国家体育场工程中的关键技术观摩演示

参观“鸟巢”工程——学习国家体育馆工程中的关键技术一、引言2002年10月北京市《国家体育场（2008年奥运会主体育场）建筑概念设计方案》举行国际竞赛。

2002年12月，经过对参赛单位资格审查，14家单位参加了概念设计方案的角逐。2003年3月，国内外的建筑大师、建筑评论家、体育专家、结构专家、奥运会组织专家及北京奥组委的代表组成评审委员会。

2003年3月下旬，由评审委员会评出三个优秀设计方案，“鸟巢”方案以其独特的风格居三甲之首。

2003年4月，经严格的评审和群众投票，由瑞士赫尔佐格和德梅隆设计事务所及中国建筑设计研究院设计联合体共同设计的“鸟巢”方案最终中选。

二、概况

“鸟巢”——国家体育场位于北京市成府路南侧，是08年北京第29届奥运会的主体育场，承担奥运会开、闭幕式与田径比赛。国家体育场建筑顶面呈鞍形，长轴为332m，短轴为296m，最高点高度为68.5m，最低点高度为40m，固定坐席可容纳8万人，活动坐席可容纳1.1万人，总建筑面积约25.8万平方米。设计使用年限为100年。

国家体育场结构基础采用后压浆钢筋混凝土钻孔灌注桩基础，持力层承载力为卵石层。其大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上，柱距为38.0m。大跨度屋盖中间开洞长度为185.3m，宽度为127.5m。大跨度屋盖结构采用交叉平面桁架体系，由于主桁架与内环相切，其中一些主桁架在平面外微弯。主看台采用钢筋混凝土框架—剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。

“鸟巢”主结构布置图

国家体育场由24根桁架柱与主桁架+立面次结构共同形成抗侧力体系。而交叉布置的主结构与屋面及里面的次结构一起形成“鸟巢”的建筑造型。三、工程中的关键技术1、首次采用CATIA软件解决复杂空间结构建模问题顶面次结构与立面次结构均位于屋盖结构的外表面，存在大量空间扭曲构件，在设计中采用了航空、汽车制造业得以应用的三维建模CATIA软件，以解决复杂建筑的空间建模问题。2、首次提出下风振系数计算方法根据大跨度屋盖结构的特性，按照最大上吸力、最大下压力和半跨荷载差值最大原则确定最不利风向角，保证结构安全。但对自重效应显著的大跨度结构，下压风荷载效应起主要控制作用，在现行的规范《建筑结构荷载规范》中未做出相关规定。在国家体育场设计中首次提出并采用下风振系数的概念，采用时域法与频域法计算风振系数。3、在ANSYS软件平台上开发大跨度结构设计与优化功能结合国家体育场工程，在ANSYS软件平台上开发大跨度结构设计与优化功能，满足复杂大跨度结构设计需求。主要针对空间结构特点，将与大跨度结构设计相关的设计规范条文引入ANSYS软件，利用ANSYS的计算机语言开发工具，开发了大跨度结构设计与优化功能的模块，并可以与ANSYS软件原有功能配合使用，实现大跨度结构设计计算分析与设计技术一体化，填补国内的空白。4、大跨度罕遇地震分析在设计中编制了由地震波转化为反应谱的程序，为准确选择地震波提供了有效的工具，并开发了人工合成地震动程序，根据不同场地类型生成与地震动特性相吻合的人工波，对国家体育场大跨度结构进行了从施工过程至罕遇地震作用的全过程分析，找出结构的薄弱部位，并对出现塑性铰的位置，根据实际情况予以适当加强，从而满足“大震不倒”的目标要求。5、提出大跨度结构温度场计算方法

“鸟巢”钢结构暴露于室外，所以在钢结构表面使用太阳辐射吸收系数小、红外线反射能力强的浅颜色防锈涂层，尽量降低太阳辐射吸收系数。并通过对大跨度结构温度场的分析，确定钢屋盖在使用期间的最大温差，确定屋盖合理的合拢温度，保证结构的安全性和受力的合理性。6、焊接薄壁箱形构件设计方法为有效减少用钢量，在焊接箱形截面构件设计时采用较小的壁厚。然而，根据国内外现行钢结构设计规范进行薄壁焊接箱形构件时，一般只考虑箱形构件在轴心受压、纯弯及压弯时有效宽度的计算方法，鸟巢设计过程中，以板件应力状态的基础，提出焊接薄壁箱形构件有效截面的计算方法，考虑了受压较小板件应力值较低对有效宽度的有利影响与有效截面偏移量的影响，并给出构件在拉、压、双弯、扭作用下的计算公式。7、听扭曲懒构件谊的设挂计方烂法与籍空间悄表示后方法国家雾体育气场屋灿盖肩东部次筒结构危扭曲航构件内主要户以受捎弯为勤主，错壁厚年较薄民，受闸力性慈能复尽杂。恢在设绳计中狮提出单设置深内部末加劲勺肋的荷方式赔提高科箱形古扭曲俱构件效的抗锦弯刚慰度，朋使翼吊缘的悦应力稻分布侨均匀仪，从迟而降列低应友力峰砍值。渗由于锻国家筒体育寻场扭恼曲构巡寿件在侍建筑面工程融中尚装无应吹用，搂传统躲的制圾图方器式无饮法描竿述其夕几何绢定位柔，因定此提宜出一据种适鼠合于段复杂口空间茧扭曲挎构件养的节穴点坐歼标表爹示法响，根漆据精蠢度要轨求选迅取构肥件棱余线上沉的特救征点传、端袍点或认与其停他构租件的每交点浓，采藏用三主次B毙样条快曲线柱拟合尝空间月扭曲茅构件歼的棱箩线。8、萄箱形岗截面画桁架刺节点负设计在“饶鸟巢卖”大弦跨度叛结构好设计祖中，匆遵循观“节增点与龄构件舅等强锯度”岸的原革则，摸充分等发挥徒构件牺材料尚的强纠度，哥确保处节点索不先穷于构伏件破沉坏，莲构造珠简单廉、传炼力直省接，丹保证崖其在剂各种扣荷载务作用肚下的领安全此性，暑同时帅，加缠工制狗作相知对容殃易。躁提出致了大箩尺寸辈焊接便薄壁遭箱形荣截面毯桁架著单K隆节点宜、双密K节有点的乖几何墙构型膛方法洪。通鸡过调隶整板单件的溉角度各，改德善其苦传力谋的合语理性数。采削用调柔整板什厚、绣设置啦加劲护肋等猾方法份，在萄保证酒节点裁的经育济性缺前提飞下，坚提高无节点症承载晨力，态实现邪了“呼等强克节点阔”的祝设计哭理念额。9、塔异型豆柱脚豪及桁杠架柱诞复杂解节点活的设奇计国家岁体育艳场钢坑结构钻桁架未柱由缎一个穴菱形金内柱踢和两熄个近吊似方瓶形的挥外柱惭组成博，由块于交盗汇于电菱形裹内柱上腹杆棉的数肉量多维，角锻度复脆杂，竭对称棍性差东，内带柱与占主桁塌架下预玄杆程节点壮最多肠有1若3根青杆件盗交汇德在一考起。警如果过采用昆铸钢饼节点虽，其渗吨位先很大讲，对挂材质衣要求挑很高道，超舱过我母国目肠前铸嚷钢生蜓产能补力。磨并且权质量正控制巨比较膊困难错。于兄是在竖设计港中提角出将骂腹杆政侧壁缝与菱干形柱纠内壁稀板共丸面，涨使得喷腹杆听与内按柱传置力直森接。顿在菱症形内狂柱内狼设置专水平文加劲梅肋，塞增强角菱形炼内柱王在节弹点域游的刚计度，躺使得奸腹杆冒翼缘驶的内久力能蔽得到罩有效累传递躁。桁架锤柱复档杂节束点图10端、大趣跨度梳钢结瞒构安办装国家改体育聪场钢滩结构怖工程樱由4阳8榀耻门字壤钢架遗围绕舰混凝窝土看们台旋减转而话成，贡主次律结构宜截面茫均为蛇箱形垒截面墙，桁患架柱箩为三异角形裤格构查柱，夺其吊赢装单写元最齐重达厨37史0t常，吊宴装高梦度达扒68止m。洽主桁渠架断蛋面中咱心高断度为侄12屯m，阴桁架屡最大务跨度义达1兽02挣.4贼m，瞎其吊困装单稀元最纹重达夏26无2t蛇。11屿、临慕时支柿撑架我的设州置因大骗部分遭看台秤混凝庙土结加构先敢行施陡工，倦屋盖袭钢结安构部急分随躺后进劲行施谊工，拜要协腔调钢锋结构雄安装斤与混眉凝土番结构袜施工居的关网系，少保证铺混凝永土看基台部突分连买续施居工、肿钢结刺构安狠装顺趋利进池行，浑所以亲在屋轰盖主顺桁架恋交叉桶点的毁位置饼设立月78都个临五时支仰撑架血。步骤蔬一：探吊装低主桁油架柱用2透台8抄00协t的泄吊车梯分南虫北两胞区同鱼时进份行。关对国勉家体孩育场掘的2读4根训主桁性架柱闲进行漆吊装勿。步骤剥二：良吊装弊主结搬构构尾件主桁鞭架柱渗吊装该完毕淡后。雅对大画跨度授钢结剑构屋奴盖主优结构冤构件语进行蒸吊装室。步骤神三：压屋盖亮钢结透构合柜拢由于飘国家勒体育锤场外从露的没钢结凝构，冤尺度烤较大昨，温雅度应雹力占蔽它结绒构作睛用力将里很命大的寸一部辰分，趋所以舅要严幻玉格控智制钢锣结构誓的合痕拢温虚度（证经设新计计兰算确响定为叶19盈±4停℃）混。为纹保证骆施工宰时的叹温度苏满足高设计袜要求凶，由狠专业认的气电象部外门每暂天在觉现场限跟踪澡、监妇控“绞鸟巢非”的述气象壮资料当，同锄时委懂托专纸业的校科研培单位搂，在祝整个镰钢结铜构上责布置迅60筐个测络温点醉。8敏月份模的北山京，而只有志凌晨卫才有层可能然达到曾设计症的合墙拢温寄度（省19扣±4间℃）亭，所戒以施贫工单盐位便众选择窑在每萍天的揉后半旅夜进增行合腥拢焊俘接。步骤劳四：塘钢结弃构卸俊载钢结仔构的伤卸载袜是国诊家体穿育场额施工框最重瞒要的登环节临。成伍功卸孔载说予明“锈鸟巢肉”不戴需要暗支撑后就能纷独立厘抵抗寨外力盟。卸姐载就蒸是拆仪除主补桁架剧交叉遣点下谣的7婶8个糊临时用支撑政架，捆每个肌支撑矛架上集设两碰个液培压千毁斤顶戚，安说排1员个焊挺工，肥2个科机操裙工和略一个梢记录惑人员劫。在浆场地怒中央晋设置每中央折控制毫室，赌统一形指挥员，控即制支常撑架尼同步仙卸载皇。步骤抽五：庆吊装沾次结仍构构南件安装亿顺序省对于输大跨母度结层构受匀力状福态影老响较眼大。次在安躲装过眯程中挺，如躁果屋透顶次两结构燥与主寺结构笛同时符安装抽，次飞结构鸦构件初内力闸会明莲显增良大，起导致禁次结岔构构肾件截哭面壁辟厚增食大，将结构颜总用某钢量予增加必，主覆、次诵结构旷之间魄区别食不明伙显，竭地震稀作用蚂效应插增大佳，难椅以按捧指定单的顺览序出世现塑臂性铰大而形热成良符好的偶抗震屠体系松。次结估构吊坡装完躲成12奏、高究强钢通结构抗的低宣温焊美接为确未保国亚家体蓬育场摇钢结拆构施网工的耕顺利护进行方，通板过试绳验，卸试制修出满军足工防程需冶要的雷Q4计60屠厚钢临板，说并总独结出惹Q4辰60助厚钢购板焊镇接技析术。暑在确宣保Q规46件0高盯强钢自材、侍铸钢舟件的筒焊接凯必须抗在正侄温环芽境实柔施的择前提晨下，桑确定产对Q提34填5D糠、Q刊34水5G帐JD万两种袋材质所进行姥负温到焊接舰试验透，涉影及：讽板厚劳20限mm贸、6王0m啊m，串焊接杯材料储有焊止条、殃药芯食焊丝滑、实肺芯焊呆丝，糠涵盖并横、平立、结仰三刊种焊顿接位礼置，欧试验毫温度剑确定未在-乔10施℃森±傅5℃傲，焊论接参渗数执身行正妄温焊躁接参有数。焊前袭预热只及层倚间温键度的葛控制详，采唯用测首温器脚具测趴量，古预热旬区在坏焊道危两侧驱，其匆宽度皮为焊垫件厚芽度的悠2倍促。预锹热工薄作由缓专业盖人员猾进行律操作掌，质蒸量控诉制人召员进习行温唉度检惑查并薪做好厅记录奖。焊洋接完敬毕后吴，焊刚工必郊须清退理焊班缝区壶的熔畜渣和攀飞溅饿物，稀检查停焊缝渗外表魔面质组量，馋合格冻后在搅工艺出规定塔的焊早缝及飘部位慕打上蔑焊工读钢印织。13荒、矩形跌钢管拒永久秀模板垄砼斜眼扭柱弃的施尿工技进术针对勉国家临体育拆场1角24挽根跨级层超伟高斜热扭柱愧钢筋存密集欣、普牛通模伪板支太设难别度大排及建毫筑效蚊果要口求高沟等特著点，周经过弟现场旺试验柴，最洒终确宵定采圈用矩脉形钢担管作裙为混屑凝土答斜扭域柱的船永久贱模板添，采弓用高央流态芳混凝勺土泵毫送顶吸升工败艺浇泽筑混签凝土竞。解加决了员泵送打顶升初工艺伯在配哭制密阳集钢湾筋矩托形钢州模柱遵混凝通土施从工的窃可行拴性，世为超闻长砼沉浇筑睁提供抖新思咱路。陆配合堪施工漫监测悠，提疮出类董似工库程最影大泵时送高磁度经寨验计唱算理傻论。矩形耀钢管附永久火模板墓砼斜胁扭柱满施工采用摩10咐mm吧—1桂4m度m厚复的钢往板组咸拼成倚矩形暴钢管荡作为胡永久帮模板破：技商术相龙对可急靠；掀能有舟效保摆证节达间质样量；袄极大许降低请了斜幸扭柱兄的技丧术风搁险和撕安全胶风险察；整苍体性爹好，牙施工缩慧简便喉，可况节约督工期泄。矩形烛钢管百永久添模板咐砼斜继扭柱蹲施工钢筋钱绑扎象：按屈设计刻要求湾的角蓝度和走一定茂的模接数绑负扎钢斧筋，轰并设陪置Ф嘉10害的导首向钢跳筋。夸方钢堪管永纹久模暂板制桨作：增用钢套板焊哨接而孙成，获上表让面设坛Ф5低的溢钥浆孔占。矩形狸钢管删永久穷模板闭砼斜霞扭柱魄施工高流携态混鲜凝土径的泵历送顶疗升：典输料抱管的平出料安弯头帽焊接怜固定鲜在永旱久钢润模的妈下部殖。用暂软管辉连接滔输料款管和馒出料屠弯头刊，以洪减少门输料脱管对亮柱脚息模板更的冲践击力皱。泵符送混寄凝土们，混斯凝土枣从斜截扭柱舌的下跃部进捏入，啄慢慢衰顶升茄至上助部。在工寨期紧左张的虽情况陈下，顽相比钉采用素普通怨模板站分阶渐段进伸行施卧工，融在柱陶体调欠整就科位后咳即可恢进行柏顶部鬼梁模颤板及龄钢筋刮的施栽工，番有效苗缩短纤工序服衔接税时间俭。大稳大加晒快施乌工进鬼度，炭同时惜，混暗凝土克浇注挤过程厌中不留需振茄捣，路可节丑省大零量的子混凝粥土用大工和屈机械捎台班浸。14饲、屋扯面雨弱水排寇水系缓统国家牙体育伯场屋厉面雨缸水排电水系讯统是胀采用富重力忧排水挠系统敬和虹往吸式谨排水绞系统述的组涂合系惯统，业重力栋和虹杜吸两吴种系冲统的经连接脖部位歇为积糕水槽唉。屋手面雨输水排改水采数用4部2个辆组合却系统议。每筝个典拆型的船雨水原排水羞系统耍有以例下部爷分组蓬成：馆在屋影面雨慨水天扶沟中挎设置晒重力源雨水艰斗，驾约5己00旨平方鼓米范猴围内奇的膜秩单元主及其很维护非机构劈燕内的繁雨水客以重成力排难水方域式接标入悬音吊在茅屋面匹主维罚护结剩构梁堪下的零一个山水平捆的集爆水槽歌中。尘集水庙槽中