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、扭曲构件的设计方法与空间表示方法国家体育场屋盖肩部次结构扭曲构件主要以受弯为主，壁厚较薄，受力性能复杂。在设计中提出设置内部加劲肋的方式提高箱形扭曲构件的抗弯刚度，使翼缘的应力分布均匀，从而降低应力峰值。由于国家体育场扭曲构件在建筑工程中尚无应用，传统的制图方式无法描述其几何定位，因此提出一种适合于复杂空间扭曲构件的节点坐标表示法，根据精度要求选取构件棱线上的特征点、端点或与其他构件的交点，采用三次B样条曲线拟合空间扭曲构件的棱线。8、箱形截面桁架节点设计在“鸟巢”大跨度结构设计中，遵循“节点与构件等强度”的原则，充分发挥构件材料的强度，确保节点不先于构件破坏，构造简单、传力直接，保证其在各种荷载作用下的安全性，同时，加工制作相对容易。提出了大尺寸焊接薄壁箱形截面桁架单K节点、双K节点的几何构型方法。通过调整板件的角度，改善其传力的合理性。采用调整板厚、设置加劲肋等方法，在保证节点的经济性前提下，提高节点承载力，实现了“等强节点”的设计理念。9、异型柱脚及桁架柱复杂节点的设计国家体育场钢结构桁架柱由一个菱形内柱和两个近似方形的外柱组成，由于交汇于菱形内柱腹杆的数量多，角度复杂，对称性差，内柱与主桁架下玄杆节点最多有13根杆件交汇在一起。如果采用铸钢节点，其吨位很大，对材质要求很高，超过我国目前铸钢生产能力。并且质量控制比较困难。于是在设计中提出将腹杆侧壁与菱形柱内壁板共面，使得腹杆与内柱传力直接。在菱形内柱内设置水平加劲肋，增强菱形内柱在节点域的刚度，使得腹杆翼缘的内力能得到有效传递。桁架柱复杂节点图10、大跨度钢结构安装国家体育场钢结构工程由48榀门字钢架围绕混凝土看台旋转而成，主次结构截面均为箱形截面，桁架柱为三角形格构柱，其吊装单元最重达370t，吊装高度达68m。主桁架断面中心高度为12m，桁架最大跨度达102.4m，其吊装单元最重达262t。11、临时支撑架的设置因大部分看台混凝土结构先行施工，屋盖钢结构部分随后进行施工，要协调钢结构安装与混凝土结构施工的关系，保证混凝土看台部分连续施工、钢结构安装顺利进行，所以在屋盖主桁架交叉点的位置设立78个临时支撑架。步骤喉一：孕吊装迈主桁射架柱用2辨台8插00能t的列吊车齿分南盾北两态区同异时进遇行。仇对国订家体内育场扫的2弱4根鼠主桁银架柱血进行以吊装巡寿。步骤掩二：要吊装篮主结带构构月件主桁冷架柱寨吊装葬完毕宿后。每对大秆跨度钳钢结殊构屋纱盖主斗结构良构件斯进行粥吊装碍。步骤悬三：您屋盖电钢结政构合谅拢由于踢国家啦体育六场外撇露的符钢结仆构，故尺度雾较大著，温燃度应零力占叔它结乡丰构作恼用力按里很舒大的奏一部梨分，数所以溪要严湿格控寒制钢宫结构介的合甲拢温佩度（扰经设井计计造算确相定为姻19哥±4登℃）违。为贝保证收施工海时的锐温度贩满足闹设计抓要求旗，由胡专业退的气厨象部蔽门每兵天在筝现场陶跟踪万、监哑控“仅鸟巢居”的渔气象帽资料矛，同后时委川托专尊业的矿科研阔单位驻，在作整个杨钢结姑构上忘布置俘60剩个测律温点吹。8众月份般的北齿京，顺只有掏凌晨塑才有股可能蹦达到私设计似的合丝式拢温店度（顷19贼±4避℃）贸，所舟以施汉工单浅位便歌选择互在每瓶天的邀后半天夜进起行合椅拢焊桑接。步骤呀四：植钢结洋构卸至载钢结牧构的疲卸载凉是国宇家体酿育场嚷施工挣最重姑要的刘环节离。成皱功卸临载说乐明“超鸟巢喂”不旋需要凳支撑沙就能千独立被抵抗心外力丧。卸陡载就谦是拆示除主鬼桁架扎交叉输点下握的7灭8个健临时中支撑管架，势每个伯支撑榴架上吧设两纪个液幸压千棉斤顶仪，安铲排1继个焊眨工，错2个防机操水工和绝一个介记录翠人员榴。在诵场地她中央怀设置绍中央友控制付室，最统一耳指挥话，控餐制支哲撑架酒同步汉卸载刃。步骤磨五：骨吊装携次结稳构构跑件安装头顺序居对于度大跨染度结盏构受涝力状锅态影沙响较肤大。刚在安文装过惜程中头，如号果屋挣顶次糊结构柿与主缠结构器同时史安装衬，次辰结构波构件慨内力冬会明辽显增良大，仇导致柄次结对构构向件截荡面壁艇厚增恋大，统结构醉总用砖钢量蔬增加沉，主系、次覆结构挽之间春区别哄不明趁显，驰地震阵作用接效应暑增大宽，难凤以按钻指定落的顺君序出昂现塑碑性铰及而形桑成良型好的栋抗震忠体系堪。次结慎构吊透装完兴成12宏、高血强钢眯结构崭的低靠温焊丑接为确具保国规家体耽育场变钢结授构施摊工的述顺利叨进行终，通讽过试验验，穿试制艺出满促足工倒程需任要的贪Q4能60享厚钢朗板，着并总消结出仪Q4汤60运厚钢慰板焊凭接技究术。赠在确或保Q戏46呜0高思强钢片材、精铸钢隙件的亚焊接坦必须系在正她温环溜境实雁施的汁前提乔下，业确定躲对Q类34票5D捧、Q闯34毛5G寇JD芹两种午材质讲进行盛负温劫焊接饰试验州，涉梨及：炭板厚分20尼mm乎、6臂0m参m，未焊接戴材料络有焊揭条、日药芯正焊丝券、实迅芯焊骑丝，鞋涵盖费横、竭立、尼仰三抽种焊垫接位娘置，乘试验紫温度改确定某在-云10挡℃缎±医5℃躬，焊痕接参页数执绘行正笼温焊携接参理数。焊前蜻预热座及层探间温基度的密控制名，采童用测情温器锯具测捐量，撞预热大区在迫焊道箱两侧缴，其锣宽度书为焊泛件厚知度的晓2倍史。预睛热工祖作由辉专业蛾人员壮进行禁操作镜，质流量控键制人维员进嚷行温扯度检趁查并航做好豪记录喊。焊投接完栽毕后邀，焊狐工必宣须清造理焊年缝区翼的熔裂渣和撇飞溅臭物，胡检查模焊缝耽外表字面质带量，少合格筐后在凤工艺他规定酱的焊智缝及莲部位纹打上摄焊工令钢印干。13寺、矩形棍钢管当永久程模板据砼斜陵扭柱顿的施形工技仔术针对芝国家存体育暮场1秃24懂根跨赞层超扑高斜刮扭柱混钢筋户密集机、普牵通模大板支章设难趣度大地及建盛筑效纸果要组求高赚等特针点，坐经过罗现场回试验约，最胞终确益定采顺用矩咱形钢户管作坦为混虽凝土瓣斜扭资柱的逼永久薄模板停，采存用高理流态诵混凝机土泵灿送顶盈升工掏艺浇抚筑混培凝土旬。解券决了爽泵送进顶升鲜工艺介在配掏制密沃集钢阶筋矩幕形钢喜模柱堪混凝凤土施砖工的若可行振性，毁为超著长砼商浇筑烘提供省新思岭路。聪配合器施工炒监测匪，提胶出类锤似工喇程最遵大泵患送高难度经滴验计迹算理板论。矩形戚钢管当永久赔模板恩砼斜楚扭柱宣施工采用执10奶mm锦—1墓4m肆m厚懂的钢勇板组尝拼成粒矩形描钢管抹作为香永久属模板禾：技凉术相顺对可错靠；裕能有蔽效保灯证节米间质灿量；仁极大演降低理了斜缺扭柱景的技输术风绿险和托安全斯风险朋；整稼体性蜻好，壶施工互简便弊，可清节约及工期盐。矩形盖钢管墨永久磨模板绞砼斜塔扭柱闸施工钢筋蚁绑扎谈：按徒设计取要求坦的角鹿度和稻一定蹈的模楚数绑踩扎钢哄筋，无并设妄置Ф揭10递的导致向钢捡筋。扑方钢骡管永都久模矿板制订作：谈用钢拿板焊姥接而似成，晋上表安面设吹Ф5洞的溢槽浆孔鉴。矩形忘钢管龙永久位模板秧砼斜新扭柱泪施工高流胖态混猪凝土码的泵出送顶趋升：俱输料奋管的和出料逝弯头姜焊接逢固定纱在永玩久钢固模的博下部杀。用短软管穴连接唇输料顺管和振出料烫弯头鸦，以岩减少某输料缴管对刮柱脚排模板谈的冲谅击力左。泵锦送混锤凝土拆，混搁凝土厕从斜酷扭柱追的下芝部进惑入，遮慢慢攻顶升颗至上葡部。在工女期紧招张的警情况吗下，做相比快采用凤普通芒模板偏分阶形段进德行施育工，例在柱矛体调热整就岭位后雁即可狮进行逮顶部柏梁模炕板及役钢筋匪的施桨工，剑有效底缩短宾工序斩衔接驳时间战。大高大加坐快施宋工进愤度，第同时岩，混舰凝土悉浇注盈过程驰中不丢需振肌捣，榨可节理省大则量的帝混凝块土用销工和盾机械捡台班风。14输、屋歇面雨悄水排岁水系煮统国家遣体育排场屋董面雨屯水排埋水系炭统是挥采用盈重力数排水驻系统蝇和虹伸吸式躺排水谢系统绘的组凑合系兔统，孟重力叨和虹赔吸两辱种系犹统的就连接雨部位县为积葬水槽置。屋器面雨能水排贩水采丈用4伤2个我组合涨系统工。每假个典斥型的谢雨水生排水读系统幸有以陆下部污分组炕成：遍在屋槽面雨谊水天僻沟中睛设置嗓重力只雨水勇斗，皱约5爷00近平方钳米范塌围内挂的膜厦单元敞及其啊维护眨机构罪内的测雨水始以重绸力排万水方鸡式接窗入悬慌吊在唐屋面袄主维述护结建构梁蚂下的没一个叹水平降的集促水槽牢中。议集水慕槽中汁设虹量吸式弃雨水挪斗。前2—叫3个饱相近夜标高碰的集浴水槽心内的良虹吸双式雨填水斗届由一涉条虹器吸虹目吸排撒水悬凯吊管执和立中管连步接，恢立管坟沿建址筑外勒围