2007年9月《少年科学画报》最受欢迎文章

 

    阿米最近对鸟巢很着迷。

 

   

    阿米：在鸟巢里待着，就像躺在摇篮里。

 

    萝卜头：我不用把自己变得那么小，也能享受待在鸟巢里的感觉。地球上有一座用钢铁编织的巨型鸟巢，可以装10万人呢！不过，现在还没有完全建好。

 

    鸟巢在哪里？

 

    地球人都知道，在北京呀。鸟巢的大名叫国家体育场，是2008年北京奥运会主体育场，因为形状像鸟巢，人们更愿意称它为鸟巢。我们国家在1953年就想建造国家体育场了，当时把位置定在了北京五棵松附近。这块地一直保留了下来。当时还搞过设计方案比赛，但后来没有办下去。现在的国家体育场坐落在北京奥林匹克中心的北面，北京的中轴线上，选在这里是为了确保申办奥运会成功，因为北京北边的空气质量、基础设施这些硬件是北京最好的。中轴线是北京最很要的位置。把国家体育场放在这个位置上，也显示我们对奥运会的重视，而50年前就留下来的五棵松地区现在也终于使用上了。建了大型的文化体育中心。奥运会的篮球比赛将在那里举行。

 

 

 

   鸟巢是什么样的？

 

    鸟巢其实就是一座用树枝般的钢网编织成的可容10万人的巨型体育场，它的形态如同孕育生命的“巢”，就像一个摇篮，寄托着人类对未来的希望。设计者没有做任何多余的处理，只是坦率地把结构暴露在外，因而自然形成了建筑的外观。

 

 

小鸟巢搬进了大鸟巢，钢结构卸载时北京城建集团的工人们亲手搭建了小鸟巢庆祝卸载成功。

 

 

大型塔吊林立，工人们正在进行钢梁安装。

 

 

鸟巢钢结构安装时要在现场进行结构组装

 

 

    鸟巢是谁想出来的？

 

    这座举世瞩目的巨型钢结构建筑是由瑞士赫尔佐格和德梅隆设计事务所、奥雅纳工程顾问公司和中国建筑设计研究院共同设计的，凝结了中外专家的智慧。而后期使设计蓝图得以实现的施工图，特别是一些施工的关键技术则是由中国的建筑师来完成的。

 

    鸟巢并不是从建筑的外形开始设计的，而是按照从内到外的顺序进行设计的。它是从体育场的核心部分看台开始设计。这个看台非常古典，有点像古罗马或者是古希腊的看台。这个设计蕴含了比赛和观赛这两种体育场最重要的活动，这是体育场的本质所在。所以在“鸟巢”的看台，它是东西两个方向高，南北两个方向低，与观众的视线相吻合，从而营造一个赛场内的热烈气氛。看台设计好后，需要有一个外罩把它罩起来，但所需要的外罩要完全顺应看台的形式，也就是东西两个方向高，所以，“鸟巢”就有了一个东西方向高，南北方向低的外罩。

 

 

体育场施工夜景 

 

    这么巨大的鸟巢是怎么建起来的？

 

    在经历了一年多的筹备之后，鸟巢于2003年12月24日上午9时15分破土动工，拉开了筑巢的序幕。在2006年9月17日，基本建成，这中间碰到了很多困难。

 

 

当太阳西下时，工人师傅走上鸟巢屋顶开始夜间施工。

 

 

 

暂停施工

 

    2004年7月30日，鸟巢工地暂停施工。为什么要停工呢？

 

    按照原来的设计，鸟巢有一个顶盖，重达三千四百吨，面积相当于一个足球场，分两半，可以自动开启，世界上绝无仅有。在做安全评估的时候，专家们认为这个顶盖不能保证安全。万一顶盖开了合不上，合上开不了，或者掉下来，那后果都不堪设想。

 

    于是奥组委对设计方案进行了调整，目的是在节约资源的同时，增强鸟巢的安全度。2004年11月下旬，鸟巢的设计优化调整方案完成了。优化调整后的方案维持了“鸟巢”的设计概念，取消了可开启屋盖、扩大了屋顶开孔，与原设计相比，钢结构用钢量减少了22.3％，膜结构减少了13％。

 

    2004年12月27日上午，沉寂已久的“鸟巢”工地又响起了机器的轰鸣声：一辆辆运送土方的大货车排队出入工地、一台台挖掘机铲起一堆堆土方……上午10时，暂停施工近5个月的“鸟巢”工地正式恢复施工。　　

 

 

 

鸟巢结构长出了地面

 

 

体育场雪景

 

搭建鸟巢外型

    2005年下半年，国家体育场主体混凝土结构施工完成，进入钢结构施工阶段，搭建鸟巢外型的工作正式开始。

 

    鸟巢的结构很独特，采用钢椼架编织而成，要实现这一独特的建筑设计形式，必须保证以下六大要素。第一是技术方案，国家体育场的钢结构技术方案经过了多方专家深入论证，经过严密论证的技术方案是国家体育场钢结构施工的基础；第二个要素是钢材，建造“鸟巢”需要很多很多钢材，对钢材质量和技术要求都比较高；第三个要素是加工，国家体育场钢结构分别在江苏、浙江以及上海三地进行加工，加工方案和工程进展要满足施工要求；第四个要素是施工详图；第五个要素是焊工，由于鸟巢工程非常独特，对焊工的技术要求非常高，大批焊工都需经过长时间培训、考核；最后一个要素是运输，由于“鸟巢”所用钢材加工地在浙江、江苏和上海，这些钢材需跨五省三市才能被送到国家体育场，保证正常施工。

 

 

吊钢柱

 

 

 

建筑工人在鸟巢顶上焊接施工

 

　　钢结构合龙

　　国家体育场钢结构合龙主要有两大难点：一是对合龙焊接的气象温度要求严格，钢结构合龙温度是设计的基准温度，合龙温度控制得不好将直接影响到钢结构的运行安全，这次合龙必须在摄氏19±4℃范围内进行；二是合龙焊缝口多，质量要求高，国家体育场钢结构共预留了4条合龙线，128个焊口，焊缝总长度约600米，分3次完成合龙焊接。

 

　　为确保合龙圆满成功，合龙分三次进行，共调集了100多名高级焊工和100多台焊机。为确保合龙温度，还在现场设置了60个温度监测点和气象观测站，对合龙过程中的大气温度和钢结构表面温度实施全程监测，北京气象台也派出气象专家对现场温度进行监测指导。为确保合龙焊接质量，对每条焊缝都进行探伤检测。

整个合龙从2006年8月26日零时开始第一次施工，100多名焊工连续工作15个小时，于26日15时顺利完成52个焊口的焊接合龙，8月29日凌晨2时开始第二次合龙，经过16个小时顺利完成50个焊口的焊接合龙。2006年8月31日13时，60多名焊工连续工作12个小时，最后 26个焊口全部完成焊接合龙。三次合龙耗用焊条约2000千克。

 

 

鸟巢混凝土结构一天天长高

 

 

 

鸟巢钢结构柱子进入安装阶段

 

卸载

 

    2006年9月１７日，在历经两年多的建设后，鸟巢终于迎来钢结构施工最后也是最重要的一个环节——钢结构卸载。卸载后，“鸟巢”重达４·２万吨的钢结构将摆脱外力的支撑，靠自己站立起来。

 

    钢结构卸载，准确地说，是钢结构支撑塔架的卸载，在“鸟巢”的建设过程中，有７８根临时搭建的钢柱支撑着它的钢铁“枝蔓”。卸载，就是将这７８根支柱缓慢平稳地卸去，让“鸟巢”由被外力支撑的状态，变成完全靠自身结构支撑。因而，支撑塔架的卸载，对鸟巢钢结构自身来说是加载。

 

    ７８根支柱根据需要分布在“鸟巢”的外圈、中圈和内圈上，外圈２４个，中圈２４个，内圈３０个。专家们把“鸟巢”卸载的过程分解成7个大的步骤，每一大步里又包含5个相似的小步骤。 5小步骤实施的位置按顺序依次是：外圈、中圈、内圈、中圈、内圈。每一小步骤内，要经历3个准确无误的工艺环节：第一环节，用特殊的千斤顶顶起“鸟巢”钢结构，使钢结构与支撑塔架顶部的垫片脱离至１到２毫米的高度。第二环节，撤去钢柱顶端的第一层垫块，垫块是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，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个位置上依次操作，循环往复7次，也就是7大步骤，直至卸载完成。

 

    千斤顶升起的高度完全由计算机控制，由于每个卸载点需要顶升的高度不一样，在顶的过程，工人要及时监测千斤顶的位置变化，一旦发现支撑点的垫片已经松动，千斤顶的上升状态将被立即转换到停止状态。每个卸载点上有三名工人，一名负责拆装垫片，一名负责支撑塔上油泵的开关，还有一位管理人员负责卸载点的所有操作的进度，以及记录另外两名操作工人的操作过程。

 

 

钢结构卸载时的控制中心，由这里发出卸载技术参数

 

 

技术人员对每个卸载点都要进行数据核实，确保万无一失

 

 

工人师傅在卸下第一根钢柱支撑

 

    每一步骤必须严格控制下降的距离，精确到毫米。这是为了保证“鸟巢”平稳降落。均匀、同步、持续的卸载方式将使整个钢架均匀、同步、持续地受力，最终达到独立承重的目的。

 

　　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。整个卸载过程由电脑操控。按照设计要求，外圈总下降量应控制在６８－２８６毫米；中圈控制在１６１－１７８毫米；内圈控制在２０８－２８６毫米。如果鸟巢在卸载后，主体钢结构下降幅度超过这个距离或是出现局部裂缝，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。

 

    令人高兴的是，“鸟巢”卸载以后的实测垂直位移为２７１毫米，在允许范围内，这意味着卸载工作圆满完成。

 

    2006年9月17日11时30分，在整个钢结构与支撑点完全脱离的那一瞬间，真正的“鸟巢”诞生了！从这一刻起，“鸟巢”再也不是图纸，而成了真正的国家体育场。这一天，是鸟巢的生日！

 

 

鸟巢钢结构次结构施工

 

 

雄伟壮观的国家体育场内部钢结构景观

 

 

工人师傅在撤离最后一块垫片

 

 

下雨了，观众会淋着吗？

 

    鸟巢还没有完全建好呢！在“鸟巢”顶部的网架结构外表面还将贴上一层半透明的膜。使用这种膜后，体育场内的光线不是直射进来的，而是通过漫反射，使光线更柔和，由此形成的漫射光还可解决场内草坪的维护问题，同时也有遮风挡雨的功能。鸟巢铺的是两层膜。外层是用来挡雨的ETFE膜，ETFE膜下12米的位置，将铺设用于吸音的PTFE膜。    

 

    鸟巢顶棚上铺设的ETFE膜有1000多块，绷在钢结构组成的空隙里，组成了1000多个小屋顶。如果下大雨，这些小屋顶的排水就成了问题。设计人员想出让这个庞大的钢结构建筑物巧妙排水的办法。如果遇到大雨，膜结构上的积水将顺着边上的天沟，流到隐藏在钢结构中的120个大水槽里，这时再利用已经安装好的虹吸排水系统，让雨水通过40多根预先藏到钢梁里的雨水立管流进排水柱，再进入地下蓄水池，过滤净化后再次利用。

 

 

 

 

 

钢结构夜景

 

 

水映鸟巢

 

 

 

 

奥运会开幕式能放烟火吗？

 

    如果奥运会开闭幕式要燃放礼花，将必须使用冷烟火。鸟巢的膜能耐受100多摄氏度的温度，不融化，而普通礼花燃烧的温度在400摄氏度左右，即使落到膜上温度有所降低，也会将膜融化。但冷烟火燃烧时的温度只有270摄氏度，落在膜上也就100摄氏度左右，符合膜的性能。

  

 

开幕式那天会是什么样子？

 

    鸟巢的中国设计师李兴钢说：“奥运会开幕的那一天，我们从地铁里走出来，然后远远地慢慢地靠近鸟巢，顺着一个缓坡，进入到鸟巢的内部，进入到钢网格的内部，这个时候，你好像是进入了一个非常热闹的城市空间，这里面有来自全世界的观众，你和你的朋友在愉快地交谈。然后你俯视中间的赛场，看到运动员在热身，他们就像舞台上的演员一样，在调整自己的竞技状态，这个时候全场的观众包围着运动员，有一个很热烈的气氛，然后以最好的一个状态去欣赏这些竞技的运动员，欣赏这些比赛。”

 

 

未来的日子里，鸟巢会怎样？

 

    设计并搭建“鸟巢”不易，要让“鸟巢”在未来的日子里充满生机与活力更为不易。 “鸟巢”共设10万个座席，其中8万个是永久性的，另外两万个是奥运会期间临时增加的，奥运会结束后将拆除。未来的日子里，“鸟巢”将成为北京的标志性建筑之一，也将成为参观旅游的热点地区。我们可以在里面看到更多的体育比赛和文化活动。

 

 

 

萝卜头：看过了人工版和“鸟工”版筑巢记，你对这两种鸟巢了解了多少？能比较出两者的相同之处和不同之处吗？

阿米：我知道，一个大，一个小，一个人住，一个鸟住……

萝卜头：你还能想到哪些，快来信告诉我们吧！