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取消移动屋顶让鸟巢的结构用钢减少到4.2万吨
瘦身让鸟巢当时的总体造价概算减少到23亿元———
■第二章：瘦身
一个朴实的设计理念造就了一个外形奇异的建筑
让我们离开重新归于寂静的鸟巢工地，离开那孤零的工地守门人，先去探询一番鸟巢的起始。
鸟巢的外方设计师、国际知名的建筑师赫尔佐格和德梅隆，当他们在故乡瑞士的巴塞尔挂满中国文物造型的图片的工作室里，在图纸上画下第一根线条的时候，也许并没有太多考虑这个建筑的造型和建造技术上的可能性。
他们只想要抓住这个机会，实践一把自己的设计理念，设计一个回归本质的体育场。什么是体育场的本质呢？就是竞赛和观赛。
难道不是所有的体育场都是为了竞赛和观赛？
鸟巢的设计者和其他体育场设计者不同的地方，在于他的设计起点，是看台和赛场，以及看台和赛场这两者之间关系的推敲。
于是首先出现在两位建筑大师的图纸上的，是一个椭圆形的竞技场，这是运动员的舞台。
接着，是一个环围赛场的碗形看台。这个碗形看台的特征是东西高，南北低，这样东西两面就可以比南北两面布置更多的座椅。这是符合功能逻辑的一个设计。鸟巢的设计者认为，人在东西方向的视线和视野，比南北方向要更好一些。
鸟巢的中方总设计师、中国建筑设计研究院年轻的副总建筑师李兴钢，用陶醉的语言，描绘了鸟巢看台的美妙：
“这样一个环围的碗形看台，对运动员来讲，当他站在赛场中间时，会感觉到自己是九万多观众环绕的演员，是所有视线的焦点。环围的形状特别能强化这样一个效果。运动员在这样一种状态下，运动技能可以最好地被激发出来。而对坐在看台上的观众来说，则能感到和运动员的距离特别近，激发出最佳的欣赏状态。同时这样的看台，又容易在观众和运动员之间激起互动，营造出一个热烈的赛场氛围。”
100多年前，世界上第一个现代意义的体育场、第一届奥运会的主会场——希腊的泛雅典体育场，构成的要素也只有两个：看台和赛场。这个体育场也是每一届奥运会圣火交接的地方。但是中国的国家体育场，随着现代建筑技术的发展，需要在看台的上方有一个罩子为观众遮风挡雨。看台的后面，人员集散的大厅，也需要遮蔽，所以它又有了一个“外罩”。鸟巢的设计者为这个“外罩”所选择的形状，是一个和看台的形状基本吻合的——也是东西高南北低的马鞍形，一个看上去很简单很质朴的外形。实际上，那是一个巨大的钢结构。需要找到一个结构体系把那些钢柱、钢梁和钢架支撑起来。设计者们最后找到了，是一个编织的结构。它由主结构和次结构构成。主结构由交叉、相切的规则编织而成，次结构以放射状的规则编织而成。可当主、次结构，以同样的构件尺寸叠加在一起，就构成了一种不规则的视觉效果，具有强烈冲击力的视觉效果。
在北京举行的面向全球的奥运场馆设计方案招标活动中，鸟巢的模型，就是以它的这种强大的视觉冲击力，击败了其他12个入围的设计方案，成为2008年北京奥运会主会场的中标设计。
对这个造型奇异的模型，中国的民众，把它叫做 “鸟巢”。
瑞中联合设计体给出的造价概算是38.9亿元人民币，用钢量13.6万吨。
或许是当时的情境下可做的唯一选择
这的的确确是一个昂贵的造价。即便按9万个设计座位计算，每个座位的造价，也要超过4万元。2003年11月，在鸟巢还没有开工的时候，中央曾派出过一个专家组，对鸟巢的设计方案做可行性分析，重新评估鸟巢方案的造价，评估的结果是22.67亿即可完成。
这也的确是一个惊世的用钢量。参加到讨论中去的专家们一致认为，过于沉重的钢的外壳，不仅给鸟巢带来结构安全的风险，也是造价如此昂贵的最重要的原因。
最激进的反对者，提出把国家体育场的设计方案推倒重来。更多的专家学者，即便在激烈的争论中也保持着客观和理性，他们认为可以修改。
一个由清华大学土木系教授、钢结构专家董聪牵头的课题小组，受北京市政府有关部门的委托，负责对鸟巢进行结构优化。
2004年7月4日，中国工程院土木、水利、建筑工程学部再次召开奥运建筑专题研讨会。院士们在讨论中认为，如果鸟巢的外形不改变，要减少结构安全风险，主要办法在取消移动屋顶。这样做还可以减少1万多吨用钢量，节约4亿到6亿元。
可这个移动屋顶，正是21世纪的中国国家体育场一个独具的特色，也曾是当初设计招标的前置条件。
世界上许多事物都难以两全。最终，北京市政府接受了鸟巢“去顶”的方案。通过课题小组细致的工作——优化结构构件的截面厚度，采取局部构造性增强，提高主结构钢材等级，扩大开口等等一系列措施，鸟巢的结构用钢量减少到了4.2万吨。加上其他方面的“瘦身”，鸟巢当时的总体造价概算接近了23亿元。
这或许是当时的情境下，北京可做的唯一选择：鸟巢的结构安全性得到了保障，造价也降了下来。不过中国也失去了拥有一个世界上独一无二的活动屋顶的国家体育场的机会。
而在这场长长的对图案上的鸟巢的争议中，鸟巢设计的主角赫尔佐格和德梅隆倒是洒脱的。赫尔佐格在接受中国媒体采访时说：对一个设计有各种不同的意见，是正常不过的事情。一个建筑在它的建造过程中对原设计进行部分的修改，也是正常不过的事情。赫尔佐格坚定地告诉中国的记者：“有西方媒体认为，鸟巢将像埃菲尔铁塔一样被列入世界文化遗产。” 对他们来说，最重要的是设计方案已经和北京履行完了所有的法律和经济方面的手续这样一个无可更改的事实。这个奇妙的结果，也许原本就超出了他们的预期。
在停工近半年的日子里，鸟巢的建造者也没有让时间白白度过。他们已经开始了解到，这个外形看上去很质朴的建筑，其实有着异常复杂的结构形式。施工的难度，超出预计。图纸的深度不够，有许多技术问题要研究，他们就利用这段时间一个问题一个问题认真研究。失去了一个年度的黄金施工季节，却在战略和战术上有了更充足的准备。在2004年底，瘦身后的鸟巢接到复工的指令，以及到后来工程的全面展开，建设者们的技术方案和技术保障能够全面到位了。世界上的事物都有两面性，在一定的条件下，好事可以变成坏事，坏事也可以变成好事。
■第三章：混凝土结构
第一块底板
2005年是鸟巢的混凝土结构施工年。
工程的组织者，把整个鸟巢的混凝土结构，从东北角开始，按逆时针方向划分成A区、B2区和B1区3大作业区。A区的施工单位是中信国华，B1区的施工单位是北京城建集团四公司，B2区的施工单位是北京城建集团一公司 。
一开春，先是凿桩头。那些基础桩最上部的一小段混凝土是疏松的，必须凿掉50厘米到1米，然后做底板。桩基施工在桩头凿掉之前，还有一项工作是土方的开挖，一直要挖到底板的位置，把地下水降下去，在这一圈形成边坡并支护好。富于责任心的技术人员，在这种临时工程上也颇费匠心。比如在平面上，需要过车的地方用护坡桩，不需要过车的地方用土钉墙。在剖面上，上部用土钉墙，下部用护坡桩……在保证支护系统安全的前提下，最大可能地节省了成本。
鸟巢的第一块底板，在2005年5月5日凌晨1点开始浇筑。
它是B1区的一部分，面积有1000多平方米。因为是第一块，受到了格外的关注。4日的夜晚，总包方、设计方、监理方和施工方都到了施工现场，在灿亮的灯光照耀下，对底板进行浇筑前的验收。钢筋的位置、规格、数量，是不是符合质量标准？预留的空间，是不是预留到位？所有的项目都通过了验收者苛刻的尺度。各方负责人在验收单上签下各自的名字。浇筑的命令下达了，两台亚洲最大的混凝土泵车同时发出轰鸣。机声不间断地响到5日的下午3点，才停息下来。路过的飞鸟，唧唧喳喳地把喜讯传出去：第一块底板顺利完成。
怎么能不顺利呢？为了这第一块，担负施工的城建四公司，在事前准备了细致的浇筑方案、充足的机械和劳动力，派出了最好的震捣手。
让我们记住这块底板：在图纸上的位置编号为111-1流水作业段。它的完成，意味着鸟巢混凝土结构施工正式开始。
四大难题
许多建筑，画在图纸上很好看，建成以后，却不能达到预期的效果。鸟巢不是这样。建成后的鸟巢，把设计的效果，完美地表达了。外方总设计师德梅隆和赫尔佐格都说，鸟巢实现了他们的一个梦想。
建筑师关注更多的是建筑的实际效果和自己的设计理念在建筑上的体现程度。而对于鸟巢的建造者来说，关注更多的却不是效果本身，而是这样一个建筑给施工带来的难题。
鸟巢的混凝土结构，和鸟巢的钢结构相比较而言，难度要低一些，却超过迄今国内外其他任何建筑混凝土结构的难度。鸟巢的建造者们曾经概括过鸟巢混凝土结构施工的四大基础难题。第一个难题桩基问题，我们在上一章里记述过了。另外3个难题，已经成为北京城建集团国家体育场工程总承包部第三任总工程师的李久林，这样对我讲述：
“第二个难题是耐久性问题。鸟巢在设计中明确提出：设计使用年限为100年。这个概念，在建筑技术规范上有成文的标准和措施，施工方只要按照设计图纸施工，并通过检测和验收，这个建筑就被认可能够使用100年。可我们没有仅限于这样做。在混凝土结构施工部分，我们结合设计单位、混凝土供应单位、施工单位和科研单位，围绕鸟巢100年的耐久性目标，对影响耐久性的各个环节，从不同角度开展了系统的科研攻关，对当今世界上解决混凝土结构耐久性问题的各种技术手段，做了一个集成。首先，设计院要找出北京春夏秋冬四季气温变化的规律，混凝土结构在这种规律下将受到的温度的应力，从设计角度上控制鸟巢的混凝土结构的抗裂问题。怎么样让混凝土百年不裂？我们的设计师采取了一系列措施。如采用纤维混凝土，如采用预应力混凝土结构，等等。材料供应单位则从不同的材料配比上下工夫。如针对大型混凝土构件，在混凝土中掺加一定比例的粉煤灰来抑制它内部热量的产生，不使它产生内外的温差，以免产生裂缝。施工单位呢，又在混凝土浇筑前和浇筑中，进行了计算机仿真，模拟混凝土从浇筑、养护到完成以后整个过程中温差的变化情况、应力的分布情况，找出它的薄弱环节和改善措施。鸟巢建成后，我们又让专业的科研单位——国家检测中心，对鸟巢的混凝土结构做了全面的检测和评价，确认了鸟巢混凝土结构的寿命，在100年以上。
“第三个难题是预制构件问题。鸟巢的内场，整个是清水混凝土看台。在混凝土整体框架上，一共用了14700块预制清水混凝土看台板。在鸟巢之前，世界杯的德国慕尼黑主场，也用了许多设计元素，其中最典型的，就是它的清水混凝土看台。在这点上，鸟巢的设计是和国际接轨的。
“在国内，天津的奥林匹克体育场，也是清水混凝土预制看台。鸟巢要在这部分做出精品，让它成为建筑的一个亮点，真正和国际接轨，是我们要解决的问题。
“你看过鸟巢的看台了吧？14700块看台板，既是结构，又是装饰面，承载着80000个固定座位，色泽完全一致，而且，像瓷一样平滑。这不是容易做到的。这14700块看台板，构件型号就达1264种，几乎没有重样的。鸟巢看台呈椭圆形碗状，从底层到顶层，每层看台板的长度都不一样，每块板长误差只允许两毫米。看台板由北京城建集团构件厂和丰台榆树庄构件厂两个专业工厂加工。我们除了组织他们按照一个特定的质量标准进行加工之外，还解决了看台板和混凝土框架结构的偏差的结合问题。因为混凝土框架结构是现浇的，这种现浇结构的偏差，要大于预制结构。用一个相对误差大的东西去和一个相对误差小的东西组合，这两者的误差协调非常重要。混凝土结构必须达到非常规范的标准，看台板又要能消化一定的偏差水平。但依靠一个标准，不能解决所有问题，我们又在看台板的加工过程中，协调厂家对现场混凝土框架进行测量，让厂家根据实际尺寸进行加工，就变成‘量体裁衣’了。这样，使看台板不仅加工得非常漂亮，而且可以准确地安装就位。
“第四个难题，也是最难的，是异形框架结构问题。
“鸟巢混凝土结构的最大特点，是斜梁歪柱。也就是说这个混凝土框架结构，不像其他场馆式建筑是横平竖直的，而是东倒西歪的。这些东倒西歪的混凝土梁柱和外部的钢结构形成一个有机的整体，共同编织成鸟巢这样一个造型。
“所有的1800根混凝土柱子，都是1米乘1米见方。其中80%是倾斜的，最大的倾斜角度达60度。这些斜柱，又分成单向斜柱——柱面和地面成一个卡角。双向斜柱——柱面和地面成两个卡角。还有在单向倾斜的基础上，旋转一个角度，只有一条棱和地面相交，我们叫斜扭柱。有的柱子是一层和楼板交一次，有的是两层和楼板交一次，有的是三层，最多的是四层，我们叫跨层柱。柱子的长短也非常悬殊，最短的4.5米，最长的22米。距钢结构最近的柱子，距离只有10厘米，精度要求非常高，决不能偏，否则钢结构安装不上去。
“再有梁，也是倾斜的。最长的斜梁达到18米，跨二层和三层。鸟巢的外边梁，又是里出外进的，没有两个楼层上下是统一的。一个非常不规则的异形框架混凝土结构。
“这种结构的复杂性，在建筑史上史无前例。
“对于我们来说，从测量定位、施工工艺到模架模板体系，都是新的课题，其中以模板模架为核心。我们考察了国外的建筑：这种异形框架结构，可不可以采取预制的？国外有这种先例。可北京的建筑，按规定要能抵抗烈度8度的地震，从抗震的角度，必须现浇。现浇的先例，国外没有。
“我们决定集全社会之智，包括全世界之智，在总体技术规划下进行鸟巢异形混凝土框架模板方案征集。
“有6家国内外最知名的专业公司提交了方案并制作了样板。通过对方案的研究、考察、论证、评选，最后选择了三家做鸟巢的短斜柱模板供应商。三家分属不同的技术体系，我们兼顾了。
“3家公司分别供应了3个作业区。
“剩下那124根外围的、13米到22米的长斜柱，还要靠我们自己的科研攻关。”
7月29日，园林技师在国家体育场“鸟巢”周围种植荷花。 新华社记者格桑达瓦 摄
创造出了“矩型钢管混凝土泵送顶升技术”
北京城建集团国家体育场总承包部副总工程师杨俊峰，受命带领一个由总包技术部、施工单位和混凝土供应单位共同组成的技术小组，来具体负责这项工作。
对这124根长斜柱，也不是没有应征的方案，其中有4个，也进入了技术小组的初选范围。一种叫挂架爬模，一种叫桅杆式支撑，一种叫框式支撑，还有一种叫劲性结构。可这四种方案各有缺点。最大的问题是工期，4种方案都不能满足工期的需要。
工期逼迫得筑巢人日以继夜。经过日以继夜的研究，技术小组大胆提出了把这124根长斜柱的模板，用一种叫钢箱模的，做成永久性模板。这就是说，把原设计的清水混凝土柱子，改成钢管柱。
钢箱模，许多建筑都用过，不过以前都是圆的，鸟巢的是方的。以前的钢箱模里没有钢筋，鸟巢的钢箱模里有钢筋。最主要的，是以前钢箱模属钢结构领域，在鸟巢工程里，它被运用到了混凝土结构领域。
设计方同意了这种改变，随之出了变更图纸。
这就有了我们今天看到的包裹在钢板里的混凝土方柱，它们大部分分布在鸟巢的D轴和E轴上，和钢结构涂着一样的银灰色的装饰漆，和钢结构一样呈现着那种又质朴又庄重的美。从外观上，人们很难把它们和钢结构的桁架柱区分开来。但它们的建造者可以。它们就像是它们的建造者的儿子。哪里有父母不认识自己孩子的呢。
为了这些钢管柱，鸟巢的建造者创造出了混凝土结构施工中唯一一项获得自主专利的新技术，这项技术的专业名称叫“矩型钢管混凝土泵送顶升技术”。
这项技术用最简单的语言表述，就是：先把钢筋绑好，再把钢管一截一截套在钢筋外，焊成一体，然后从钢管底部用泵把混凝土顶上去。
在实验室计算好了所有的数据。试验柱，技术小组提出：就在现场做。
可设计、业主、监理等有关方面的意见并不统一。混凝土顶升，在既往钢结构领域的钢管柱施工中并不是新工艺，在鸟巢这样的混凝土结构的钢管柱上使用，则绝无仅有。北京城建集团国家体育场总承包部技术小组提出的技术方案完全没有先例，可供研究的时间又这样短促。反对者有许多的担心：担心侧压力大，钢板会崩模。担心如此长的斜扭柱顶不上去，担心即便顶上去了质量也达不到标准……一旦出现问题，谁也不知道还有没有补救的机会。
技术小组也担心。顶升过程中模内阻力到底有多大，技术小组也不知道。这种方法行不行，技术小组也没有把握。但就是认为：得试，不试不行。万一失败，把柱子砸了，重新做，也要试！多么可嘉的勇气，多么可贵的精神！
这124根柱子，是从零层顶板开始出现的。到2005年7月初，零层顶板的钢筋在绑扎的时候，就面临着使用哪种技术的问题。因为不同的混凝土浇筑方案，零层顶板的施工是不一样的。技术方案定不下来，几千人就面临着停工。
总承包部必须在非常有限的时间里，做出决策。
经过多次的讨论、论证，北京城建集团国家体育场工程总承包部当时的总工程师，也是第二任总工程师张从思，在矩型钢管混凝土泵送顶升技术原位实验的施工单上签下了自己的名字。
从这时起，承担着具体研究任务的技术小组，担当着实施主体的北京城建四分公司，和支持他们的总承包部，就要承担起巨大的风险。
在B1区的东南角，在零层，选定一根6.9米长的短柱做试验柱。在工厂焊好钢筋的钢箱模，被运到现场用吊车吊装就位，然后把钢筋对接，下面再封上钢板。我们可敬的鸟巢建造者们，为了这次试验，做了多长时间的准备呵。泵送顶升用的混凝土，是高流态混凝土，还要具备微膨胀的特性——当混凝土凝固后，要能适度膨胀以抵抗模板的收缩。负责材料供应的亚东混凝土公司，各种不同的材料配比，做了30多次实验。负责施工的四公司，对工人进行了详细的技术交底并进行了培训，又定做了专门的止回阀。试验前一天，有人忽然又提出了不同意见。再一次论证，再一次完善方案，重新取得了一致，试验得以如期进行。那年夏天特别热，可试验进行得出乎预想的顺利，只用了6分钟，混凝土就被顶上去了。用超声波检测凝固后混凝土的密实度，完全合格。
如果用常规的混凝土浇筑法——从上往下浇筑，同样长度的柱子，需要多长时间呢？需要两个小时以上。
在东北角，中信国华的A区，技术小组还在进行着另一个试验：选择另一根柱子，在现场绑钢筋，然后把钢模板套上去，焊好，用常规方式进行混凝土浇筑。这个试验得出的结论是：钢箱模分解现场套装，比一体成型现场吊装更加优越。
由四公司做了第三根试验柱：钢箱模分解现场套装，混凝土泵送顶升。这是一根跨两层的柱子，长11米。
这天比做第一根试验柱时更热。天空万里无云，阳光的火雨，没遮没拦喷射在大地上。现场的每个人都像从水里捞出来的一样。这天的试验，也没有第一次的幸运了。混凝土漏气、跑浆、堵管，怎么也打不上去。技术小组的人，一次次下到基坑里检查故障的原因，再设法排除。三个小时过去了，人已经热得要晕厥了，终于，故障全部消失了，在搅拌车里憋闷得痛苦万分的混凝土，开始顺着管道畅快地爬升，20多分钟，就升到了柱子的顶端。
试验成功了！
快晕厥的人，疲累不堪的人，一下子都生气回归了，精神抖擞了起来，笑了起来。
之后，技术小组的成员，把两次泵送顶升的试验数据，和常规浇筑法做对比，推导出一个经验公式，用来做正式的施工技术方案的依据。
这项“矩型钢管混凝土泵送顶升技术”，后来获得了北京市科技进步奖。
鸟巢混凝土结构的4个基础性难题解决了，却还有更多的难题，横亘在它的建造者们前行的道路上。（北京青年报 杨菊芳）
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