前不久，北京市科学技术奖励大会召开，北京市15项科技成果获得科学技术一等奖，“国家体育场('鸟巢’)钢结构工程关键施工技术与应用”位列其中。“鸟巢”钢结构施工技术创造了我国钢结构施工史上的奇迹，其钢结构施工难度是当今世界难度最高、最复杂建筑之一。“鸟巢”钢结构是怎样建成的呢？北京城建集团工程总承包部总工程师李久林揭开了“鸟巢”钢结构施工技术研究与应用的诸多秘密。
“鸟巢”的前期技术研究
李久林介绍说，“鸟巢”独特的建筑造型是由4.2万吨钢结构构件有序编织而成。钢结构工程是由24榀门式钢架围绕着体育场内部混凝土碗状看台区旋转而成，其中22榀是通过桁架对接拉通或基本拉通。钢结构编织顺序是先进行钢柱角安装，随后进行24榀门式钢架安装、屋面主结构安装、次结构安装、合龙、卸载等过程，整个钢结构安装历时13个月。施工技术决定工程成败的关键，对城建集团施工技术人员来讲，是一个巨大的挑战。
北京城建集团对“鸟巢”钢结构施工技术立项研究：为实现“鸟巢”独特造型，其肩部1.4万吨钢构件采用无固定线形的空间箱型弯扭构件。设计师仅提供控制点坐标，施工单位需要自行开发三维建模及展平放样软件。同时，大断面箱型弯扭构件加工制作技术在国内外尚无先例。工程结构跨度大、体型复杂，整体安装方案优化选择难度大，1.4万吨钢屋盖支撑卸载在全世界钢结构史上也是史无前例的。如何保证造型复杂、体型庞大的“鸟巢”钢结构的安装精度和建筑效果，需要研究相应的测控技术。
钢结构施工中的技术创新
“鸟巢”钢结构施工多项技术，在国内属首次遇到，如箱型弯扭构件制作技术研究与应用、钢结构综合安装技术研究与应用、钢结构合龙施工技术研究与应用、钢结构支撑卸载技术研究与应用、焊接综合技术研究与应用、施工测量测控技术研究与应用等六项最难施工技术，国内一无先例，二无规范可循，完全要靠北京城建集团集社会智慧，最大限度地挖掘和调动现场技术人员积极性进行技术研究与创新。“鸟巢”钢结构弯扭构件比较多，要把10到110毫米厚的钢板拧成麻花状，其难度可想而知。技术人员先后研究了弯扭构件的空间几何特性，开发出满足设计要求的箱型构件的三维建模及展平放样软件、研究弯扭构件的成型原理，最终研究出箱型弯扭构件制作综合技术。
李久林说：这些技术都要细化到每个细节方案，每一个大项就要有数百个小项，千余个细节，包括技术理论研究、技术应用、材质放样、构件胎架和设备、构件加工制作、质量检测等等。
在综合安装技术研究与应用方面，国家体育场主钢结构总用钢量4.2万吨，钢结构构件体型大、单体重量重，构件翻身、吊装难度大。例如桁架柱最大外形尺寸达25×20×68.5米，每延米最重达10吨，采取何种技术吊装完成如此体型庞大、对接口数量多、构件异形、构件翻身和吊装难度巨大的工程，国内外均无成功经验可借鉴。
北京城建集团技术人员通过工况分析计算，结合工程实践，总结出一套包括重心确定、吊耳设计、稳固措施及接口偏差调整措施等内容的异型复杂钢构件综合安装技术。
在高空安装方面，经过反复研究，最终确定采用高空散装方案，而合龙和卸载则是检验搭建能否成功的关键两步。李久林介绍道：国家体育场钢结构工程结构跨度大，传力体系复杂。有关部门协调并经过国家气象、规划等部门的研究论证，确定合拢温度为19度正负4度。在合龙温度确定下来后，经过反复择优比选并通过设计复核，主桁架、立面结构及顶面次结构的合龙线确定为四条合龙线。采取了先进行主桁架的合龙，再进行立面结构的合龙顺序。
随后又确定合龙方式和合龙口做法、合龙温度监测等。为确切掌握整个屋盖钢结构的温度场分布情况，测试点的布设尽量分布于整个屋盖区域。温度监测点设了60个，即顶面36个，立面24个。
历经2006年8月25至26日、8月28至29日、8月30至31日三个夜晚，顺利完成国家体育场钢结构工程合龙工作。600延米合龙焊缝自检探伤和第三方探伤一次合格率100%%，所有合龙口焊缝质量满足规范和设计要求。
接下来就是安装支撑体系及卸载技术研究与应用。由于“鸟巢”钢结构屋盖面积大，支撑点分布广，最优的卸载方式是78个支撑整体同时同步卸载。
卸载中，城建集团技术人员结合78个支撑点，分成外、中、内三圈。最终，卸载工人从最外圈的所有千斤顶上撤下钢垫片，“鸟巢”钢结构完全靠自身站立起来了，这一刻令全国人民为之激动。卸载结果完全满足结构设计要求和相关验收标准。最终实测卸载最大变形平均值为271毫米，比设计允许值286毫米还要少15毫米。
在“鸟巢”钢结构施工技术创新中，钢结构施工测量测控技术研究及应用、焊接综合技术研究与应用成果卓著。北京城建集团在测量控制手段上应用全站仪、数字水准仪以及结合GPS控制测量手段等建立高精度三维工程控制网，应用基于智能化全站仪及相关工业三维测量系统等集成式精密空间放样测设技术。应用三维激光扫描测量技术对钢结构构件拼装、安装的空间形态进行实时或准实时的精确检测和完整记录。
国家体育场工程为全焊接钢结构，总用钢量4.2万吨，焊缝总长度30万米，焊缝折算总长度280万米。针对国家体育场钢结构工程焊接特点，北京城建集团课题组人员围绕厚板焊接技术、低温焊接技术、焊接残余应力控制及仰焊技术等方面进行了研究。
在厚板焊接技术上，研究人员率先进行低温焊接技术研究，通过低温焊接试验研究低温焊接工作的可行性，经过工程应用研究总结出一套低温焊接管理制度。
2006年11月30日，国家体育场工程钢结构全部焊接完成，30万米长焊缝成形良好，自检及第三方探伤合格率达到百分之百，符合国家规范及设计文件的有关要求。
北京城建集团在“鸟巢”钢结构施工中的技术研究与应用，填补了我国钢结构技术多项空白，开创了钢结构技术之先河，为我国钢结构施工发展做出巨大贡献。 |
