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設計師講述鳥巢國家體育場鋼結構卸載過程

作者:建筑鋼結構網    
時間:2009-12-22 20:26:10 [收藏]

    央視新聞頻道《新聞會客廳》9月20日播出節目《“鳥巢”站住了》,以下為節目內容:

      李小萌:您好觀眾朋友,歡迎走進《新聞會客廳》。2008年奧運會的主會場國家體育場自從被確定為是鳥巢這個方案之后就備受關注,也曾經被認為是不可能完成的任務,而9月17號,隨著一項重要的施工工序的完成,鳥巢已經從圖紙變為了現實。

      北京時間2006年9月14日,舉世矚目的2008年北京奧運會主會場??國家體育場“鳥巢”在歷經兩年多的建設后,終于迎來鋼結構施工最后、最重要的一個環節??鋼結構卸載。

      9月17日11時10分,最后第78根鋼柱卸載成功,鳥巢重達42000噸的鋼結構將擺脫外力的支撐,“靠自己站立起來”。隨即,這一歷史性的時刻通過手機、網絡、電視等各種傳播途徑迅速傳遍全國甚至全世界。

      一座注定將載入世界體育史、世界建筑史的建筑,它的建成無疑是國人的驕傲,但是作為這個建筑的核心當事人之一,范重無疑是最應該感到幸福和驕傲的人。

      李小萌:今天我們節目請到的就是鳥巢的鋼結構總設計師范重,歡迎您。

      范 重:謝謝主持人。

      李小萌:為什么卸載鋼架結構支架這樣一個步驟這么受到關注?

      范 重:在一個大跨度鋼結構里有幾個非常關鍵的階段,一個是建造階段最重要的一步就是鋼結構卸載,將來它在使用的階段,需要經歷地震,還有風、溫度的作用,可以這么說,在整個建造過程當中,應該說卸載標志著鋼結構主體的完成,可以獨立地承受自己的重量,抵抗外力的作用。

      李小萌:在卸載工程的那一天,作為總設計師,您要到現場嗎?

      范 重:這個卸載過程持續了好幾天,我們天天堅守在現場。

      李小萌:最后完成的那個時候您在現場嗎?

      范 重:在現場,我心情也非常激動。

      李小萌:在現場的什么位置?

      范 重:在現場的信息處理中心。

      李小萌:等到最后一根支架被卸開的時候,整個處理中心是什么樣的氣氛?

      范 重:鋼架卸載以后,應該說還不能馬上認為它脫離千斤頂的支撐以后就認為是成功了,我們要對各種數據進行分析,主要是下降的位移量、應力的情況,還有變形的情況,特別是有一些溫度,因為這個大跨度結構對溫度變型非常敏感,我們把所有的數據綜合起來判斷,感覺到符合設計要求,這種情況下我們才能通過專家的共同討論確認卸載完全成功。

      李小萌:這個階段是已經完成了還是還在進行當中?

      范 重:這個階段已經完成了。

      李小萌:我們也看到報道說,沉降最大幅度的是30公分左右,這個是在設計范圍之內的嗎?

      范 重:是的,根據我們理論的計算,鳥巢的最大變型量是286毫米,實際的卸載量變型是271毫米,這個是非常接近的,可以說接近程度在整個鋼結構建造史上,大跨度的建造史上也是屬于比較罕見的。

      李小萌:我們是外行,像沉降,包括因為溫度造成的變型,這些是不是還需要更長的時間去考核它才知道是不是能夠合格呢?

      范 重:是的,對于一個結構,特別是大跨度結構,它受各種因素的影響非常多,特別是受大氣條件的變化,北京地區屬于大陸性氣候,晝夜溫差很大,夏季溫度很高,特別像鳥巢這種大跨度結構,它會受到太陽輻射的影響,大家都有一個生活上的經驗,如果有一個汽車,汽車門打開,在夏季的時候里邊溫度非常高,它的溫度遠遠高于大氣氣溫,在這種情況下,溫度的作用對鋼結構是非常明顯的,而且可以看得出來,鳥巢的鋼架完全是露在室外的,是一個暴露的鋼結構,所以這種效應就更加明顯。

      李小萌:如果這樣說,到什么時候才能夠確切地說它確保萬無一失?

      范 重:我們在整個設計過程當中考慮了各種不利的因素,對于大跨度鋼結構,特別是北京是一個地震區,我們考慮了在各種地震設防烈度下,它的安全性,而且我們把各種極端的溫度,北京歷史上最高的溫度、最低的溫度,還有極端的大雪,還有極端的風力,包括一些火災,局部的火災,各種嚴酷的條件,我們都進行了精確的計算分析,確保這個鳥巢結構的萬無一失。

      李小萌:您剛才提到頻率很高的一個詞就是大跨度鋼結構,通俗地解釋是怎么樣的?

      范 重:對于這個體育場館或者是機場會展中心這一類的結構,因為它是一個人流高度集中的使用空間,我們不希望有任何構件, 包括柱子,作為遮擋,特別是奧運的比賽場館,它對賽事有很嚴格的要求,所以這種情況,它的屋蓋要跨越整個的建筑,支撐的點在建筑的最外側,對這種支撐在外側的大屋頂結構,做成大跨度結構,這是我們結構工程師都是這么講。

      2003年3月31日中國國家體育場建筑競賽方案征集結束,由瑞士建筑大師赫爾佐格、德梅隆與中國建筑設計研究院合作完成的“鳥巢”方案當選,由五個國家13名建筑大師和專家組成的競賽評審委員會以壓倒多數票推選“鳥巢”體育場方案為重點推薦實施方案。在國際建筑設計競賽中,一個方案能夠獲得如此的共識尚屬少見。

      李小萌:具體到鳥巢這個建筑來講,它和其它的大跨度鋼結構的建筑相比,在設計上難度又在哪兒?

      范 重:首先我想表現在它的跨度大,我們可以看一個圖片,我們看一個平面圖,國家體育場這個結構,我們要管它叫鳥巢結構,它的難度首先表現在跨度非常大,它的長軸方向是333米,短軸的方向是296米,最高點也有68米,最低點是41米,這種體量的鋼結構在大跨度結構里邊也是非常巨型的一個鋼結構。第二個特點,它的構件都是由焊接相形斷面構成的,都是由四塊鋼板拼合成的,構件的尺度也是比較大,最大的是1.2米乘1.2米,1.2米見方的構件,如此大的構件構成一個矩形的結構,應該說在結構建造史上也是非常罕見的。第三就是我們建筑師對鋼結構的外型要求很高,從模型上我們可以看得出來,鋼結構構件隨著屋蓋表面的形狀是連續彎扭的一個形狀,我們看一個圖片,我們也做了一個模型。這個結構是由主結構和次結構組成,在建筑的周邊有24根桁架柱,每根桁架柱上面伸展出來兩個主行架,就是最外圍的三角,主行架和屋蓋中間的內環是相切,形成了行架編織的一個平面的形狀,這個尺度非常大。

      李小萌:這樣一個體量和您以前設計過的同類型的建筑相比大了多少?

      范 重:這個要大得多,我們一般屋蓋應該說覆蓋的面積兩三萬平米,也都是比較大的,這個覆蓋面積已經超過六萬平米,應該說是一個非常巨大的結構。

      李小萌:前面那一幅。

      范 重:這個就是我們鳥巢結構的主結構,這個結構是在外側的,我們叫桁架柱,從桁架柱伸展出來的叫主行架,這也是由結構工程師和建筑師共同完成的一個工作模型。下一幅,這是我們把立面的和頂面的次結構加上以后,形成了一個沒有規律的鳥巢結構。可以看得出來,我們支撐鳥巢結構的主體結構,包括立柱和它的主行架都是非常規則的,而立面的和頂面的構件應該說看起來好像是不規則的,但是從我們專業的角度來看,它還是有相當的規律性。

      李小萌:作為鋼結構的總設計師,在什么樣的環節當中就要介入到設計當中去了?

      范 重:對于這種特殊的大跨度結構,從一開始工程師就應該介入進去。

      李小萌:您講的一開始就是鳥巢結構圖紙確定下來之前還是之后?

      范 重:應該是之中。

      李小萌:怎么理解這個?

      范 重:任何一個復雜的結構,建筑創意,首先要保證整個結構的可行性,有的時候如果一個建筑看起來很漂亮,但是技術上無法實現,它也不是一個好的設計,也不是一個真正能夠實現的設計,所以像這種大型的復雜結構,在早期就應該有工程師參與,跟建筑師共同配合,不斷磨合,最后配合出來一個能夠實現的真正的建筑作品。

      李小萌:當您最初聽到這個創意的時候,您覺得這個可行嗎?

      范 重:應該說這個方案從剛才看到的主結構和次結構的布置,整個的理念來講,從結構上還是可以實現的。

      李小萌:當時您覺得這里邊可能碰到的最大的困難是什么?

      范 重:這個困難應該還是綜合的,首先對于這么大跨度的結構,建筑師要求構建的尺寸非常大,而且在這個結構的肩部有很多空間的扭曲構件,這個加工制作,包括這么巨型結構的安裝,對我們建筑鋼結構行業是一個巨大的挑戰。另外像這么重型的結構,對于鋼材的要求也非常高,需要輕質的高強的鋼材,滿足受力和抗震各方面的要求。

      李小萌:這次鋼結構搭建起來采取了一個支架的方式,這種方式在建筑界經常使用的嗎?

      范 重:我們有一個安裝的方案,放一個短片。這個大跨度結構和一般的建筑是不一樣的,在設計過程里,必須要考慮安裝的可能性,安裝的合理性。如果我們不考慮安裝和制作的一些實際問題,這個結構就無法實現,對于大跨度結構,有幾種比較常用的安裝方法,一個叫高空散裝法,還有一個是整體提升法,所謂整體提升法就是把整個屋蓋在地面拼合好,把它整體提升起來,當然還有分片劃一法,很多方法。對國家體育場這個建設,我們也是經過了很多很多考慮,在我們的設計里提出了這么一個方法,在第一階段,我們安裝這個主結構和次結構的柱腳,在第二階段安裝立面的桁架柱。

      李小萌:從這個圖上看哪一部分是留下來的主體鋼架結構,哪一部分是卸載掉的,能看得出來嗎?

      范 重:現在還沒有到。

      李小萌:現在這個是什么?

      范 重:這是安裝過程。安裝過程完全是按照我們設計提出的要求來進行安裝。第三步是安裝立面的次結構,接下來是安裝立面的大樓梯,大樓梯也是這個結構一個非常大的特點,它不但是觀眾可以直接從下層看臺到上層看臺的一個通道,而且也是結構受理構件的一部分。在安裝大樓梯以后,我們安裝了78個臨時的支撐塔架。

      李小萌:這就是這一次被卸載掉的塔架。

      范 重:對,這個塔架比較均勻地布置在結構的外圈、中圈和內圈,安裝塔架以后,它的作用主要是我們可以把這個主行架分段吊裝,支撐到塔架之上,這樣我們對吊車的起吊能力就要求比較低,不需要一個很大的吊車,但事實上即使這么分段以后,我們還是采用了很大的吊重的吊車,現場安排了兩臺八百噸的吊車。

      李小萌:一般平常建筑都是用什么重量的?

      范 重:平常建筑二百噸左右就足夠了,而且很多是高塔吊,這個是履帶吊。

      李小萌:主要原因還是因為這個鳥巢太大了。

      范 重:主要的原因確實我們這個鋼結構尺度很大,整個主行架的高度就有12米。

      李小萌:在接下來還有像卸載支架這么關鍵的步驟嗎?

      范 重:應該說沒有了,下邊雖然鋼結構還沒有完全完,但是從現場的照片看得出來,我們有一些頂面的次結構、膜結構,這個工程我們正在繼續,但是從鋼結構主體結構來講已經完成了,這就跟人的骨骼一樣,如果骨骼是堅固的,他的肌肉、皮膚就可以越來越健康。

      李小萌:是不是對您來說已經很大程度上可以放松一點了?

      范 重:應該說心里話,還是松了一口氣,因為在卸載以前,像這么重大的鋼結構是不是能像設計預想的那樣,降落到指定的位置,預先大家都沒有底,但是通過我們幾天的監測過程,應該說我們仿真的卸載的過程和實際的卸載量是非常接近的。

      李小萌:據說在建筑界比較公認的有難度、著名的鋼架結構的建筑是艾菲爾鐵塔,現在鳥巢和這個建筑有可比之處嗎?

      范 重:從我們結構工程師的角度來看,這兩個還是有差別的,艾菲爾鐵塔作為巴黎的標志性建筑,從結構的角度來講,它是一個高聳建筑,這也是巴黎的一個象征性的建筑。國家體育場是一個體育功能的大跨度結構,從功能上有比較大的差別,但是從技術難度來講,由于國家體育場鋼結構建造、設計巨大的挑戰性,應該說它也是一個鋼結構建造史上非常不尋常的里程碑。

      李小萌:鳥巢的鋼結構設計在您之前,包括之后的設計師生涯當中,占到一個什么樣的位置呢?

      范 重:我想作為一個結構工程師,我非常高興,非常有幸參與到奧運工程這么一個巨大的對中華民族有重大影響的事件里,向奧運工程交出最好的作品,體現我們的技術水平,體現中國人的技術創新的能力。

      李小萌:對您個人來講,這是不是一個巔峰之作?

      范 重:應該說從技術上是永無止境的,從我們工程設計來講,也不能是無可挑剔,完美無缺的,任何一個事情我想都有兩個方面,我們會不斷地總結經驗,不斷提高技術水平,向更高的高峰邁進。

      李小萌:演播室回來,我們請到的是鳥巢項目的總工程師李久林,歡迎您。

      李久林:主持人好。

      李小萌:跟我們講一下你們二位的分工,最不同的是什么?我們太外行了。

      李久林:應該說范總他們是設計單位,就是要把鳥巢放到圖紙上,我們是施工單位,就是要把范總交給我們的圖紙變成現實。

      李小萌:我們從媒體的報道當中看到,卸載成功的那一天很多建筑工人都哭了。您當時見到了嗎?

      李久林:見到了,因為我們兩位自始至終都在現場。我想大家這種心情是不言而喻的,所以無論是工人激動也好,還是工程技術人員激動也好,包括我們兩位激動也好,都是非常正常的,主持人可能知道,中午的時候,我們兩位都喝多了。

      李小萌:這是您所經歷的最難的項目嗎?

      李久林:是的。

      李小萌:當時看到這樣的設計圖紙,有沒有猶豫過,說能不能承接下來,能不能完成這樣一個任務?

      李久林:確實有這個感受,所以我們看到這個圖紙的時候,首先我們感受到它跟我們原來所施工過的工程是完全不同的,同時通過我們對圖紙了解的深入,我們感覺有太多的問題是我們以前從來沒有接觸過的,甚至從有關的資料上看,國內外都沒有接觸過,因此我們首先感受到的一個就是壓力和挑戰。

      李小萌:你們二位的合作應該是相當緊密了,緊密到什么程度?

      李久林:緊密到所有的問題最關鍵的問題,都是要一起來研究解決。

      李小萌:這是因為這個項目的難度造成的嗎?

      李久林:我想也是這個工程的特點所決定的,也是它的難度所決定的。作為一個常規的工程來講,設計人一般設計完成以后,我們更多的作為施工單位是按照我們國家有關的施工規范來進行施工,而這樣一個超常規的工程,我們很多規范是不能涵概的,甚至我們國家的很多規范是沒有這方面內容的,包括施工過程中的很多施工方法,比如大跨鋼結構的安裝方法,包括如何進行卸載,包括最后我們的質量標準等等這些問題都是施工單位和設計單位一同共同研究來解決的。

      李小萌:范總跟李總之間的合作是怎么樣一種合作?

      范 重:應該說我們的合作是一種全方位的合作,有愉快,有爭論,最終我們目標都是一樣的,把事情做好。我的感覺,這個工程的配合量非常大,比如說我們的設計圖紙在變成結構以前,要進行很多環節,其中一個重要的環節就是加工詳圖的設計,這個工程鋼結構的加工詳圖的量非常大,一共有13000多張加工圖,將來繼續還有膜結構和其它輔助結構的圖紙,整個圖紙量超過兩萬張,這么多的圖紙都是需要我們設計單位的同志一張一張審核、確認,所以感覺除了設計任務完成以后,工地的配合,現場的代表,參加各種會議,應該說我們也是投入了相當大的力量去配合承包單位,配合參建單位完成這個任務。

      李小萌:你們兩位一個主要負責設計,一個主要負責施工,在合作當中誰是更多的提出問題的,誰是更多的解決問題的?

      李久林:應該說是根據不同的階段,比如說在設計階段,更多的可能是設計人需要施工方面提出一些施工方面配合的建議,到了施工階段,提問題者更多的應該是施工單位,設計人會給我們一些寶貴的建議。

      李小萌:有沒有非常焦灼,非常難于處理的時候?

      范 重:這個應該還是有的,因為這么一個復雜的結構在建造過程當中有很多具體的問題。我們舉一個例子,就是鋼結構合籠的問題,對于超長的鋼結構,由于它溫度變型的原因,這個在建造的過程當中必須找一個合籠點,合適的一個溫度,這個在大跨度銷量里邊用得比較多,由于國家體育場外露的鋼結構,尺度非常大,溫度應力占它結構作用力里非常大的一個成分,所以我們在設計圖紙里要求嚴格控制合籠溫度,但是這個合籠溫度的要求和建造時間的具體日程的安排,在某種程度上會有一定差異,所以通過多次的技術研討,多次的專家論證,我們最后找到了解決的辦法。目前國家體育場這個合籠的問題完全是按照設計要求在設計的溫度下進行合籠,解決了關鍵的技術問題。

      李小萌:就是這個溫度要求,按照設計的要求去選擇合籠的時間,對你們的困難是什么?

      李久林:因為設計人提出來溫度要求以后,按照北京的氣溫,可能只能在一些特定的時間段能夠滿足這個合籠的溫度要求。

      李小萌:能知道溫度的要求是多少?

      李久林:合籠的溫度,我們原來是14度,正負四度,后來經過大量做工作以后,調整為19度正負四度。

      李小萌:這個溫度在北京只要是春秋季都可以。

      李久林:對,春秋季都可以,但是對于施工單位來講,因為工期的安排,各方面因素來講,能夠滿足這個工期的時間和我們的工序往往有的時候是矛盾的。

      李小萌:跟進程有時候吻合不上。

      李久林:對,也就是說設計人的要求越嚴格,實際上來講,從施工的角度來講難度就越大,如果說我們一年四季都可以合籠,施工的困難可能就要小一些,如果限定在非常短的有效時間內,我們各種工作必須要調整,要把這項工作去跟它吻合,甚至有的時候我們要采取一些其它的必要的措施保證這個溫度,滿足設計的要求。

      李小萌:什么樣特殊的措施?

      李久林:比如說降溫措施,我們在前期準備方案的時候,我們曾經考慮了不同的降溫方式,來解決這個鋼結構的本體溫度,鋼結構本身的溫度,要滿足這個設計的溫度要求,當然,隨著后來工作的進一步深入,設計人員調整了這個溫度的要求,也就使得我們相對來講更容易一些,滿足了這個要求。

      李小萌:像19度正負四度這個要求,當時是在室外溫度就在這個范圍之內施工,還是特殊因為了溫度處理呢?

      李久林:我們應該說很好地選擇了這個時機完成了施工,為了保證我們施工的時候溫度滿足設計要求,我們的專業氣象部門天天在現場跟蹤監控我們奧運這個主場館這一點的氣象的資料,同時我們也委托專業的科研單位,在整個鋼結構上布設了60個測溫點,時時監控這個溫度,我們的工人應該說是整戈待殫隨時準備著,一合適就開始工作,因此我們在8月下旬,通過三天的時間到8月底之前,我們選擇了非常好的溫度時機都是在后半夜,每天的后半夜,圓滿地完成了合籠的工作。

      “鳥巢”最具特點也是最復雜的一個地方是肩部彎扭構件的設計,這種大膽而巧妙的設計在世界外建筑史上還沒有先例。而要把這種彎扭構件從設計變為現實,首先需要的就是符合設計要求的高強度鋼材,而在當時所有國產鋼材都達不到它的強度要求。

      早在申奧成功之初,北京奧組委主席劉淇就明確提出,奧運用鋼必須國產化,于是在設計單位、施工單位和國內鋼廠通力合作下,經過反復的研究、反復的試驗,終于成功地扎出了符合施工要求、完全由我國自主研發的“Q460”高強度鋼材,并最終成功地運用到了工程上,整個工程一共使用鋼材700噸,鋼材的合格率達到百分之百。正因為這樣,鳥巢鋼結構在國內建筑用鋼史上樹立了一個新的里程碑。

      有了合格的鋼材之后,為了扎出符合設計要求的彎扭構件,施工單位又自主開發了一套工藝技術,在逐漸攻克這項技術難關的過程中,我國加工不規則彎扭板材的技術得到了迅速地、提升。

      李小萌:鳥巢工程的順利施工包括未來的順利完工,概括來講,對中國整個建筑行業的發展,包括設計、施工、建筑材料有什么樣深遠的影響?

      范 重:我覺得這個影響是巨大的,對于這么一個由彎扭構件復雜構型造成的復雜的鋼結構,怎么去表達它,怎么去設計它,這是設計人員必須面對的問題,當時曾經有專家預言,對這么一個鋼結構,如果沒有兩千張設計圖紙,這個鋼結構設計是不能完成的,結果我們通過提出了一種叫彎扭構件的空間坐標表示法,通過引進最新的CATIA軟件,通過點關鍵模結構楞線的控制,通過坐標點的輸入,開發了一套專用的軟件,我們整個的鋼結構的設計圖紙才用150多張,100多張就把一個復雜的鋼結構主體結構表達得非常清楚。

      李小萌:這兩千張跟一百多張差別,關鍵是什么?

      范 重:關鍵就是技術含量,我們找到了一種可以表達這種特殊鋼結構構件,特別是扭曲構件在造船工業里邊常見,在建筑工業里很少用到這種構件的技術,這也充分體現了技術含量、誤差控制和軟件建模工具發揮的巨大作用。

      李小萌:李總,您的觀點是,這樣一個工程的順利施工,包括未來的完工,對于整個中國建筑行業的影響是什么?

      李久林:剛才說到了我們鳥巢對于建筑鋼結構的一些促進作用,包括建筑用鋼,包括我們的加工制作技術,包括剛才談到的測控技術,包括我們現在這個工程上用到了大噸位的吊裝設備,我們在建筑鋼結構很少用到八百噸的吊具和六百噸吊具,針對大型的吊裝設備的施工方法,我們也形成了一套成熟的工藝,成熟的技術,我想對于我們今后再次進行大跨度的結構的施工,再次進行重型結構的施工,我們再次運用到這些大型的設備,會有寶貴的經驗可以借鑒。同時我們在標準方面,針對鳥巢這個工程,我們單獨制定了驗收標準,我想這個標準也會對我們國家相關的鋼結構的一些驗收標準修訂和完善,會起到一個促進作用。

      李小萌:剛才范總講了,卸載一成功,他可以算是松了一口氣,對于李總來講,接下來還有更大的挑戰嗎?

      李久林:應該說鳥巢鋼結構的卸載是我們整個鋼結構施工中的一個里程碑,但是同時又是一個開始,為什么呢?因為我們卸載以后,緊接著我們要開始頂面次結構的安裝,還有五千噸的頂面次結構需要安裝到位,我們還有膜結構需要施工,同時,這次卸載另外一個非常重要的意義在于,我們可以及時地拆除這些支撐塔架,因為支撐塔架整個貫穿了我們目前的混凝土結構,我們只有把它拆除以后,才能進行混凝土結構洞口的封堵,才能進行14000塊看臺板的安裝,才能進行看臺內的裝飾裝修和階段的安裝工作。因此這項工作的完成,為我們新的工作的開始創造了一個非常積極的條件。

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