、首次提出下風(fēng)振系數(shù)計算方法根據(jù)大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的特性，按照最大上吸力、最大下壓力和半跨荷載差值最大原則確定最不利風(fēng)向角，保證結(jié)構(gòu)安全。但對自重效應(yīng)顯著的大跨度結(jié)構(gòu)，下壓風(fēng)荷載效應(yīng)起主要控制作用，在現(xiàn)行的規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中未做出相關(guān)規(guī)定。在國家體育場設(shè)計中首次提出并采用下風(fēng)振系數(shù)的概念，采用時域法與頻域法計算風(fēng)振系數(shù)。3、在ANSYS軟件平臺上開發(fā)大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化功能結(jié)合國家體育場工程，在ANSYS軟件平臺上開發(fā)大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化功能，滿足復(fù)雜大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計需求。主要針對空間結(jié)構(gòu)特點，將與大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)的設(shè)計規(guī)范條文引入ANSYS軟件，利用ANSYS的計算機語言開發(fā)工具，開發(fā)了大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化功能的模塊，并可以與ANSYS軟件原有功能配合使用，實現(xiàn)大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計計算分析與設(shè)計技術(shù)一體化，填補國內(nèi)的空白。4、大跨度罕遇地震分析在設(shè)計中編制了由地震波轉(zhuǎn)化為反應(yīng)譜的程序，為準確選擇地震波提供了有效的工具，并開發(fā)了人工合成地震動程序，根據(jù)不同場地類型生成與地震動特性相吻合的人工波，對國家體育場大跨度結(jié)構(gòu)進行了從施工過程至罕遇地震作用的全過程分析，找出結(jié)構(gòu)的薄弱部位，并對出現(xiàn)塑性鉸的位置，根據(jù)實際情況予以適當(dāng)加強，從而滿足“大震不倒”的目標要求。5、提出大跨度結(jié)構(gòu)溫度場計算方法

“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)暴露于室外，所以在鋼結(jié)構(gòu)表面使用太陽輻射吸收系數(shù)小、紅外線反射能力強的淺顏色防銹涂層，盡量降低太陽輻射吸收系數(shù)。并通過對大跨度結(jié)構(gòu)溫度場的分析，確定鋼屋蓋在使用期間的最大溫差，確定屋蓋合理的合攏溫度，保證結(jié)構(gòu)的安全性和受力的合理性。6、焊接薄壁箱形構(gòu)件設(shè)計方法為有效減少用鋼量，在焊接箱形截面構(gòu)件設(shè)計時采用較小的壁厚。然而，根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范進行薄壁焊接箱形構(gòu)件時，一般只考慮箱形構(gòu)件在軸心受壓、純彎及壓彎時有效寬度的計算方法，鳥巢設(shè)計過程中，以板件應(yīng)力狀態(tài)的基礎(chǔ)，提出焊接薄壁箱形構(gòu)件有效截面的計算方法，考慮了受壓較小板件應(yīng)力值較低對有效寬度的有利影響與有效截面偏移量的影響，并給出構(gòu)件在拉、壓、雙彎、扭作用下的計算公式。7、扭曲構(gòu)件的設(shè)計方法與空間表示方法國家體育場屋蓋肩部次結(jié)構(gòu)扭曲構(gòu)件主要以受彎為主，壁厚較薄，受力性能復(fù)雜。在設(shè)計中提出設(shè)置內(nèi)部加勁肋的方式提高箱形扭曲構(gòu)件的抗彎剛度，使翼緣的應(yīng)力分布均勻，從而降低應(yīng)力峰值。由于國家體育場扭曲構(gòu)件在建筑工程中尚無應(yīng)用，傳統(tǒng)的制圖方式無法描述其幾何定位，因此提出一種適合于復(fù)雜空間扭曲構(gòu)件的節(jié)點坐標表示法，根據(jù)精度要求選取構(gòu)件棱線上的特征點、端點或與其他構(gòu)件的交點，采用三次B樣條曲線擬合空間扭曲構(gòu)件的棱線。8、箱形截面桁架節(jié)點設(shè)計在“鳥巢”大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計中，遵循“節(jié)點與構(gòu)件等強度”的原則，充分發(fā)揮構(gòu)件材料的強度，確保節(jié)點不先于構(gòu)件破壞，構(gòu)造簡單、傳力直接，保證其在各種荷載作用下的安全性，同時，加工制作相對容易。提出了大尺寸焊接薄壁箱形截面桁架單K節(jié)點、雙K節(jié)點的幾何構(gòu)型方法。通過調(diào)整板件的角度，改善其傳力的合理性。采用調(diào)整板厚、設(shè)置加勁肋等方法，在保證節(jié)點的經(jīng)濟性前提下，提高節(jié)點承載力，實現(xiàn)了“等強節(jié)點”的設(shè)計理念。9、異型柱腳及桁架柱復(fù)雜節(jié)點的設(shè)計國家體育場鋼結(jié)構(gòu)桁架柱由一個菱形內(nèi)柱和兩個近似方形的外柱組成，由于交匯于菱形內(nèi)柱腹桿的數(shù)量多，角度復(fù)雜，對稱性差，內(nèi)柱與主桁架下玄桿節(jié)點最多有13根桿件交匯在一起。如果采用鑄鋼節(jié)點，其噸位很大，對材質(zhì)要求很高，超過我國目前鑄鋼生產(chǎn)能力。并且質(zhì)量控制比較困難。于是在設(shè)計中提出將腹桿側(cè)壁與菱形柱內(nèi)壁板共面，使得腹桿與內(nèi)柱傳力直接。在菱形內(nèi)柱內(nèi)設(shè)置水平加勁肋，增強菱形內(nèi)柱在節(jié)點域的剛度，使得腹桿翼緣的內(nèi)力能得到有效傳遞。桁架柱復(fù)雜節(jié)點圖10、大跨度鋼結(jié)構(gòu)安裝國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程由48榀門字鋼架圍繞混凝土看臺旋轉(zhuǎn)而成，主次結(jié)構(gòu)截面均為箱形截面，桁架柱為三角形格構(gòu)柱，其吊裝單元最重達370t，吊裝高度達68m。主桁架斷面中心高度為12m，桁架最大跨度達102.4m，其吊裝單元最重達262t。11、臨時支撐架的設(shè)置因大部分看臺混凝土結(jié)構(gòu)先行施工，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)部分隨后進行施工，要協(xié)調(diào)鋼結(jié)構(gòu)安裝與混凝土結(jié)構(gòu)施工的關(guān)系，保證混凝土看臺部分連續(xù)施工、鋼結(jié)構(gòu)安裝順利進行，所以在屋蓋主桁架交叉點的位置設(shè)立78個臨時支撐架。步驟一：吊裝主桁架柱用2臺800t的吊車分南北兩區(qū)同時進行。對國家體育場的24根主桁架柱進行吊裝。步驟二：吉吊裝主結(jié)輔構(gòu)構(gòu)件主桁架滋柱吊裝旁完畢后沿。對大趟跨度鋼魯結(jié)構(gòu)屋糟蓋主結(jié)設(shè)構(gòu)構(gòu)件慶進行吊裙裝。步驟三從：屋蓋收鋼結(jié)構(gòu)隆合攏由于國家系體育場外忠露的鋼結(jié)紹構(gòu)，尺度懂較大，溫悠度應(yīng)力占面它結(jié)構(gòu)作業(yè)用力里很殃大的一部畜分，所以唇要嚴格控精制鋼結(jié)構(gòu)遠的合攏溫凝度（經(jīng)設(shè)伴計計算確擠定為19膛±4℃）件。為保證陵施工時的升溫度滿足吃設(shè)計要求辯，由專業(yè)叫的氣象部療門每天在產(chǎn)現(xiàn)場跟蹤衛(wèi)、監(jiān)控“耀鳥巢”的民氣象資料瘡，同時委亂托專業(yè)的箱科研單位頂，在整個旱鋼結(jié)構(gòu)上枕布置60鏟個測溫點靈。8月份慌的北京，川只有凌晨堡才有可能紹達到設(shè)計鈔的合攏溫潛度（19猛±4℃）孕，所以施顯工單位便希選擇在每刺天的后半綠夜進行合件攏焊接。步驟四片：鋼結(jié)脊構(gòu)卸載鋼結(jié)構(gòu)的蘭卸載是國腔家體育場賭施工最重劣要的環(huán)節(jié)溪。成功卸搖載說明“絮鳥巢”不媽需要支撐胃就能獨立炸抵抗外力誕。卸載就越是拆除主夠桁架交叉津點下的7蚊8個臨時奔支撐架，馳每個支撐麻架上設(shè)兩逮個液壓千捕斤頂，安離排1個焊恨工，2個鏈機操工和印一個記錄補人員。在身場地中央鼠設(shè)置中央峽控制室，房誠統(tǒng)一指揮逗，控制支坑撐架同步餡卸載。步驟五：話吊裝次結(jié)足構(gòu)構(gòu)件安裝順序嘆對于大跨奇度結(jié)構(gòu)受娘力狀態(tài)影趁響較大。鳴在安裝過認程中，如咽果屋頂次踩結(jié)構(gòu)與主和結(jié)構(gòu)同時蝴安裝，次廁結(jié)構(gòu)構(gòu)件難內(nèi)力會明蛙顯增大，勒導(dǎo)致次結(jié)看構(gòu)構(gòu)件截酷面壁厚增畏大，結(jié)構(gòu)甚總用鋼量衫增加，主那、次結(jié)構(gòu)倒之間區(qū)別芬不明顯，工地震作用仗效應(yīng)增大根，難以按者指定的順翼序出現(xiàn)塑搶性鉸而形漁成良好的綿抗震體系眉。次結(jié)構(gòu)吊水裝完成12、舊高強鋼裁結(jié)構(gòu)的少低溫焊忙接為確保安國家體鐮育場鋼演結(jié)構(gòu)施漆工的順罵利進行善，通過菠試驗，葛試制出訓(xùn)滿足工送程需要沾的Q4描60厚爹鋼板，袍并總結(jié)腿出Q4筆60厚閃鋼板焊汗接技術(shù)持。在確埋保Q4投60高候強鋼材伸、鑄鋼蝴件的焊斬接必須肌在正溫橡環(huán)境實葬施的前績提下，城確定對案Q34削5D、廊Q34港5GJ猜D兩種初材質(zhì)進咳行負溫木焊接試致驗，涉譜及：板畫厚20注mm、帳60m音m，焊礎(chǔ)接材料以有焊條蓄、藥芯差焊絲、購實芯焊違絲，涵果蓋橫、播立、仰爛三種焊輸接位置賓，試驗振溫度確麻定在-澡10℃唇±駁5℃，路焊接參慕數(shù)執(zhí)行也正溫焊被接參數(shù)蒸。焊前預(yù)熱鋤及層間溫明度的控制福，采用測劫溫器具測拐量，預(yù)熱蝴區(qū)在焊道班兩側(cè)，其毀寬度為焊壓件厚度的汽2倍。預(yù)債熱工作由需專業(yè)人員穩(wěn)進行操作才，質(zhì)量控急制人員進悅行溫度檢屯查并做好指記錄。焊短接完畢后猛，焊工必挖須清理焊衰縫區(qū)的熔戶渣和飛濺罷物，檢查善焊縫外表紹面質(zhì)量，話合格后在榜工藝規(guī)定滾的焊縫及再部位打上屠焊工鋼印賄。13、矩形鋼雅管永久蜜模板砼賽斜扭柱病的施工腎技術(shù)針對國家姨體育場1孩24根跨竄層超高斜咬扭柱鋼筋遵密集、普浪通模板支仆設(shè)難度大浩及建筑效拌果要求高倉等特點，伶經(jīng)過現(xiàn)場勉試驗，最茫終確定采熊用矩形鋼滔管作為混社凝土斜扭頁柱的永久門模板，采載用高流態(tài)珍混凝土泵托送頂升工贊藝澆筑混航凝土。解求決了泵送落頂升工藝嶄在配制密悉集鋼筋矩圈形鋼模柱持混凝土施熊工的可行稱性，為超除長砼澆筑繁提供新思吉路。配合肥施工監(jiān)測四，提出類獅似工程最牧大泵送高叉度經(jīng)驗計陸算理論。矩形鋼管智永久模板份砼斜扭柱溜施工采用10粗mm—1勤4mm厚侵的鋼板組濤拼成矩形耐鋼管作為雷永久模板辰：技術(shù)相填對可靠；恩能有效保戲證節(jié)間質(zhì)姻量；極大預(yù)降低了斜翻扭柱的技阿術(shù)風(fēng)險和雙安全風(fēng)險現(xiàn)；整體性平好，施工漠簡便，可境節(jié)約工期液。矩形鋼管鋪永久模板按砼斜扭柱勤施工鋼筋綁扎欄：按設(shè)計潔要求的角枕度和一定坑的模數(shù)綁有扎鋼筋，晌并設(shè)置Ф戚10的導(dǎo)儀向鋼筋。添方鋼管永販久模板制各作：用鋼態(tài)板焊接而橋成，上表病面設(shè)Ф5專的溢漿孔好。矩形鋼管昌永久模板圣砼斜扭柱放施工高流態(tài)肚混凝土合的泵送易頂升：傍輸料管煎的出料具彎頭焊槐接固定旺在永久穩(wěn)鋼模的懼下部。演用軟管淺連接輸餓料管和妻出料彎褲頭，以倆減少輸輪料管對際柱腳模毛板的沖描擊力。趨泵送混蒸凝土，壯混凝土即從斜扭仁柱的下格部進入處，慢慢剝頂升至民上部。在工期紀緊張的漆情況下流，相比楚采用普炸通模板鈴分階段汪進行施宅工，在口柱體調(diào)魚整就位饅后即可陷進行頂雜部梁模主板及鋼陽筋的施蝴工，有撥效縮短濃工序銜批接時間算。大大檢加快施倦工進度霸，同時孫，混凝哲土澆注長過程中斧不需振貸搗，可即節(jié)省大庭量的混勤凝土用悅工和機英械臺班驕。14、糕屋面雨達水排水講系統(tǒng)國家體腦育場屋彈面雨水刑排水系拳統(tǒng)是采擁用重力紡排水系鋼統(tǒng)和虹逼吸式排仇水系統(tǒng)耀的組合兔系統(tǒng)，腔重力和直虹吸兩勝種系統(tǒng)棕的連接律部位為睬積水槽朽。屋面續(xù)雨水排踩水采用勢42個處組合系丑統(tǒng)。每心個典型些的雨水腔排水系稠統(tǒng)有以梁下部分戴組成：質(zhì)在屋面容雨水天耳溝中設(shè)撫置重力妙雨水斗期，約5澆00平情方米范強圍內(nèi)的仰膜單元狹及其維科護機構(gòu)輪內(nèi)的雨嶼水以重奏力排水葡方式接秤入懸吊湊在屋面印主維護爆結(jié)構(gòu)梁椒下的一斥個水平街的集水遮槽中。正集水槽島中設(shè)虹洗吸式雨聾水斗。勸2—3補個相近貸標高的妹集水槽旋內(nèi)的虹喉吸式雨