国家体育场——鸟巢的钢结构资料（2）_风闻

     “鸟巢”的施工分为三大步骤：混凝土结构施工、钢结构施工、建筑内外装修与机电设备安装调试。纵横交错的钢铁枝蔓是“鸟巢”设计中最华彩的部分，是世界上跨度最大的钢结构建筑，也是鸟巢建设中最艰难的。看似轻灵的枝蔓总重达42000吨，全部采用中国自主创新研发的钢材。其中，顶盖以及周边悬空部位重量为14000吨，产生的重力难以想象。在鸟巢建设过程中，78根临时搭建的支撑塔架支撑着14000吨钢铁的枝蔓。78个受力点按所处的平面位置分布在鸟巢钢结构顶面的外圈、中圈和内圈上，其中外圈24个，中圈24个，内圈30个。

    整个鸟巢钢结构的跨度将近340米，高度达到了68米，相当于20层楼的高度，整个重量是42000吨，中间悬空部位为11200吨，产生的重力难以想象。对于如此重量钢结构，施工方采取了高空拼装安装方法。这种方法需要安装的过程中，在钢架下安置很多临时支撑点，鸟巢则安装了78个之多，分布在鸟巢钢结构的外圈、中圈、内圈上。其中外圈24个、中圈24个、内圈30个。

    钢结构卸载

  　根据严密计算和论证，整个卸载的过程分解成7大步骤，每一大步骤里又包含5个相似的小步骤，总共35个环节。每次按外圈、中圈、内圈再中圈、内圈的步骤来进行，如此循环重复七次，卸载完成.具体实施卸载时，每个小步的完成需要经过三个准确无误的工艺环节.在鸟巢安装过程中78个临时支撑塔架的顶部都设置了一些厚度不等的垫块支撑钢结构，第一环节，升起千斤顶，使它与“垫块”一起支撑鸟巢(垫块是指钢柱与鸟巢之间可以活动的块状钢铁，每一根钢柱的顶端都有50毫米厚的数块垫块)；第二环节，撤去钢柱顶端的第一层垫块，这个区域的受力完全由千斤顶支撑；第三环节，千斤顶缓慢下降，一直降到第二层垫块的高度，此时这个区域的受力再次由钢柱与千斤顶共同承担。就这样，千斤顶与钢柱交替受力，交替下降，在上述5个位置上重复后，5小步骤再循环往复7次，也就是7大步骤，直至卸载完成。

    千斤顶下面的垫片是“Q35”钢（Q代表钢材的强度，35代表35兆帕，兆是10的6次方，帕是压强单位帕斯卡。Q35就是钢材受力强度达到35兆帕时才会发生塑性变形），它承受的最大压力是300吨，可以承受千斤顶在卸载过程中的压力。这些垫片在设计的过程中，经过反复论证才做成了现在的厚薄不一的样式。原因：首先是要有足够的高度，但同时垫片也不能太高，高了以后会影响水平力的稳定性。所以，一般情况下垫片的高度是40、50毫米，每块垫板的厚度为10毫米、20毫米各不相等。

    卸载后，鸟巢的钢结构会出现正常的沉降和扭曲，如果沉降和扭曲程度在设计控制的范围内，那么卸载就成功了。卸载成功，将标志着鸟巢真正从图纸转化为实体，展现出中国人自主创新的能力。 

　　工程解读

　　当初为什么要用钢架支撑：安全与经济决定钢架方案

　　对于鸟巢为什么要用这些钢架支撑的问题，有关人员表示，如果不用这些钢架支撑，前期焊接施工的几十个小时就需要几辆800吨吊车自始至终将钢结构吊在空中，而这些吊车每台租价每小时需5000多元。用78根临时钢柱支撑钢结构，既经济，又保证了焊接过程中工作面的稳定和安全。

　　鸟巢的每一次部分卸载只有几毫米，和整个国家体育场相比微乎其微，靠肉眼都很难看出这种变化。如果直接卸下支撑钢柱，由于钢结构自重大，突然一下子往下沉，容易造成钢结构断裂。“就像摔跤，一下子摔倒在地面上，容易摔骨折。”

　　为什么不一下子卸：直接卸载易造成主体断裂

　　整个卸载工作将拆除鸟巢钢结构的78个临时支撑点，整体钢结构在独立承担重力后将出现不同程度的下沉，最大下沉距离不超过30厘米。根据设计要求，外圈的下降总量将控制在67—70毫米，中圈161—178毫米，内圈208—286毫米。

    “鸟巢”钢结构的卸载逐步卸载的方式。侯兆欣对此解释说，这是出于保证平稳“降落”的考虑，卸载需要一步一步进行，使整个钢架均匀、同步、持续地受力，最终达到独立承重的目的。在“鸟巢”钢结构卸载结束后，中国钢结构协会钢结构焊接分会理事、中国著名的钢铁焊接专家戴为志介绍道，这次卸载非常成功，实际数字和操作数字高度一致，非常圆满。

　　戴为志说，鸟巢确实是一个设计工程，相当复杂，很难控制。卸载从总体上来讲其实是对钢结构的加载，如果加载速度过快，就对钢结构产生冲击，对质量不利，这也是我们划分七大步35小步的目的。在具体实施卸载时，每个小步的完成其实是需要经历三个准确无误的工艺环节：在鸟巢安装过程中，78个临时支撑塔架的顶部均设置了100mm或200mm高，厚度不等的垫块支撑主体钢结构。第一环节，升起千斤顶，使它代替临时支撑塔架撑起鸟巢；第二环节，撤去临时支撑塔架顶端设计所要求高度的垫块；第三环节，千斤顶缓慢下降至解除撑力的高度，鸟巢剩余荷载又转化为临时支撑塔架撑起。这个过程是循序渐进的，要由千斤顶与临时支撑塔架柱交替受力，交替下降。每圈所有的受力点完成一遍三个环节才算完成一小步，循环35次后，鸟巢的全部荷载就转化为自身承受，卸载完成。

　　说起来似乎很简单，其实过程相当复杂。首先，步骤繁琐。其次，做工精细，五七三十五个步骤都必须严格控制下降的距离。在卸载的环节中，所有的距离都必须精确到毫米。外圈总下降量将达到68~286毫米；中圈161~178毫米；内圈208~286毫米。如果鸟巢在自身受力后，主体钢结构下降幅度超过这个距离或是出现局部裂缝等结构问题，那么就意味着鸟巢在过去三年的设计、制造、施工等环节中存在问题。因此，卸载成败是检验鸟巢成功与否的标志。

       在卸载环节中，运用了3项高新技术：第一是采用了计算机仿真模拟技术，把世界上最先进的各种技术集合在一起，将35次卸载的每一个点，比如外圈的点要卸七次，中圈和内圈的点要卸14次，都精确到毫米这个单位。第二是采用计算机同步控制系统，保证整个卸载的78个点都是同步进行。如果最后一圈的30个点在卸载过程中出现一点问题的话，比如漏油或者设备出现故障，就会马上停止卸载，等故障排除后再开始卸载工作。第三个技术是采用结构监测和安全检测技术保证每次卸载的成功。设置了一个监测设备，在整个卸载过程中，整个“鸟巢”的卸载都是在受监测的环境下进行的。如果发现监测的数据和计算的数据有误差或者偏差很大，也会停止卸载，找出原因问题解决后再继续往下卸载。

       整个卸载过程完全由电脑操控，电脑终端和指挥中心就在鸟巢体育场的中央。两次卸载之间要间隔一小时左右，其间每一个技术数据都会由众多的传感器从卸载点传到中心，对卸载的效果进行监测和评估。卸载指令也通过这个“神经中枢”传递到每一个卸载点，显示在每个卸载区块的三种颜色灯上，绿色代表开始下降、黄色代表暂停下降、红色代表两个以上的受力点下降距离不同步，需要停止。

　　这次卸载中的钢结构焊接和传统的操作技术有很大的区别：整个焊缝非常长，这么大的焊接工作量不论在全国，乃至全世界都是非常少的。所有的焊缝合格率相当高，几乎100%合格，这是钢结构焊接市场的典范。

    “国家体育场钢结构支撑塔架卸载最后一步卸载到位，钢结构与支撑全部脱离，数据检测正常，最大变形量实测值271毫米，完全满足设计要求。”总包、业主、监理和设计四个项目的负责人审核卸载成果后，一起在国家体育场钢结构卸载确认单上签字。现场总指挥宣布：国家体育场钢结构卸载顺利完成!由此，42000吨的铁骨将永远屹立于世界的东方，成为北京的地标性建筑。