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2013年，由北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)北京城建)、中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院、浙江精工鋼結(jié)構(gòu)有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)精工鋼構(gòu))、江蘇滬寧鋼機(jī)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)滬寧鋼機(jī))等單位完成的“國(guó)家體育場(chǎng)(鳥(niǎo)巢)工程建造技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用”獲得了2012年度國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。這是“鳥(niǎo)巢”繼獲得國(guó)內(nèi)外無(wú)數(shù)個(gè)殊榮后的又一重大獎(jiǎng)項(xiàng)。
《建筑結(jié)構(gòu)》發(fā)表過(guò)關(guān)于鳥(niǎo)巢的論文：
回眸“鳥(niǎo)巢”
2001年7月13日，在莫斯科召開(kāi)的國(guó)際奧委會(huì)第112次全會(huì)上，北京獲得了2008年第二十九屆夏季奧運(yùn)會(huì)的主辦權(quán)。
2002年，北京市規(guī)劃委員會(huì)舉辦了2008年北京市奧運(yùn)會(huì)主場(chǎng)館的全球方案征集活動(dòng)。由瑞士赫爾佐格德梅隆設(shè)計(jì)公司、中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院與奧雅納工程顧問(wèn)公司組成的設(shè)計(jì)聯(lián)合體設(shè)計(jì)的“鳥(niǎo)巢”在眾多設(shè)計(jì)方案中脫穎而出，成為評(píng)審委員會(huì)選出的3個(gè)優(yōu)秀方案之一。最終，“鳥(niǎo)巢”的設(shè)計(jì)方案成為2008年北京奧運(yùn)會(huì)的主場(chǎng)館。“鳥(niǎo)巢”的總建筑面積約為25.8萬(wàn)平方米，固定座席可容納8萬(wàn)人，活動(dòng)座席可容納1.1萬(wàn)人。其建筑頂面呈鞍形，長(zhǎng)軸為332.3米、短軸為297.3米、最高點(diǎn)高度為68.5米、最低點(diǎn)高度為40.1米。“鳥(niǎo)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(kāi)啟屋蓋后，固定屋蓋中間開(kāi)洞長(zhǎng)度增至185.3米，寬度增至127.5米。由于“鳥(niǎo)巢”大跨度鋼結(jié)構(gòu)大量采用由鋼板焊接而成的箱形構(gòu)件，交叉布置的主結(jié)構(gòu)與屋面及立面的次結(jié)構(gòu)一起形成了“鳥(niǎo)巢”的特殊建筑造型。
為保證“鳥(niǎo)巢”施工的順利進(jìn)行，中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院的有關(guān)專(zhuān)家對(duì)“鳥(niǎo)巢”的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化。他們?cè)诮Y(jié)構(gòu)布置、焊接薄壁箱形構(gòu)件、桿件計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)研究、鋼結(jié)構(gòu)安裝順序研究、大量采用新型鋼材、軟件開(kāi)發(fā)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算、結(jié)構(gòu)用鋼量、預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用研究等方面做了大量細(xì)致的工作。
2004年11月22日，“鳥(niǎo)巢”設(shè)計(jì)方案通過(guò)了北京市“2008”工程建設(shè)指揮部辦公室主持召開(kāi)的初步設(shè)計(jì)審查會(huì)，并通過(guò)了施工圖設(shè)計(jì)審查。
優(yōu)化“鳥(niǎo)巢”
由于“鳥(niǎo)巢”結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、建筑造型的特殊性，企業(yè)在制作、安裝時(shí)有相當(dāng)大的難度。為了減少構(gòu)件制作的難度、降低加工成本，并減少現(xiàn)場(chǎng)施工的復(fù)雜性，有關(guān)設(shè)計(jì)人員對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，從而大大降低了構(gòu)件加工的成本。
為了減少“鳥(niǎo)巢”的用鋼量，有關(guān)專(zhuān)家在設(shè)計(jì)焊接箱形截面構(gòu)件時(shí)盡量采用較小的壁厚。合理地確定焊接薄壁箱形構(gòu)件受壓板件的寬厚比與其他相應(yīng)的實(shí)際措施，是保證結(jié)構(gòu)的安全性、提高材料利用率、有效減小用鋼量的關(guān)鍵問(wèn)題之一。在綜合比較了國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范、冷彎薄壁型鋼設(shè)計(jì)規(guī)范和相關(guān)研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，有關(guān)專(zhuān)家提出了根據(jù)箱形構(gòu)件板件應(yīng)力狀態(tài)確定板件有效寬厚比的方法與相應(yīng)的構(gòu)件設(shè)計(jì)公式，分別考慮拉、壓、雙彎、雙剪、扭作用，并在非線性有限元計(jì)算、構(gòu)件試驗(yàn)研究進(jìn)行分析驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，將研究成果應(yīng)用于“鳥(niǎo)巢”的焊接薄壁箱形構(gòu)件設(shè)計(jì)中。
安裝順序?qū)Υ罂缍冉Y(jié)構(gòu)用鋼量影響很大。在安裝過(guò)程中，如果屋頂次結(jié)構(gòu)與主結(jié)構(gòu)同時(shí)安裝，次結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力將會(huì)明顯增大，導(dǎo)致次結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面壁厚增大，增大結(jié)構(gòu)總用鋼量增加;主、次結(jié)構(gòu)之間區(qū)別不明顯，地震作用效應(yīng)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(shí)支撐塔架的位置與數(shù)量，對(duì)主結(jié)構(gòu)構(gòu)件在安裝過(guò)程中可能出現(xiàn)的應(yīng)力狀態(tài)有較大影響。為此，有關(guān)專(zhuān)家對(duì)“鳥(niǎo)巢”大跨度鋼結(jié)構(gòu)的建造過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的施工模擬分析。
為了有效地控制成本、縮短訂貨周期，有關(guān)專(zhuān)家決定“鳥(niǎo)巢”全部采用國(guó)產(chǎn)鋼材。厚鋼板選用Q345GJ鋼材，可以有效地減少結(jié)構(gòu)的用鋼量，改善結(jié)構(gòu)的安全性，對(duì)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(gòu)件的最大壁厚、減小焊接工作量、使連接構(gòu)造比較合理，有關(guān)專(zhuān)家在設(shè)計(jì)中采用了高強(qiáng)度的Q460鋼材。這是在國(guó)內(nèi)建筑工程中首次采用Q460鋼材。
為了使“鳥(niǎo)巢”大跨度鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中做到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理，中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院的專(zhuān)家會(huì)同國(guó)內(nèi)有關(guān)專(zhuān)家共同對(duì)預(yù)應(yīng)力技術(shù)在“鳥(niǎo)巢”鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的可行性與合理性進(jìn)行了深入的研究，有關(guān)專(zhuān)家從預(yù)應(yīng)力方案選擇、計(jì)算分析、用鋼量指標(biāo)、預(yù)應(yīng)力索與錨具材料的可靠性、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、構(gòu)件加工制作、預(yù)應(yīng)力索敷設(shè)與張拉、建筑效果、工期、造價(jià)等方面，對(duì)采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)的合理性進(jìn)行論證。
“鳥(niǎo)巢”的結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作受到社會(huì)各界的關(guān)注。有關(guān)專(zhuān)家在修改初步設(shè)計(jì)與施工圖設(shè)計(jì)中，對(duì)主桁架、桁架柱、次結(jié)構(gòu)的布置進(jìn)行了調(diào)整，結(jié)構(gòu)抗震性能與節(jié)點(diǎn)構(gòu)造得到改善;利用有效寬度的概念，提出焊接薄壁箱形構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法;根據(jù)主結(jié)構(gòu)與次結(jié)構(gòu)受力的特點(diǎn)，合理確定桿件計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù);考慮安裝順序?qū)τ娩摿康挠绊?，合理確定臨時(shí)支撐塔架的位置與數(shù)量;通過(guò)合理選用鋼材材質(zhì)，做到優(yōu)材優(yōu)用;在ANSYS軟件平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了設(shè)計(jì)與優(yōu)化功能，適應(yīng)復(fù)雜大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求;對(duì)采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)的可行性進(jìn)行了深入的研究。通過(guò)采取上述綜合的優(yōu)化措施，有效地減小了結(jié)構(gòu)用鋼量，達(dá)到了控制工程造價(jià)的目的，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。
科技“鳥(niǎo)巢”
2005年5月23日，總承包單位——北京城建與精工鋼構(gòu)、滬寧鋼機(jī)簽署的“國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)鋼材采購(gòu)及加工制作合同簽字儀式”。自此，精工鋼構(gòu)、滬寧鋼機(jī)開(kāi)始了前無(wú)古人的鋼結(jié)構(gòu)制作和安裝工作。
“鳥(niǎo)巢”工程如何?在浙江省鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)協(xié)會(huì)舉辦的“十一五”工作匯報(bào)會(huì)上獲悉，精工鋼構(gòu)在制作、安裝“鳥(niǎo)巢”的過(guò)程中攻克了8大關(guān)鍵技術(shù)難題，并取得國(guó)家級(jí)工法兩項(xiàng)、省級(jí)工法3項(xiàng)。精工鋼構(gòu)所取得的8項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)難題為：一是彎扭構(gòu)件專(zhuān)用深化設(shè)計(jì)軟件的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用技術(shù)；二是彎扭構(gòu)件無(wú)模成型加工技術(shù)；三是超大型復(fù)雜柱腳、桁架柱、空間桁架制作技術(shù)；四是大規(guī)則特大型空間鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件單機(jī)吊裝技術(shù)；五是大噸位實(shí)體構(gòu)件不等標(biāo)高長(zhǎng)距離斜向滑移糾偏技術(shù)；六是三維坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)METORO應(yīng)用技術(shù)；七是復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)卸載技術(shù)；八是Q460E——Z35焊接性試驗(yàn)研究新技術(shù)等十二大焊接技術(shù)等。此后，由精工鋼構(gòu)、滬寧鋼機(jī)制作、安裝的“鳥(niǎo)巢”先后獲得鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)、魯班獎(jiǎng)等殊榮。
“‘鳥(niǎo)巢’團(tuán)隊(duì)以高度的責(zé)任心和卓越的技術(shù)水平，向世人展示了史無(wú)前例的大型鋼結(jié)構(gòu)焊接的奇跡。”這是國(guó)際焊接學(xué)會(huì)在第63屆年會(huì)上向“鳥(niǎo)巢”鋼結(jié)構(gòu)工程頒發(fā)2010UGOGUERRERAPRIZE時(shí)的評(píng)價(jià)。UGOGUERRERAPRIZE是由意大利焊接學(xué)會(huì)出資贊助、用于獎(jiǎng)勵(lì)當(dāng)代杰出鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)及施工人員的最高獎(jiǎng)項(xiàng)。這是我國(guó)首次獲得國(guó)際焊接大獎(jiǎng)。
據(jù)精工鋼構(gòu)有關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，“鳥(niǎo)巢”的鋼結(jié)構(gòu)焊接工程從一開(kāi)始就以全面質(zhì)量管理思想為核心，指導(dǎo)整個(gè)焊接工程的順利進(jìn)行。在進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備時(shí)，他們建立了“鳥(niǎo)巢”鋼結(jié)構(gòu)焊接工程質(zhì)量保證體系。質(zhì)量管理的核心是形成了專(zhuān)家顧問(wèn)、焊接工程師、焊接技師及相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員相結(jié)合的技術(shù)組織形態(tài)，以焊工培訓(xùn)、焊材、焊機(jī)的選擇為基礎(chǔ)，以控制焊接裂紋為主導(dǎo)的焊接技術(shù)路線，在方案編制、無(wú)損檢測(cè)、預(yù)熱后熱等質(zhì)量控制環(huán)節(jié)上形成了一條科學(xué)嚴(yán)密的質(zhì)量保證體系。