鸟巢的建设难题

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鸟巢再建设过程中有什么难点?~

鸟巢:
1、构件体型大,单体重量重

作为屋盖结构的主要承重构件,桁架柱最大断面达25m×20m,高度达67m,单榀最重达500吨。而主桁架高度12m,双榀贯通最大跨度145.577+112.788m,不贯通桁架最大跨度102.391m,桁架柱与主桁架体型大、单体重量重。

2、节点复杂

由于本工程中的构件均为箱型断面杆件,所以,无论是主结构之间,还是主次结构之间,都存在多根杆件空间汇交现象。加之次结构复杂多变、规律性少,造成主结构的节点构造相当复杂,节点类型多样,制作、安装精度要求高。

3、工期紧

本工程量大,但安装工期相当短,工程于2003年12月24日开工,预计于2007年底前完工,2008年3月底竣工。工期紧,与土建施工交叉作业,平面场地紧张.

4、焊接量大

本工程工地连接为焊接吊装分段多,现场焊缝长度长,加之厚板焊接、高强钢焊接、铸钢件焊接等居多,造成现场焊接工作量相当大,难度高,高空焊接仰焊多。

5、冬雨季施工

本工程主结构吊装时间需跨越冬季和春节,所以存在冬雨季施工,施工难度较大。

工程建设过程中的难点:

1、工程组织难度大

主结构吊装时,土建施工还未结束,现场组装正在大面积开展,故存在多方施工交叉作业现象。加之,现场场地狭小,施工场地布置、构件运输及大型吊机行走路线等受到很大限制。同时,本工程结构复杂,各吊装分段之间相互关联,必须按一定顺序进行组装、吊装,否则将出现窝工现象。各施工方需合理协调、统筹管理,工程组织难度大。

2、构件翻身、吊装难度大

为降低组装难度,本工程中的桁架柱将采用卧拼法,主桁架将采用平拼法(内圈主桁架立拼除外),故拼装结束后、吊装前必须进行翻身工作。由于构件体型较大,重量重,翻身时吊点的设置和吊耳的选择难度较大,特别是桁架柱的翻身,吊耳在翻身和吊装时的受力有所变化,需考虑三向受力。同时,翻身过程中的稳定性比较难控制。由于桁架柱和主桁架的分段口均为箱型断面,分段吊装时存在多个管口对接的问题,对于箱型断面,要保证多个管口的对口精度,难度巨大。起吊时,必须调整好分段构件的角度和方位,而对于体型大、重量重的构件,角度调节相当困难,吊装难度大。

3、高空构件的稳定难度大

由于本工程采用散装法(即分段吊装法),分段吊装时,高空构件的风载较大,在分段未连成整体或结构未形成整体之前,稳定性较差,特别是桁架柱的上段和分段主桁架的稳定性较差,必须采用合理的吊装顺序(尽量首尾相接、分块吊装)和侧向稳定措施(如拉锚、缆风绳等)。

4、焊接难度大

本工程中既有薄板焊接,又有厚板焊接,既有平焊、立焊,又有仰焊,既有高强钢的焊接,又有铸钢件的焊接,焊接工作量大。薄板焊接变形大,厚板焊接熔敷量大,温度控制和劳动强度要求高。而高空焊接、冬雨季焊接的防风雨防低温措施更使得焊接难度增大。

5、安装精度控制难

由于施工过程中结构本身因自重和温度变化均会产生变形,而且支撑胎架在荷载作用下也会产生变形,加之,结构形体复杂,均为箱型断面构件,位置和方向性均极强,安装精度受现场环境、温度变化等多方面的影响,安装精度极难控制,施工难度大。施工时必须采取必要的措施,提前考虑好如何对安装误差进行调整和消除,如何进行测量和监控,使变形在受控状态下完成,以保证整体造型和施工质量。

6、质量要求高,施工难度大

本工程无论是外观质量,如外形尺寸、焊缝外观,还是内在质量,如焊缝质量等级、焊接残余应力消除等,都要求相当高,而现场施工条件差。同时,对于大跨度空间结构,温度变形和温度应力较大,为此,设计确定了分块合拢和合拢温度,操作难度大。

水立方:
大跨空间结构(水立方)荷载的特点

大跨空间结构有其自身的特点:

1、屋面抗风设计值得重视。在水立方中,屋面负风和温度、竖向荷载是一组控制组合。大跨屋盖具有自重较轻、跨度大等特点,风荷载是主要设计荷载之一。由于这类结构空间性强、固有频率比较密集,在对它们进行随机风振响应计算时,不但要考虑多振型的贡献,而且应该考虑不同振型响应之间的互相关影响。目前国内规范规定的方法过于简单,误差很大,因此需进行专门研究,必要时需风洞实验加以验证。

2、竖向作用是结构的主要荷载来源。结构自重呈线性增长,而楼屋面的宽扁形结构使得竖向刚度呈非线性衰减,因此不能简单地将小跨度结构按相似性理论做几何比例的放大应用于大跨结构。

3、温度等间接作用效应明显。支座位移、温度变化和地面运动等间接作用对大跨结构有一定的影响。例如温度作用随结构尺度的加长而产生的累积将十分显著。在许多项目中,温度作用都已经考虑的比较详细,水立方和鸟巢都考虑了安装时的主体合拢温度,cctv主楼的大悬挑部位也考虑了这一点。根据各地的差异,这个温度点稍有不同。

4、动力作用、非线性都对整个结构有比较大的影响。由于跨度较大,使得结构竖向自振频率较低,因而对竖向振动十分敏感。因此对脉动风压、竖向地震、人致振动都须仔细考虑;以轴力为主的大跨结构对变形影响非常敏感,以往分析表明在考虑结构初始缺陷后结构整体稳定系数将成倍地下降,而且不同的结构缺陷会导致结构反应产生不同的分支,因此在大跨结构中应对结构的几何非线性予以足够的重视。

国家体育场工程作为国家标志性建筑,2008年奥运会主体育场,其结构特点十分显著,国家体育场结构复杂。
  在设计与施工方面存在很多特点及难点:  1、构件体型大,单体重量重  作为屋盖结构的主要承重构件,桁架柱最大断面达25m×20m,高度达68米,单榀最重达500吨。而主桁架高度12m,双榀贯通最大跨度145.577+112.788m,不贯通桁架最大跨度102.391m,桁架柱与主桁架体型大、单体重量重。  2、节点复杂   由于本工程中的构件均为箱型断面杆件,所以,无论是主结构之间,还是主次结构之间,都存在多根杆件空间汇交现象。加之次结构复杂多变、规律性少,造成主结构的节点构造相当复杂,节点类型多样,制作、安装精度要求高。  3、工期紧  本工程量大,但安装工期相当短,工程于2003年12月24日开工,预计于2007年底前完工,2008年3月底竣工。工期紧,与土建施工交叉作业,平面场地紧张。  4、焊接量大  本工程工地连接为焊接吊装分段多,现场焊缝长度长,加之厚板焊接、高强钢焊接、铸钢件焊接等居多,造成现场焊接工作量相当大,难度高,高空焊接仰焊多。   5、冬雨季施工  本工程主结构吊装时间需跨越冬季和春节,所以存在冬雨季施工,施工难度较大。
  工程建设过程中的难点:  1、工程组织难度大  主结构吊装时,土建施工还未结束,现场组装正在大面积开展,故存在多方施工交叉作业现象。加之,现场场地狭小,施工场地布置、构件运输及大型吊机行走路线等受到很大限制。同时,本工程结构复杂,各吊装分段之间相互关联,必须按一定顺序进行组装、吊装,否则将出现窝工现象。各施工方需合理协调、统筹管理,工程组织难度大。   2、构件翻身、吊装难度大  为降低组装难度,本工程中的桁架柱将采用卧拼法,主桁架将采用平拼法(内圈主桁架立拼除外),故拼装结束后、吊装前必须进行翻身工作。由于构件体型较大,重量重,翻身时吊点的设置和吊耳的选择难度较大,特别是桁架柱的翻身,吊耳在翻身和吊装时的受力有所变化,需考虑三向受力。同时,翻身过程中的稳定性比较难控制。由于桁架柱和主桁架的分段口均为箱型断面,分段吊装时存在多个管口对接的问题,对于箱型断面,要保证多个管口的对口精度,难度巨大。起吊时,必须调整好分段构件的角度和方位,而对于体型大、重量重的构件,角度调节相当困难,吊装难度大。  3、高空构件的稳定难度大  由于本工程采用散装法(即分段吊装法),分段吊装时,高空构件的风载较大,在分段未连成整体或结构未形成整体之前,稳定性较差,特别是桁架柱的上段和分段主桁架的稳定性较差,必须采用合理的吊装顺序(尽量首尾相接、分块吊装)和侧向稳定措施(如拉锚、缆风绳等)。  4、焊接难度大  本工程中既有薄板焊接,又有厚板焊接,既有平焊、立焊,又有仰焊,既有高强钢的焊接,又有铸钢件的焊接,焊接工作量大。薄板焊接变形大,厚板焊接熔敷量大,温度控制和劳动强度要求高。而高空焊接、冬雨季焊接的防风雨防低温措施更使得焊接难度增大。   5、安装精度控制难  由于施工过程中结构本身因自重和温度变化均会产生变形,而且支撑胎架在荷载作用下也会产生变形,加之,结构形体复杂,均为箱型断面构件,位置和方向性均极强,安装精度受现场环境、温度变化等多方面的影响,安装精度极难控制,施工难度大。施工时必须采取必要的措施,提前考虑好如何对安装误差进行调整和消除,如何进行测量和监控,使变形在受控状态下完成,以保证整体造型和施工质量。   6、质量要求高,施工难度大  本工程无论是外观质量,如外形尺寸、焊缝外观,还是内在质量,如焊缝质量等级、焊接残余应力消除等,都要求相当高,而现场施工条件差。同时,对于大跨度空间结构,温度变形和温度应力较大,为此,设计确定了分块合拢和合拢温度,操作难度大。

006年底,最后一根5米长的次结构箱型钢构件,身披大红缎花,徐徐进入预定工位。这标志着国家体育场的钢结构安装即将全部完成,“鸟巢”工程实现了完美合龙。在众人欣赏这一工程的同时,“鸟巢”的建设者也向外界披露了他们在建设过程中的种种难题。

“鸟巢”工程难度空前

建设中的国家体育场是北京2008奥运会的主会场,奥运会期间可容纳观众9.1万人。工程占地面积20.4公顷,总建筑面积约25.8万平方米,檐高 68.5m,东西长297m,南北长333m。体育场建筑呈椭圆的马鞍形,外壳是由约4.8万吨钢结构有序编织成“鸟巢”状的独特建筑造型;体育场内部为上、中、下三层碗状看台。观众坐席下为5-7层混凝土框架结构。

由于设计理念凸显“绿色奥运”,“鸟巢”在施工中有很多难题是独一无二的,在国际上没有现成的参考答案,只有依靠自己的科技创新独立解决。

北京城建集团国家体育场总承包部总工程师李久林表示:“施工技术的难点,来源于工程的特点。这个工程与别的工程最大的不同点在于,设计师追求的是杂乱无序、浑然天成的建筑结构造型,只是在图纸上画出了一个造型,甚至是一条条曲线,这种曲线不是用一个数字函数就能够表现出来的,我们只能采用样条函数曲线去描出来。”单就测量来说,难度就很大。传统的经纬仪不行,只能用全站仪进行监控。高峰期光全站仪就用了11台……”

组成智囊团破解难题

在技术人员感叹“鸟巢”工程难度的同时,北京城建集团董事长刘龙华,北京城建集团总经理徐建云也都在思考着如何破解这些世界性建筑难题。在建设高峰期,每周他们都亲自到现场召开工程协调会,为解决技术难题出谋划策。

针对国家体育场工程由于十分独特的设计特点而带来的极为复杂的施工技术,北京城建集团优中选优,抽调了各专业领域的优秀人才,老中青结合,组成“鸟巢”建设的“智囊团队”,任命谭晓春为国家体育场工程总承包部经理。

集团公司总工程师、钢结构专家张从思,集团公司原副总工程师、机电专家石善友,集团公司副总工程师、土建专家李清江都奉命来到国家体育场工地。一大批青年专家和专家顾问也扛着铺盖卷到“鸟窝”扎下营盘。

集团公司为支持“鸟巢”的自主创新,从本部科研经费中抽出200万元,作为“鸟巢”的科研经费。专家组联合冶金建筑研究院、中国建筑工程研究院以及清华大学等科研院校设立科研课题,开展科技攻关。

针对“鸟巢”技术难题,14个课题组成立了。各自尽快入题到位。由于科技先行,“鸟巢”施工中的一个个技术难题被破解了,既保证了施工生产的顺利进行,又完成了一大批科技科研项目。

“鸟巢”钢材全部国产

“鸟巢”这个辐射式旋转而成的梦幻般造型,使得4.8万吨钢的受力点集中在了24根柱子和柱脚上。弯曲点也要承受巨大的拉力和应力。什么样的钢才能够支撑起如此大的体量?这是技术人员遇到的第一个难题。

“ 由于工程本身体量大,是国际上最大的钢结构工程,带来一系列结构难题。”邱德隆,这位1996年毕业于清华大学水利工程系的博士这样说道,“采用什么钢板焊接是个难题。这种钢材在国内还是个空白。必须尽快研制出一种把这些相对立的特性统一起来的特殊钢材,才能破解鸟巢用钢的难题。”

2005年3月12日,一次特殊的会议在北京举行。会议成员是北京市委、市政府领导和宝钢、首钢、鞍钢、武钢和舞钢等国内7家钢铁巨头的老总。会议的原因,来自“鸟巢”特殊的结构要求。

“鸟巢”结构设计奇特新颖,钢结构最大跨度达到343米。如果使用普通钢材,受力厚度至少要达到220毫米。这样一来,“鸟巢”钢材重量将超过8万吨。而且钢板太厚,焊接起来更难。

“鸟巢”的科研技术人员,对“鸟巢”的特殊用钢进行专项研究。最终,为舞阳钢铁厂提供了指导性的轧制方案。

2005 年7月,为“鸟巢”准备的110毫米厚的Q460E钢板经过舞阳钢厂的反复实验,轧制成功并进入批量生产。400吨Q460E钢材,成了“鸟巢”钢筋铁骨中最坚硬的一部分。同时,首钢、鞍钢等企业也接下了GJ345D、345C、420C等高强度钢材的生产订单。在奥运工程中,所有钢材全部实现国产。

自主研究完成浇筑

“ 鸟巢”的外罩由不规则的钢结构构件编织而成,里面的混凝土结构与钢结构相互独立,建筑师在混凝土看台和钢结构外罩之间的空间里,设计了很多倾斜的混凝土柱子来支撑建筑。124根钢管柱、228根斜梁、600多根斜柱、112根Y形柱与空间曲形环梁相互交织。如何既保证这些混凝土柱子的结构要求,又能不影响 “鸟巢”的整体美观?

北京城建集团国家体育场工程总承包部专家组几经论证,一个两全其美的方案诞生了。先像其他混凝土结构一样绑扎好钢筋笼,然后再从上面一节一节套上方钢管,钢管连接好后再在钢管里浇筑混凝土,形成与钢管一体的混凝土柱。这样一来看不到混凝土柱,既安全又美观,却加大了施工难度。

边长一米的方钢管被连接成120多根长短不同、倾斜角度多样的钢柱,70%以上都是双斜柱———一根柱子在垂直面上扭转两次。最高的钢柱全长21米,横跨体育场一至四层;最倾斜的钢柱和地面的夹角达到59度,钢柱的最大自转角度超过45度……

要在这些高大倾斜看似杂乱的异型钢管里浇筑混凝土,已经是个不小的挑战。何况钢管内部还密布着钢筋网格———纵向排列着32根钢筋,横向每10厘米一排密集的箍筋。这样密密麻麻的钢筋网,最多只能伸进三根手指。要按照传统做法,通过振捣棒振捣密实混凝土,谈何容易?起初,工程建设者只能试着从上口往钢管里浇筑,每天从早到晚只能浇筑四五米。北京城建集团国家体育场工程总承包部经过自主研究,提出了一个新方案:采用高流态自密实混凝土,采取高压顶升、从钢管底部注入混凝土,由底向上顶升逐步填充。这是一个从来没有人用过的方法,结果却非常理想。顶升混凝土不仅提高工效一倍多,而且质量好,比预定的工期缩短了两个月零两天。

天公作美顺利合龙

经过工程设计专家、气象专家、焊接专家、钢结构专家的论证,2006年8月26日零点整,“鸟巢”钢结构主体工程,在100多名焊工手中开始合龙。这标志着这座设计新颖、造型独特的钢结构工程安装进入倒计时阶段。

“鸟巢”主结构上合龙口有100多个,次结构28个。合龙口要求精度非常高。合龙前,需要对接口进行变形分析,并进行处理,满足合龙质量要求。为确保合龙口焊接质量,项目质量人员对每个焊缝都进行探伤检测,保证道道焊缝绝对合格。

此次合龙有一大难点,就是对焊接的温度要求相当高,钢结构合龙温度控制好坏,将直接影响到钢结构的安装安全。经过工程技术人员对北京市百年来气象资料的分析,找到适宜的合龙时间,经过认真计算,确定了19℃±4℃为最佳合龙温度。为确保温度测量准确,工程技术人员在钢结构上设立了60个观测点。

合龙计划分三次完成,8月26日凌晨开始第一次从东北到西南方向合龙;8月28日凌晨开始第二次从西北到东南方向合龙;8月30日凌晨开始第三次进行立面次结构合龙。前两次合龙很顺利。

8月30日,全天闷热,晚上6点,开始下起了小雨,这对降低钢梁表面温度有利,工程技术人员紧紧盯着现场上的温度测量数据传送终端。可是雨越下越大,早已等候在作业面上的作业人员有些吃不住劲了。这样的天气,温度降下来了,还能焊接吗?

天公就是这样成人之美。到23点30分左右,雨竟然停了,温度正好达到合理温度要求。

零点整,第三次合龙正式开始。午夜,“鸟巢”的上空,焊花闪烁,经过紧张的焊接,钢结构合龙终于在次日凌晨顺利完成。

在新一年中,“鸟巢”的膜结构、设备安装、太阳能利用等更复杂的施工挑战,也将开始,而这同时也将是“鸟巢”创新的继续。

参考资料:
http://sports.sina.com.cn/o/2008-04-21/10023612480.shtml
http://www.soufun.com/2008/2007-01-12/921057.htm
http://sports.sina.com.cn/s/2005-11-15/2130707212s.shtml


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