前不久，北京市科學(xué)技術(shù)獎勵大會召開，北京市15項科技成果獲得科學(xué)技術(shù)一等獎，“國家體育場（‘鳥巢’）鋼結(jié)構(gòu)工程關(guān)鍵施工技術(shù)與應(yīng)用”位列其中。“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)創(chuàng)造了我國鋼結(jié)構(gòu)施工史上的奇跡，其鋼結(jié)構(gòu)施工難度是當(dāng)今世界難度最高、最復(fù)雜建筑之一。“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)是怎樣建成的呢？北京城建集團(tuán)工程總承包部總工程師李久林揭開了“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究與應(yīng)用的諸多秘密。
“鳥巢”的前期技術(shù)研究
李久林介紹說，“鳥巢”獨特的建筑造型是由4.2萬噸鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件有序編織而成。鋼結(jié)構(gòu)工程是由24榀門式鋼架圍繞著體育場內(nèi)部混凝土碗狀看臺區(qū)旋轉(zhuǎn)而成，其中22榀是通過桁架對接拉通或基本拉通。鋼結(jié)構(gòu)編織順序是先進(jìn)行鋼柱角安裝，隨后進(jìn)行24榀門式鋼架安裝、屋面主結(jié)構(gòu)安裝、次結(jié)構(gòu)安裝、合龍、卸載等過程，整個鋼結(jié)構(gòu)安裝歷時13個月。施工技術(shù)決定工程成敗的關(guān)鍵，對城建集團(tuán)施工技術(shù)人員來講，是一個巨大的挑戰(zhàn)。
北京城建集團(tuán)對“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)立項研究：為實現(xiàn)“鳥巢”獨特造型，其肩部1.4萬噸鋼構(gòu)件采用無固定線形的空間箱型彎扭構(gòu)件。設(shè)計師僅提供控制點坐標(biāo)，施工單位需要自行開發(fā)三維建模及展平放樣軟件。同時，大斷面箱型彎扭構(gòu)件加工制作技術(shù)在國內(nèi)外尚無先例。工程結(jié)構(gòu)跨度大、體型復(fù)雜，整體安裝方案優(yōu)化選擇難度大，1.4萬噸鋼屋蓋支撐卸載在全世界鋼結(jié)構(gòu)史上也是史無前例的。如何保證造型復(fù)雜、體型龐大的“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)的安裝精度和建筑效果，需要研究相應(yīng)的測控技術(shù)。
鋼結(jié)構(gòu)施工中的技術(shù)創(chuàng)新
“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)施工多項技術(shù)，在國內(nèi)屬首次遇到，如箱型彎扭構(gòu)件制作技術(shù)研究與應(yīng)用、鋼結(jié)構(gòu)綜合安裝技術(shù)研究與應(yīng)用、鋼結(jié)構(gòu)合龍施工技術(shù)研究與應(yīng)用、鋼結(jié)構(gòu)支撐卸載技術(shù)研究與應(yīng)用、焊接綜合技術(shù)研究與應(yīng)用、施工測量測控技術(shù)研究與應(yīng)用等六項最難施工技術(shù)，國內(nèi)一無先例，二無規(guī)范可循，完全要靠北京城建集團(tuán)集社會智慧，最大限度地挖掘和調(diào)動現(xiàn)場技術(shù)人員積極性進(jìn)行技術(shù)研究與創(chuàng)新。“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)彎扭構(gòu)件比較多，要把10到110毫米厚的鋼板擰成麻花狀，其難度可想而知。技術(shù)人員先后研究了彎扭構(gòu)件的空間幾何特性，開發(fā)出滿足設(shè)計要求的箱型構(gòu)件的三維建模及展平放樣軟件、研究彎扭構(gòu)件的成型原理，最終研究出箱型彎扭構(gòu)件制作綜合技術(shù)。
李久林說：這些技術(shù)都要細(xì)化到每個細(xì)節(jié)方案，每一個大項就要有數(shù)百個小項，千余個細(xì)節(jié)，包括技術(shù)理論研究、技術(shù)應(yīng)用、材質(zhì)放樣、構(gòu)件胎架和設(shè)備、構(gòu)件加工制作、質(zhì)量檢測等等。
在綜合安裝技術(shù)研究與應(yīng)用方面，國家體育場主鋼結(jié)構(gòu)總用鋼量4.2萬噸，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件體型大、單體重量重，構(gòu)件翻身、吊裝難度大。例如桁架柱最大外形尺寸達(dá)25×20×68.5米，每延米最重達(dá)10噸，采取何種技術(shù)吊裝完成如此體型龐大、對接口數(shù)量多、構(gòu)件異形、構(gòu)件翻身和吊裝難度巨大的工程，國內(nèi)外均無成功經(jīng)驗可借鑒。
北京城建集團(tuán)技術(shù)人員通過工況分析計算，結(jié)合工程實踐，總結(jié)出一套包括重心確定、吊耳設(shè)計、穩(wěn)固措施及接口偏差調(diào)整措施等內(nèi)容的異型復(fù)雜鋼構(gòu)件綜合安裝技術(shù)。
在高空安裝方面，經(jīng)過反復(fù)研究，最終確定采用高空散裝方案，而合龍和卸載則是檢驗搭建能否成功的關(guān)鍵兩步。李久林介紹道：國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)跨度大，傳力體系復(fù)雜。有關(guān)部門協(xié)調(diào)并經(jīng)過國家氣象、規(guī)劃等部門的研究論證，確定合攏溫度為19度正負(fù)4度。在合龍溫度確定下來后，經(jīng)過反復(fù)擇優(yōu)比選并通過設(shè)計復(fù)核，主桁架、立面結(jié)構(gòu)及頂面次結(jié)構(gòu)的合龍線確定為四條合龍線。采取了先進(jìn)行主桁架的合龍，再進(jìn)行立面結(jié)構(gòu)的合龍順序。
隨后又確定合龍方式和合龍口做法、合龍溫度監(jiān)測等。為確切掌握整個屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的溫度場分布情況，測試點的布設(shè)盡量分布于整個屋蓋區(qū)域。溫度監(jiān)測點設(shè)了60個，即頂面36個，立面24個。
歷經(jīng)2006年8月25至26日、8月28至29日、8月30至31日三個夜晚，順利完成國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程合龍工作。600延米合龍焊縫自檢探傷和第三方探傷一次合格率100%%，所有合龍口焊縫質(zhì)量滿足規(guī)范和設(shè)計要求。
接下來就是安裝支撐體系及卸載技術(shù)研究與應(yīng)用。由于“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)屋蓋面積大，支撐點分布廣，最優(yōu)的卸載方式是78個支撐整體同時同步卸載。
卸載中，城建集團(tuán)技術(shù)人員結(jié)合78個支撐點，分成外、中、內(nèi)三圈。最終，卸載工人從最外圈的所有千斤頂上撤下鋼墊片，“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)完全靠自身站立起來了，這一刻令全國人民為之激動。卸載結(jié)果完全滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求和相關(guān)驗收標(biāo)準(zhǔn)。最終實測卸載最大變形平均值為271毫米，比設(shè)計允許值286毫米還要少15毫米。
在“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)創(chuàng)新中，鋼結(jié)構(gòu)施工測量測控技術(shù)研究及應(yīng)用、焊接綜合技術(shù)研究與應(yīng)用成果卓著。北京城建集團(tuán)在測量控制手段上應(yīng)用全站儀、數(shù)字水準(zhǔn)儀以及結(jié)合gps控制測量手段等建立高精度三維工程控制網(wǎng)，應(yīng)用基于智能化全站儀及相關(guān)工業(yè)三維測量系統(tǒng)等集成式精密空間放樣測設(shè)技術(shù)。應(yīng)用三維激光掃描測量技術(shù)對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件拼裝、安裝的空間形態(tài)進(jìn)行實時或準(zhǔn)實時的精確檢測和完整記錄。
國家體育場工程為全焊接鋼結(jié)構(gòu)，總用鋼量4.2萬噸，焊縫總長度30萬米，焊縫折算總長度280萬米。針對國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程焊接特點，北京城建集團(tuán)課題組人員圍繞厚板焊接技術(shù)、低溫焊接技術(shù)、焊接殘余應(yīng)力控制及仰焊技術(shù)等方面進(jìn)行了研究。
在厚板焊接技術(shù)上，研究人員率先進(jìn)行低溫焊接技術(shù)研究，通過低溫焊接試驗研究低溫焊接工作的可行性，經(jīng)過工程應(yīng)用研究總結(jié)出一套低溫焊接管理制度。
2006年11月30日，國家體育場工程鋼結(jié)構(gòu)全部焊接完成，30萬米長焊縫成形良好，自檢及第三方探傷合格率達(dá)到百分之百，符合國家規(guī)范及設(shè)計文件的有關(guān)要求。
北京城建集團(tuán)在“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)施工中的技術(shù)研究與應(yīng)用，填補(bǔ)了我國鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)多項空白，開創(chuàng)了鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)之先河，為我國鋼結(jié)構(gòu)施工發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。