创专利实现建筑梦想 “鸟巢”见证中国智慧(图)

　　在25.8万平方米的建筑面积上，玩转4.2万吨钢材，将其如积木般且非常规地搭建成一个奥运会主会场，而且拥有100年以上的使用年限，能在如唐山大地震般的外力下，保持屹立不倒。这样的“鸟巢”，正如英国《泰晤士报》所指出的其建筑学价值那样：测试大量最新技术，一切努力均是为了实现将“表皮”和“建构”融为一体的新建筑梦想。

　　4月17日晚拍摄的国家体育场（“鸟巢”）前的广场夜景照明灯。新华社记者杨磊摄

　　这个目前世界上规模最大、用钢量最多、技术含量最高、结构最为复杂、施工难度空前的超大型钢结构体育设施工程，从钢结构到膜结构到混凝土结构，施工中每一步，无不是一个又一个世界级建筑难题。“没有先例，没有经验，没有软件……所有的一切，只有靠我们中国人自己的智慧，只有通过自主创新来解决。”北京城建集团国家体育场工程总承包部副总工程师邱德隆说。

　　要建“鸟巢”先拆“鸟巢”

　　一项建筑的完成，简而言之为三部曲：设计、零部件加工和安装。记者仔细了解下来，在“鸟巢”的实际建筑过程中，其难度之大，完全超乎人们的想像。

　　第一道大难关，就来自设计。“鸟巢”之壮美，其中的关键在于它真如鸟巢般异常复杂的结构。可它最初只体现在设计单位提供的150多张图纸上。如何才能将其变成可行性的建筑实体？为此，建筑方先拆“鸟巢”，即进行大量深化设计工作。李久林主持编制了国家体育场工程施工组织设计大纲、施工组织总设计、钢结构安装施工设计等各类施工组织设计和施工方案500多项，并和他的团队用了几个月的时间，经过反复的大量分析、计算与试验研究，最终将这150余张钢结构设计图细化成了两万多张深化设计施工图纸，每一张放大100多倍。为之后“鸟巢”工程施工打下了最牢固的“第一根桩”。

　　其中的细化程度，难以想像。单就“鸟巢”钢结构构件深化设计部分，参与其中的同济大学钢结构研究人员陈鲁说：“"鸟巢"钢结构有几万根不同尺寸、不同规格的钢构件，我们需要把每一根钢梁、钢柱的详细尺寸从建筑图纸中单独抽离、划分出来，计算出每一根的数据，提供给构件加工厂家，以便他们进行构件的制作和加工。”陈鲁说，为了完成这一工作，他们还专门编写了相关的设计绘图软件。

　　同济大学土木工程学院的工程师杨晖柱告诉记者，“鸟巢”的成功离不开之前的深化设计，这是对其理念的体现和技术的实现，对于如此独特、复杂的钢结构超大型建筑，其设计技术、技巧、工具等，在“鸟巢”之前尚无先例。单就这方面而言，如何将“鸟巢”按主次结构编制起来，在设计理论上已是个突破，而在一些针对性软件上的开发，也是中国建筑业方面的新贡献。

　　精益求精打造“钢筋铁骨”

　　“鸟巢”最让人折服的一点，就是其整个主结构，那些看似随意搭放的钢条，实际上却没有用一个螺丝钉，完全靠焊接技术将其牢牢连接在一起，且在没有一根传统建筑中必有直柱的前提下，能将整体受力问题合理解决。

　　其中可是大有奥秘。“鸟巢”工程中关注度最高、技术难度最大的就是钢结构施工。其最大跨度达到343米，相当于200个成年人手拉手的长度，其整体受力点主要集中在24个桁架柱上。什么样的钢能够支撑起如此大的重量和重力？这不仅是中国建筑科学家、设计家们的难题，更是世界建筑界的难题。一种完全由我国自主研发的叫做Q460的高强钢材由此诞生，在受力最大的6个桁架柱的最大受力部位肩负起如此重任，并由此实现了国家体育场全部用钢国产化。

　　要将“鸟巢”所用的所有钢材，包括新型的Q460，牢牢地焊接在一起，其焊缝总长达30多万米，相当于从北京到天津的一个来回。不仅如此，复杂的结构决定了会有多个杆件在同一个点上交汇。交汇杆件越多，焊接难度越大。为筑“鸟巢”，焊接工人共运用了180多项工艺，在同类工程中堪称绝无仅有。

　　与此同时，还不能用通常所说的“慢工出细活”来考量其难度。“鸟巢”的焊接工人们面对的不仅仅是工期限制，还有北京的季节温差所带来的难题。按工期要求，近一半现场钢材焊接要在冬季进行。北京冬季的室外气温常在0℃以下，而焊接一般要求在零摄氏度以上的“正温”条件下进行。钢结构合拢焊接时又正值北京夏季，而设计测算出的最佳合拢温度为15℃到23℃，于是那几天大家成了“夜猫子”，半夜12点后凉爽时才开工。经过四五天通宵达旦焊接，终于筑出“鸟巢”雏形。

　　如航天人般精益求精地打造着“鸟巢”的“钢筋铁骨”，将其“化整为零”，在地面理好“枝叶”，凑成一个个吊装单元，再在空中“筑巢”，而后再通过78个卸载点科学、安全地将其临时支撑搭架，中国建筑者们巧手搭建成“鸟巢”钢结构的同时，也创造出了一个又一个新的技术专利。

　　摸索着建成“坚定底盘”

　　根据测试，“鸟巢”主体结构设计使用年限达到100年以上，局部结构甚至可达120年，抗震设防烈度8度。如此庞大的一个钢结构，能如此坚如磐石，除了用高科技将看似杂乱无序的钢材纵横交错地构筑在一起的同时，更需要一个极其坚固的“底盘”———混凝土结构。

　　事实上，在人们视线触及不到的地方，有24个承台在地下默默地支撑着这个庞然大物。钢结构和混凝土结构之间，228根斜梁、124根钢管柱、600多根斜柱和112根Y型柱与空间曲形环梁相互交错，真如鸟鹊筑巢一般，共同构成了“鸟巢”独特的力学结构。

　　不仅如此，为了不让混凝土柱影响“鸟巢”钢结构部分的视觉效果，项目部对混凝土柱采取了特殊处理———钢筋绑扎好之后，外面还要套上方钢管，然后再进行混凝土浇筑，完成之后，混凝土柱整个藏在钢管之中，既起到了支撑作用，又不影响美观。但与此同时，所带来的就是更大的施工难度。因为这些钢柱如此“奇形怪状”，像麻花一样拧起来，最大自转角度超过45度，最倾斜的和地面的夹角达到59度。当然，建设者们也没被这道难题难倒。

　　“鸟巢”外罩由不规则的钢结构构件编织而成，其中边长一米的方钢管被连接成120多根长短不同、倾斜角度多样的钢柱，70%以上都是双斜柱———一根柱子在垂直面上扭转两次。最高的钢柱全长21米，横跨体育场一至四层；最倾斜的钢柱和地面的夹角达到59度，钢柱的最大自转角度超过45度。为了在这些高大倾斜、看似杂乱的异型钢管里浇筑混凝土，可是让建设者们绞尽了脑汁。最终，他们通过采取高压顶升、从钢管底部注入混凝土，由底部向上顶升逐步填充的方案，才解决了这个棘手的难题。当然，由此又产生了一个新的专利发明，即“超高矩形钢管永久模板钢筋混凝土斜扭柱施工工艺”。

　　就这样，一次次用心摸索，终于让所有的承台、斜梁、斜柱和环梁全部按设计计划建造出来了，它们像深深扎入泥土的树根，稳稳地托住“鸟巢”。

　　该项目总工程师李久林记得，光是在开工之初的技术准备阶段，他们就整理出了二十几项关键技术难题、十八项科技攻关项目，再加上建设部的科技示范工程，有将近二十项具有世界级技术难度的科研攻关项目，等待本应只是施工单位的他们去攻关。而且，时间有限，在很多方面没有先例可以借鉴、必须自己摸索的同时，却不能有半点闪失。无论曾面临多少道世界级难题，中国的建筑者们用他们的智慧最终成功跨越了这些障碍，筑就了世界级的“鸟巢”。