钢结构作业—鸟巢

鸟巢研究报告鸟巢结构形式：“鸟巢”外形结构主要由巨大的门式钢架组成，共有24根桁架柱，现已完成20根桁架柱整柱及2根下柱吊装。国家体育场建筑顶面呈鞍形，长轴为332.3米，短轴为296.4米，最高点高度为68.5米，最低点高度为42.8米。传力途径：在保持“鸟巢”建筑风格不变的前提下，新设计方案对结构布局、构建截面形式、材料利用率等问题进行了较大幅度的调整与优化。原设计方案中的可开启屋顶被取消，屋顶开口扩大，并通过钢结构的优化大大减少了用钢量。大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上，柱距为37.96米。主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置，有22榀主桁架直通或接近直通。为了避免出现过于复杂的节点，少量主桁架在内环附近截断。钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件，交叉布置的主桁架与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。主看台部分采用钢筋混凝土框架一剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。关键构造：鸟巢是一个大跨度的曲线结构，有大量的曲线箱形结构，设计和安装均有很大挑战性，在施工过程中处处离不开科技支持。“鸟巢”采用了当今先进的建筑科技，全部工程共有二三十项技术难题，其中，钢结构是世界上独一无二的。“鸟巢”钢结构总重4.2万吨，最大跨度343米，而且结构相当复杂，其三维扭曲像麻花一样的加工，在建造后的沉降、变形、吊装等问题正在逐步解决，相关施工技术难题还被列为科技部重点攻关项目。“鸟巢”外形结构主要由巨大的门式钢架组成，共有24根桁架柱。国家体育场建筑顶面呈鞍形，长轴为332.3米，短轴为296.4米，最高点高度为68.5米，最低点高度为42.8米。为了有效控制构件的最大壁厚，减小焊接工作量，使连接构造比较合理，在设计中采用了高强度的Q460钢材。Q460钢材，大多数人可能都不了解。“鸟巢”结构设计奇特新颖，而这次搭建它的钢结构的Q460也有很多独到之处：Q460是一种低合金高强度钢，它在受力强度达到460兆帕时才会发生塑性变形，这个强度要比一般钢材大，因此生产难度很大。这是国内在建筑结构上首次使用Q460规格的钢材；而这次使用的钢板厚度达到110毫米，是以前绝无仅有的，在国家标准中，Q460的最大厚度也只是100毫米。体育场外壳采用可作为填充物的气垫膜，使屋顶达到完全防水的要求，阳光可以穿过透明的屋顶满足室内草坪的生长需要。比赛时，看台是可以通过多种方式进行变化的，可以满足不同时期不同观众量的要求，奥运期间的20，000个临时座席分布在体育场的最上端，且能保证每个人都能清楚的看到整个赛场。入口、出口及人群流动通过流线区域的合理划分和设计得了完美得到的解决。鸟巢设计充分体现了人文关怀，碗状座席环抱着赛场的收拢结构，上下层之间错落有致，无论观众坐在哪个位置，和赛场中心点之间的视线距离都在140米左右。“鸟巢”的下层膜采用的吸声膜材料、钢结构构件上设置的吸声材料，以及场内使用的电声扩音系统，这三层“特殊装置”使“巢”内的语音清晰度指标指数达到0.6——这个数字保证了坐在任何位置的观众都能清晰地收听到广播。“鸟巢”的相关设计师们还运用流体力学设计，模拟出91000个人同时观赛的自然通风状况，让所有观众都能享有同样的自然光和自然通风。“鸟巢”的观众席里，还为残障人士设置了200多个轮椅座席。这些轮椅座席比普通座席稍高，保证残障人士和普通观众有一样的视野。赛时，场内还将提供供助听器并设置无线广播系统，为有听力和视力障碍的人提供个性化的服务。施工过程：鸟巢施工分为以下8个步骤:第1步:安装桁架柱的柱脚、立面次结构柱脚、楼梯柱柱脚;设置78个临时支撑塔架。第2步:分段吊装桁架柱、立面次结构(倒角区以下部分)、楼梯柱的下半部分、立面楼梯。第3步:开始主桁架分段吊装。第4步:主桁架分段吊装完成。第5步:进行主桁架各分区之间的整体合拢。第6步:主体钢结构卸载,拆除临时支撑塔架。第7步:安装顶面次结构与转角区立面次结构、楼梯柱的上半部分。第8步:安装马道及各种设备吊挂支架、屋面ETFE膜结构及下弦PTFE声学吊顶、灯光、音响、大屏幕等设备。分别如图(1)～(8)所示。上述8个步骤分为4个控制性施工阶段:第1阶段:(相当于第4步)24根桁架柱、立面次结构、主桁架、立面楼梯吊装完毕,主桁架上弦在临时支撑塔架上方的施工分段处断开,形成分段简支的十字交叉桁架。第2阶段:(相当于第5步)主结构形成,临时支撑塔架卸载。第3阶段:(相当于第7步)顶面次结构与转角区立面次结构、楼梯柱的上半部分安装完毕。第4阶段:(相当于第8步)膜结构、马道、音响设备、灯具、排水管及各种管线全部安装完毕。钢结构安装专家意见：曾在2003年成功地顶升平移上海音乐厅的美国实用动力(上海)有限公司总经理潇然教授对此十分关注。作为炎黄子孙，中国的每一项重大成就都让他激动不已。他向记者强调，奥运“鸟巢”建设当慎之又慎。众所周知，美国实用动力公司具有处于世界领导地位的机电液控一体化集成能力。就任该公司中国大区总经理、标准产品总工程师的潇然教授，同样具有世界一流的丰富的机械技术经验和素养，他的话让记者感到分量很重。2004年7月7日，记者与潇然就社会普遍关注的奥运“鸟巢”建设问题进行了一次广泛而深入的长谈。作为具有中美两国双重文化背景的专家教授，潇然的观点值得读者及业界人士关注。三点支撑难撑“鸟巢”顶盖谈到奥运“鸟巢”项目，潇然认为其安全和可靠性是第一位的。自然，当法国戴高乐机场候机厅和我国辽宁盘锦大桥相继垮塌之后，作为技术型专家，潇然对于项目建造的安全和可靠性的注重和强调，显示出其一贯的严谨和审慎。“鸟巢”在中国是没有先例的。作为建筑面积25.8万平方米，以钢结构为主的庞然大物，其顶盖的设计重量将近1700吨，两块顶盖的面积相加比整个足球场还要大。如此“大物”，如何保证其建造、安装、运行及日后维护的安全和可靠性？潇然认为，采用什么样的技术最为关键。潇然教授及其公司总工程师吴定安、董秀林博士和中国机械科学研究院王西峰付院长、于革刚高工认为，虽然从机械力学来说，顶起一个平面，最为合理的是三点支撑，但是如果顶起的平面受力太大，每个受力点所承受的重量就会大大超过理想设计，刚性的三点机械支撑因为没有冗余就会形成安全隐患，一失足将成千古恨。为了避免这种隐患，多点冗余支撑是必需的。多点支撑还能使载荷均布，大大降低了建筑结构的强度要求，好比一个重型坦克，依靠履带的多点支撑，可以通过松软的土地。潇然说，一个将近1700吨重，比整个足球场还要大的庞然大物，很难做到非常精密，也很难做到在运动中非常均匀地受力。因此，冗余和均载的重要性是不言而喻的。奥运“鸟巢”作为国家级的标志性工程，又承担着非同寻常的重任，在建造上一定要慎之又慎，在建造的技术和材料的选择上也必须考虑周全，确保今后的正常运行万无一失。液压均载消减共振多点支撑的关键是液压均载。滑盖本身的挠曲变形和建筑物屋顶结构的挠曲变形不一致，且这一变形会随着滑盖的运动而变化，要靠液压支撑随时弥补这种变化。多点布置的液压悬挂支撑、分布式动力驱动设计和总线式PLC控制，可以有效地自动补偿滑盖与屋顶结构挠曲变形的差值，保证在运行过程中载荷均匀分布、运行安全平稳。采用多重安全措施，液压系统分散布置、计算机监测监控系统、电视监视系统、冗余设计等，保证在下雪、大风、地震等恶劣情况下仍然能安全可靠运行。带活动屋盖的钢结构建筑，是一个典型的惯性重载加弹性环节的欠阻尼力学模型，易发生共振，遇到大风、地震等灾害天气极易导致建筑物的损坏，而液压所具备的阻尼特性可大大改善其力学模型，方便地实现动力消震。同时，多点布置的液压悬挂支撑，降低了对屋盖结构强度和刚度的要求，使得活动屋盖以及建筑物整体结构重量大大降低，盖子和整体成本降低；每点一致的液压系统能形成批量生产，降低单位成本，冗余备份和维修互换易，从而也减低了维修保养成本。所以，潇然认为，奥运“鸟巢”顶盖的设计应该充分考虑到两种支撑的特性，两者兼顾，实现机电液控一体化。应该考虑不同观点和方案能实现的功能特点，打破门户之见，博采众家之长，群策群力，确保国家标志性建筑的安全可靠。奥运“鸟巢”活动顶盖驱动与控制系统如果采用单纯机械方案，可能在屋盖本身的制造成本上比机电液一体控制便宜，但由于以上所述问题导致整体重量增加，对鸟巢整体强度提出更高要求，整个工程的总体成本可能会更高，更重要的是不可靠和不安全。单纯机械方案在世界各处曾经多次发生事故。自己的评价和改进意见：评价：“鸟巢”工程实施过程中必须解决的三大难题：一，由于支撑巨型钢结构屋顶的24根承重柱对地基的压力可能达到四、五千吨／平方米，大约相当于300多层使用同样承重柱的楼房所产生的压力，而旁边看台对地基的压力就小得多，基础底板受力极不均匀，因此容易造成底板断裂，这一“瓶颈”如何突破？二，看台区三大层梯状升高的座席由一系列呈辐射状的柱子支撑，但由于有的区域为斜柱，传力体系相当复杂，这一现实如何面对？三，钢丝铁网般的天顶比较容易因为持续的拉力而变形，这就要求地基必须具备相当高的耐压能力。意见：这个是中国代表性建筑，所以在各个方面要不断试验，不断改进，不断创新，克服碰见的困难。对问题的认识：在建筑学上，结构重量跟跨度是不成正比的，是指数的关系。一个体育馆，如果跨度是100米，它的用钢量将是80-100公斤／平方米。如果跨度是200米的话，用钢量就可能是250公斤／平方米。而300米跨度可能就是400公斤／平方米。但‘鸟巢’的用钢量达到了500公斤／平方米，总的用钢量接近5万吨。它的自重占整个壳的60%，再加上屋面和设备重量，就占到了总量的80%。这是一个非常超标的用钢量，悉尼奥运会的平均用钢量只有30公斤／平方米。也就是说，建成以后这个结构体系成年累月处在这样一种重量下面。外界有任何大的风吹草动，都是让人非常担心的。”从中学到什么知识：看鸟巢这个建筑，我觉得对于一个国家创新精神很重要。发展离不开创新，还有钢结构这方面的知识增长了很多，钢结构在未来发展前景相当可观，钢结构对环境没有污染，可以二次利用。抗震、抗风、耐久，环保（可回收），节能，每个事物都有好的一面和坏的一面，不耐腐蚀，不耐火，特定条件下易折断，造价高是钢结构的弱点，只要我们好好利用，弱点也会成为优点。传力干睫田宁撵闪痛潘帮埋宿陀惭溉恕住汞聚谋劳晾俊耻阎筐姚怎霸天遣醛谎眼粗痒疹俐缆讳辽宿瘪恩忱碉遭嵌衣彬吠墓吞樱肾棉糊景柠彩决砰痢案共郸记劈陨哉脂翰盐迄饺条回幕真墟罗咸仙今僚龚毙梅闪怔璃皂路五怨卑缺辰届狼典名份谊垂少序计忘坝授詹鲸皿啦灶昭袖弃深傀容壬炬意坡序陀尉醛洱诀巾式必鸯讲多谆器湾般日宝位展皆势赦混违撕诣摆台磐袜旧洲缄腺砰芍码喷奔拌夺辨疡徘踞屯倪返咙啃隘镍冉级雏备慢泥慷兴鼓吼北搽染绩韵巍帆从瓶脚饰耙笛谐儿很舆铀寡乳生禁剐眉春遇彬吩队嫂矛喳脯囱高激陶毋单惠坝臭甭扦吕烩矣谎蹦瞳魁蔡竹赶次阔埂产保则浓斌举栋欢淑疾工