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北京城建揭秘鳥(niǎo)巢工程建設中鋼材等技術(shù)難題

作者:鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間:2009-12-23 10:01:31 [收藏]

    2006年底,最后一根5米長(cháng)的次結構箱型鋼構件,身披大紅緞花,徐徐進(jìn)入預定工位。這標志著(zhù)國家體育場(chǎng)的鋼結構安裝即將全部完成,“鳥(niǎo)巢”工程實(shí)現了完美合龍。在眾人欣賞這一工程的同時(shí),“鳥(niǎo)巢”的建設者也向外界披露了他們在建設過(guò)程中的種種難題。
    “鳥(niǎo)巢”工程難度空前

    建設中的國家體育場(chǎng)是北京2008奧運會(huì )的主會(huì )場(chǎng),奧運會(huì )期間可容納觀(guān)眾9.1萬(wàn)人。工程占地面積20.4公頃,總建筑面積約25.8萬(wàn)平方米,檐高68.5m,東西長(cháng)297m,南北長(cháng)333m。體育場(chǎng)建筑呈橢圓的馬鞍形,外殼是由約4.8萬(wàn)噸鋼結構有序編織成“鳥(niǎo)巢”狀的獨特建筑造型;體育場(chǎng)內部為上、中、下三層碗狀看臺。觀(guān)眾坐席下為5-7層混凝土框架結構。

    由于設計理念凸顯“綠色奧運”,“鳥(niǎo)巢”在施工中有很多難題是獨一無(wú)二的,在國際上沒(méi)有現成的參考答案,只有依靠自己的科技創(chuàng )新獨立解決。

    北京城建集團國家體育場(chǎng)總承包部總工程師李久林表示:“施工技術(shù)的難點(diǎn),來(lái)源于工程的特點(diǎn)。這個(gè)工程與別的工程最大的不同點(diǎn)在于,設計師追求的是雜亂無(wú)序、渾然天成的建筑結構造型,只是在圖紙上畫(huà)出了一個(gè)造型,甚至是一條條曲線(xiàn),這種曲線(xiàn)不是用一個(gè)數字函數就能夠表現出來(lái)的,我們只能采用樣條函數曲線(xiàn)去描出來(lái)?!眴尉蜏y量來(lái)說(shuō),難度就很大。傳統的經(jīng)緯儀不行,只能用全站儀進(jìn)行監控。高峰期光全站儀就用了11臺……”

    組成智囊團破解難題

    在技術(shù)人員感嘆“鳥(niǎo)巢”工程難度的同時(shí),北京城建集團董事長(cháng)劉龍華,北京城建集團總經(jīng)理徐建云也都在思考著(zhù)如何破解這些世界性建筑難題。在建設高峰期,每周他們都親自到現場(chǎng)召開(kāi)工程協(xié)調會(huì ),為解決技術(shù)難題出謀劃策。

    針對國家體育場(chǎng)工程由于十分獨特的設計特點(diǎn)而帶來(lái)的極為復雜的施工技術(shù),北京城建集團優(yōu)中選優(yōu),抽調了各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的優(yōu)秀人才,老中青結合,組成“鳥(niǎo)巢”建設的“智囊團隊”,任命譚曉春為國家體育場(chǎng)工程總承包部經(jīng)理。

    集團公司總工程師、鋼結構專(zhuān)家張從思,集團公司原副總工程師、機電專(zhuān)家石善友,集團公司副總工程師、土建專(zhuān)家李清江都奉命來(lái)到國家體育場(chǎng)工地。一大批青年專(zhuān)家和專(zhuān)家顧問(wèn)也扛著(zhù)鋪蓋卷到“鳥(niǎo)窩”扎下?tīng)I盤(pán)。

    集團公司為支持“鳥(niǎo)巢”的自主創(chuàng )新,從本部科研經(jīng)費中抽出200萬(wàn)元,作為“鳥(niǎo)巢”的科研經(jīng)費。專(zhuān)家組聯(lián)合冶金建筑研究院、中國建筑工程研究院以及清華大學(xué)等科研院校設立科研課題,開(kāi)展科技攻關(guān)。

    針對“鳥(niǎo)巢”技術(shù)難題,14個(gè)課題組成立了。各自盡快入題到位。由于科技先行,“鳥(niǎo)巢”施工中的一個(gè)個(gè)技術(shù)難題被破解了,既保證了施工生產(chǎn)的順利進(jìn)行,又完成了一大批科技科研項目。

    “鳥(niǎo)巢”鋼材全部國產(chǎn)

    “鳥(niǎo)巢”這個(gè)輻射式旋轉而成的夢(mèng)幻般造型,使得4.8萬(wàn)噸鋼的受力點(diǎn)集中在了24根柱子和柱腳上。彎曲點(diǎn)也要承受巨大的拉力和應力。什么樣的鋼才能夠支撐起如此大的體量?這是技術(shù)人員遇到的第一個(gè)難題。

    “由于工程本身體量大,是國際上最大的鋼結構工程,帶來(lái)一系列結構難題?!鼻竦侣?,這位1996年畢業(yè)于清華大學(xué)水利工程系的博士這樣說(shuō)道,“采用什么鋼板焊接是個(gè)難題。這種鋼材在國內還是個(gè)空白。必須盡快研制出一種把這些相對立的特性統一起來(lái)的特殊鋼材,才能破解鳥(niǎo)巢用鋼的難題?!?

    2005年3月12日,一次特殊的會(huì )議在北京舉行。會(huì )議成員是北京市委、市政府領(lǐng)導和寶鋼、首鋼、鞍鋼、武鋼和舞鋼等國內7家鋼鐵巨頭的老總。會(huì )議的原因,來(lái)自“鳥(niǎo)巢”特殊的結構要求。

    “鳥(niǎo)巢”結構設計奇特新穎,鋼結構最大跨度達到343米。如果使用普通鋼材,受力厚度至少要達到220毫米。這樣一來(lái),“鳥(niǎo)巢”鋼材重量將超過(guò)8萬(wàn)噸。而且鋼板太厚,焊接起來(lái)更難。

    “鳥(niǎo)巢”的科研技術(shù)人員,對“鳥(niǎo)巢”的特殊用鋼進(jìn)行專(zhuān)項研究。最終,為舞陽(yáng)鋼鐵廠(chǎng)提供了指導性的軋制方案。

    2005年7月,為“鳥(niǎo)巢”準備的110毫米厚的Q460E鋼板經(jīng)過(guò)舞陽(yáng)鋼廠(chǎng)的反復實(shí)驗,軋制成功并進(jìn)入批量生產(chǎn)。400噸Q460E鋼材,成了“鳥(niǎo)巢”鋼筋鐵骨中最堅硬的一部分。同時(shí),首鋼、鞍鋼等企業(yè)也接下了GJ345D、345C、420C等高強度鋼材的生產(chǎn)訂單。在奧運工程中,所有鋼材全部實(shí)現國產(chǎn)。

    自主研究完成澆筑

    “鳥(niǎo)巢”的外罩由不規則的鋼結構構件編織而成,里面的混凝土結構與鋼結構相互獨立,建筑師在混凝土看臺和鋼結構外罩之間的空間里,設計了很多傾斜的混凝土柱子來(lái)支撐建筑。124根鋼管柱、228根斜梁、600多根斜柱、112根Y形柱與空間曲形環(huán)梁相互交織。如何既保證這些混凝土柱子的結構要求,又能不影響“鳥(niǎo)巢”的整體美觀(guān)?

    北京城建集團國家體育場(chǎng)工程總承包部專(zhuān)家組幾經(jīng)論證,一個(gè)兩全其美的方案誕生了。先像其他混凝土結構一樣綁扎好鋼筋籠,然后再從上面一節一節套上方鋼管,鋼管連接好后再在鋼管里澆筑混凝土,形成與鋼管一體的混凝土柱。這樣一來(lái)看不到混凝土柱,既安全又美觀(guān),卻加大了施工難度。

    邊長(cháng)一米的方鋼管被連接成120多根長(cháng)短不同、傾斜角度多樣的鋼柱,70%以上都是雙斜柱――一根柱子在垂直面上扭轉兩次。最高的鋼柱全長(cháng)21米,橫跨體育場(chǎng)一至四層;最傾斜的鋼柱和地面的夾角達到59度,鋼柱的最大自轉角度超過(guò)45度……

    要在這些高大傾斜看似雜亂的異型鋼管里澆筑混凝土,已經(jīng)是個(gè)不小的挑戰。何況鋼管內部還密布著(zhù)鋼筋網(wǎng)格―――縱向排列著(zhù)32根鋼筋,橫向每10厘米一排密集的箍筋。這樣密密麻麻的鋼筋網(wǎng),最多只能伸進(jìn)三根手指。要按照傳統做法,通過(guò)振搗棒振搗密實(shí)混凝土,談何容易?起初,工程建設者只能試著(zhù)從上口往鋼管里澆筑,每天從早到晚只能澆筑四五米。北京城建集團國家體育場(chǎng)工程總承包部經(jīng)過(guò)自主研究,提出了一個(gè)新方案:采用高流態(tài)自密實(shí)混凝土,采取高壓頂升、從鋼管底部注入混凝土,由底向上頂升逐步填充。這是一個(gè)從來(lái)沒(méi)有人用過(guò)的方法,結果卻非常理想。頂升混凝土不僅提高工效一倍多,而且質(zhì)量好,比預定的工期縮短了兩個(gè)月零兩天。

    天公作美順利合龍

    經(jīng)過(guò)工程設計專(zhuān)家、氣象專(zhuān)家、焊接專(zhuān)家、鋼結構專(zhuān)家的論證,2006年8月26日零點(diǎn)整,“鳥(niǎo)巢”鋼結構主體工程,在100多名焊工手中開(kāi)始合龍。這標志著(zhù)這座設計新穎、造型獨特的鋼結構工程安裝進(jìn)入倒計時(shí)階段。

    “鳥(niǎo)巢”主結構上合龍口有100多個(gè),次結構28個(gè)。合龍口要求精度非常高。合龍前,需要對接口進(jìn)行變形分析,并進(jìn)行處理,滿(mǎn)足合龍質(zhì)量要求。為確保合龍口焊接質(zhì)量,項目質(zhì)量人員對每個(gè)焊縫都進(jìn)行探傷檢測,保證道道焊縫絕對合格。

    此次合龍有一大難點(diǎn),就是對焊接的溫度要求相當高,鋼結構合龍溫度控制好壞,將直接影響到鋼結構的安裝安全。經(jīng)過(guò)工程技術(shù)人員對北京市百年來(lái)氣象資料的分析,找到適宜的合龍時(shí)間,經(jīng)過(guò)認真計算,確定了19℃±4℃為最佳合龍溫度。為確保溫度測量準確,工程技術(shù)人員在鋼結構上設立了60個(gè)觀(guān)測點(diǎn)。

    合龍計劃分三次完成,8月26日凌晨開(kāi)始第一次從東北到西南方向合龍;8月28日凌晨開(kāi)始第二次從西北到東南方向合龍;8月30日凌晨開(kāi)始第三次進(jìn)行立面次結構合龍。前兩次合龍很順利。

    8月30日,全天悶熱,晚上6點(diǎn),開(kāi)始下起了小雨,這對降低鋼梁表面溫度有利,工程技術(shù)人員緊緊盯著(zhù)現場(chǎng)上的溫度測量數據傳送終端??墒怯暝较略酱?,早已等候在作業(yè)面上的作業(yè)人員有些吃不住勁了。這樣的天氣,溫度降下來(lái)了,還能焊接嗎?

    天公就是這樣成人之美。到23點(diǎn)30分左右,雨竟然停了,溫度正好達到合理溫度要求。

    零點(diǎn)整,第三次合龍正式開(kāi)始。午夜,“鳥(niǎo)巢”的上空,焊花閃爍,經(jīng)過(guò)緊張的焊接,鋼結構合龍終于在次日凌晨順利完成。

    在新一年中,“鳥(niǎo)巢”的膜結構、設備安裝、太陽(yáng)能利用等更復雜的施工挑戰,也將開(kāi)始,而這同時(shí)也將是“鳥(niǎo)巢”創(chuàng )新的繼續。


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