2013年，由北京城建集團有限責任公司(以下簡稱北京城建)、中國建筑設計研究院、浙江精工鋼結(jié)構有限公司(以下簡稱精工鋼構)、江蘇滬寧鋼機股份有限公司(以下簡稱滬寧鋼機)等單位完成的“國家體育場(鳥巢)工程建造技術創(chuàng)新與應用”獲得了2012年度國家科技進步二等獎。這是“鳥巢”繼獲得國內(nèi)外無數(shù)個殊榮后的又一重大獎項。
《建筑結(jié)構》發(fā)表過關于鳥巢的論文：
回眸“鳥巢”
2001年7月13日，在莫斯科召開的國際奧委會第112次全會上，北京獲得了2008年第二十九屆夏季奧運會的主辦權。
2002年，北京市規(guī)劃委員會舉辦了2008年北京市奧運會主場館的全球方案征集活動。由瑞士赫爾佐格德梅隆設計公司、中國建筑設計研究院與奧雅納工程顧問公司組成的設計聯(lián)合體設計的“鳥巢”在眾多設計方案中脫穎而出，成為評審委員會選出的3個優(yōu)秀方案之一。最終，“鳥巢”的設計方案成為2008年北京奧運會的主場館。“鳥巢”的總建筑面積約為25.8萬平方米，固定座席可容納8萬人，活動座席可容納1.1萬人。其建筑頂面呈鞍形，長軸為332.3米、短軸為297.3米、最高點高度為68.5米、最低點高度為40.1米。“鳥巢”的大跨度屋蓋支撐在24根桁架柱之上，柱距為37.958米。取消可開啟屋蓋后，固定屋蓋中間開洞長度增至185.3米，寬度增至127.5米。由于“鳥巢”大跨度鋼結(jié)構大量采用由鋼板焊接而成的箱形構件，交叉布置的主結(jié)構與屋面及立面的次結(jié)構一起形成了“鳥巢”的特殊建筑造型。
為保證“鳥巢”施工的順利進行，中國建筑設計研究院的有關專家對“鳥巢”的鋼結(jié)構設計方案進行了優(yōu)化。他們在結(jié)構布置、焊接薄壁箱形構件、桿件計算長度系數(shù)研究、鋼結(jié)構安裝順序研究、大量采用新型鋼材、軟件開發(fā)與結(jié)構優(yōu)化計算、結(jié)構用鋼量、預應力技術應用研究等方面做了大量細致的工作。
2004年11月22日，“鳥巢”設計方案通過了北京市“2008”工程建設指揮部辦公室主持召開的初步設計審查會，并通過了施工圖設計審查。
優(yōu)化“鳥巢”
由于“鳥巢”結(jié)構的復雜性、建筑造型的特殊性，企業(yè)在制作、安裝時有相當大的難度。為了減少構件制作的難度、降低加工成本，并減少現(xiàn)場施工的復雜性，有關設計人員對屋蓋結(jié)構的幾何構型進行了適當?shù)暮喕瑥亩蟠蠼档土藰嫾庸さ某杀尽?/span>
為了減少“鳥巢”的用鋼量，有關專家在設計焊接箱形截面構件時盡量采用較小的壁厚。合理地確定焊接薄壁箱形構件受壓板件的寬厚比與其他相應的實際措施，是保證結(jié)構的安全性、提高材料利用率、有效減小用鋼量的關鍵問題之一。在綜合比較了國內(nèi)外鋼結(jié)構設計規(guī)范、冷彎薄壁型鋼設計規(guī)范和相關研究文獻的基礎上，有關專家提出了根據(jù)箱形構件板件應力狀態(tài)確定板件有效寬厚比的方法與相應的構件設計公式，分別考慮拉、壓、雙彎、雙剪、扭作用，并在非線性有限元計算、構件試驗研究進行分析驗證的基礎上，將研究成果應用于“鳥巢”的焊接薄壁箱形構件設計中。
安裝順序?qū)Υ罂缍冉Y(jié)構用鋼量影響很大。在安裝過程中，如果屋頂次結(jié)構與主結(jié)構同時安裝，次結(jié)構構件的內(nèi)力將會明顯增大，導致次結(jié)構構件截面壁厚增大，增大結(jié)構總用鋼量增加;主、次結(jié)構之間區(qū)別不明顯，地震作用效應增大，難以按指定的順序出現(xiàn)塑性鉸，形成良好的抗震體系。合理布置臨時支撐塔架的位置與數(shù)量，對主結(jié)構構件在安裝過程中可能出現(xiàn)的應力狀態(tài)有較大影響。為此，有關專家對“鳥巢”大跨度鋼結(jié)構的建造過程進行了詳細的施工模擬分析。
為了有效地控制成本、縮短訂貨周期，有關專家決定“鳥巢”全部采用國產(chǎn)鋼材。厚鋼板選用Q345GJ鋼材，可以有效地減少結(jié)構的用鋼量，改善結(jié)構的安全性，對于控制用鋼量起到了很好的作用。在桁架柱內(nèi)柱受力最大的部位，為了有效地控制構件的最大壁厚、減小焊接工作量、使連接構造比較合理，有關專家在設計中采用了高強度的Q460鋼材。這是在國內(nèi)建筑工程中首次采用Q460鋼材。
為了使“鳥巢”大跨度鋼結(jié)構在設計中做到技術先進、經(jīng)濟合理，中國建筑設計研究院的專家會同國內(nèi)有關專家共同對預應力技術在“鳥巢”鋼結(jié)構中應用的可行性與合理性進行了深入的研究，有關專家從預應力方案選擇、計算分析、用鋼量指標、預應力索與錨具材料的可靠性、節(jié)點構造、構件加工制作、預應力索敷設與張拉、建筑效果、工期、造價等方面，對采用預應力技術的合理性進行論證。
“鳥巢”的結(jié)構優(yōu)化工作受到社會各界的關注。有關專家在修改初步設計與施工圖設計中，對主桁架、桁架柱、次結(jié)構的布置進行了調(diào)整，結(jié)構抗震性能與節(jié)點構造得到改善;利用有效寬度的概念，提出焊接薄壁箱形構件的設計方法;根據(jù)主結(jié)構與次結(jié)構受力的特點，合理確定桿件計算長度系數(shù);考慮安裝順序?qū)τ娩摿康挠绊懀侠泶_定臨時支撐塔架的位置與數(shù)量;通過合理選用鋼材材質(zhì)，做到優(yōu)材優(yōu)用;在ANSYS軟件平臺上開發(fā)了設計與優(yōu)化功能，適應復雜大跨度結(jié)構設計的需求;對采用預應力技術的可行性進行了深入的研究。通過采取上述綜合的優(yōu)化措施，有效地減小了結(jié)構用鋼量，達到了控制工程造價的目的，取得了良好的技術經(jīng)濟效果。
科技“鳥巢”
2005年5月23日，總承包單位——北京城建與精工鋼構、滬寧鋼機簽署的“國家體育場鋼結(jié)構鋼材采購及加工制作合同簽字儀式”。自此，精工鋼構、滬寧鋼機開始了前無古人的鋼結(jié)構制作和安裝工作。
“鳥巢”工程如何?在浙江省鋼結(jié)構行業(yè)協(xié)會舉辦的“十一五”工作匯報會上獲悉，精工鋼構在制作、安裝“鳥巢”的過程中攻克了8大關鍵技術難題，并取得國家級工法兩項、省級工法3項。精工鋼構所取得的8項關鍵技術難題為：一是彎扭構件專用深化設計軟件的開發(fā)及應用技術；二是彎扭構件無模成型加工技術；三是超大型復雜柱腳、桁架柱、空間桁架制作技術；四是大規(guī)則特大型空間鋼結(jié)構構件單機吊裝技術；五是大噸位實體構件不等標高長距離斜向滑移糾偏技術；六是三維坐標測量系統(tǒng)METORO應用技術；七是復雜鋼結(jié)構卸載技術；八是Q460E——Z35焊接性試驗研究新技術等十二大焊接技術等。此后，由精工鋼構、滬寧鋼機制作、安裝的“鳥巢”先后獲得鋼結(jié)構金獎、魯班獎等殊榮。
“‘鳥巢’團隊以高度的責任心和卓越的技術水平，向世人展示了史無前例的大型鋼結(jié)構焊接的奇跡。”這是國際焊接學會在第63屆年會上向“鳥巢”鋼結(jié)構工程頒發(fā)2010UGOGUERRERAPRIZE時的評價。UGOGUERRERAPRIZE是由意大利焊接學會出資贊助、用于獎勵當代杰出鋼結(jié)構建筑的設計及施工人員的最高獎項。這是我國首次獲得國際焊接大獎。
據(jù)精工鋼構有關負責人介紹，“鳥巢”的鋼結(jié)構焊接工程從一開始就以全面質(zhì)量管理思想為核心，指導整個焊接工程的順利進行。在進行技術準備時，他們建立了“鳥巢”鋼結(jié)構焊接工程質(zhì)量保證體系。質(zhì)量管理的核心是形成了專家顧問、焊接工程師、焊接技師及相關專業(yè)人員相結(jié)合的技術組織形態(tài)，以焊工培訓、焊材、焊機的選擇為基礎，以控制焊接裂紋為主導的焊接技術路線，在方案編制、無損檢測、預熱后熱等質(zhì)量控制環(huán)節(jié)上形成了一條科學嚴密的質(zhì)量保證體系。
