凝固的梦想（二）

走近科学

建筑师们用他们天马行空的想象，为一个繁荣、现代、开放的中国建造了一个又一个的新地标。国家体育场 “鸟巢”更是以它人性化的设计，结构和外观的完美统一，铸就了建筑史上的奇迹。筑巢人是如何将鸟巢由设计变为现实的呢？

从图纸到屹立在我们眼前的真实建筑，时间只用了5年！

2003年12月24日10点15分 鸟巢破土动工了。近万名筑巢人如何把鸟巢近乎完美的设计理念由图纸变成坚实稳固的体育场呢？梁伟平，鸟巢的安全员，工作之余，他和同事康民用照相机记录了鸟巢的成长。

梁伟平（国家体育场城建精工项目部安全负责人）:我用相机把它与众不同的地方，也就是每一个环节进行记录。它每长一块，每长一岁，我都要进行拍摄，让大家都知道，鸟巢长大了。

在梁伟平拍摄的上千张鸟巢的照片中，有一张意义非凡。那是他在鸟巢的第一张作品。

梁伟平:这个地方叫洼里，洼里乡。这个画面是在平理场地之后，就是叫打基础。万丈高楼从地起，首先要把基础工作做得非常扎实，非常牢固（图1）。

(1) 美轮美奂的鸟巢就是在这块地方拔地而起的

如何让鸟巢更加牢固呢？任何一个建筑都要审视它的安全性能，特别是大型场馆。国家体育场必须要有抗8级地震的抗震性能。鸟巢所在洼里乡一带的土质却让专家们大费周折。

尤天直（国家体育场混凝土结构总设计师）:针对不同的地质情况我们就采取不同的对策，比如说，如果这个地方地质条件非常好，是岩石类土壤，承载力非常高，那我们的技术形式就只需做一个天然地基的形式就可以了。可鸟巢的地质基本属于黏性粉土，做天然地基就不行，它不能满足承载力和沉降的要求。

4.2万吨钢结构、333 米的大跨度设计给我们带来一个可容纳近十万人的大型体育场，也给地基承载带来了非常大的难度。鸟巢施工总指挥李久林和他的团队要负责把图纸上的鸟巢建设成稳固安全的体育场，他们知道这就需要稳固的地基来支撑这个宏大建筑物沉重的身躯。鸟巢地基必须要挖得非常深，桩基深入地下37米。

鸟巢的大跨度设计给观众带来了开阔的空间，但对于桩基础来说，它在竖向受力的同时，还要承担比较大的水平受力。为了增加桩基的承载和抗震性能，施工中往桩基周围压注了大量的水泥浆，从而使桩周围土的承载性能增强，地基更稳固（图2）。

(2) 鸟巢的桩基深入地下37米，同时压注了大量水泥浆

地基的强度大大增加了，第一个建筑难题解决了。但接下来的几年里还有更多的障碍，能否赶在奥运会前完工，关系到国家的信誉。

主持人:庞大的纯钢建筑，只是鸟巢外部的一个结构，是给大家提供一个挡风遮雨的一个钢结构。如果我们现在能够把鸟巢的这个大盖取掉的话，你就会发现，它内部的看台，是由钢筋混泥土结构组成的。整个看台，实际上是六个部分，这六个部分之间的防震墙，能够起到抗击地震的作用，即便是发生了晃动倾斜等问题，这六个部分之间也留有能量余地，能够保证整个看台不被撕毁（图3）。

(3) 由六个部分组成的鸟巢看台有很强的抗击地震的能力

鸟巢能够容纳９万多名观众同时欣赏一场体育比赛。又是如何做到让最前排和最后头的人在看比赛的时候，感觉上并不是相差很大呢？

为了保证9.1万个观众视觉均等，筑巢人建造了一个错综复杂的混凝土框架。这个结构分为三层。顶部看台倾斜35度。它就像骨架一样支撑起精心浇铸的观众席。然后在这个骨架上插进14700块预制混凝土板做成看台。

强化预制板运到了工地，它们每一块都是独立浇铸成型，重量达到了18吨一块。数千块预制板在浇铸时误差不能超过2毫米。有瑕疵的预制板就必须重造，那样整个工程就得停下来。所以每一次都必须做到安装一次成功。12个月之后，最后一块预制板终于安装完成了（图4）。

(4)图组:（4－1）每块重达18吨的混凝土预制板看台

（4－2）将一块块看台板插入建造好的看台框架上（图示）

最困难的阶段来临了，引人瞩目的钢结构开始搭建。

鸟巢总用钢量约11万吨，这些钢材足够建造两艘航空母舰。其中“鸟巢”外部的钢骨架4.2万吨（图5）。

(5) 艰难的钢结构搭建开始了

一个如此庞大而复杂的建筑，它要面对许多传统建筑不会遇到的作用力。它的横向拉力，纵向拉力，沿着圆弧形相互拉着牵着。如果使用普通钢材，在巨大的张力之下，整个结构就会有坍塌的危险。显然这个建筑必须找到更高级别的钢材来完成这项艰巨的任务。

范重（国家体育场钢结构总设计师）:对于一个体量巨大的钢结构而言，钢材的选择是设计能否成功的一个非常重要的方面。我们在钢材选择方面进行了很多的尝试和摸索，用了很多新型的、高强的、高性能的钢材。其中最突出的就是一种叫Q460的钢材，这种钢材是目前为止在我们国家建筑钢结构利用中强度最高，焊接性能最好，抗撕裂性能最好的一种钢材。

为了满足大容量、开阔视野等体育场的要求，设计者让鸟巢穿上了醒目的钢制外衣。看似繁杂的钢结构，像音乐节奏，有着独特的韵律。错综复杂的搭建，让鸟巢每个镂空部分成三角形排列，这种几何排列可以让钢结构在地震来袭时非常稳定。独一无二的设计带给人们震撼之余，也给施工带来始料未及的难度。如果想让这个钢结构更加稳固，必须选择特殊的钢材，舞阳钢厂临危受命，负责生产一种集众多优点于一身的钢材。Q460钢应运而生。这种被称为钢中极品的钢材被使用在鸟巢的24根柱脚上。它可以保证鸟巢稳稳地站在大地上100年。但这种集众多优点于一身的钢材也为焊接带来了不少的麻烦。

如今，被鸟巢的壮观宏伟震撼之余，人们也在琢磨它是怎么搭建而成的？

主持人:鸟巢的这个外观究竟是如何搭建的？大家可能会说，用起重机不就完了吗？您可能不知道，这种钢结构的材料，在我们国家的建设史上是比较罕见的。一般的一个桁架柱质量就达到了1000吨，目前在全世界范围，也少有几台起重机能够把它吊起来。鸟巢在搭建外部结构的时候，首先要打上立柱，然后再放上桁架柱，接下来再安装其他的设施。因此工程量非常巨大。面对如此份量大的结构件，到底怎么把它们一个个放置到位呢？

?1999年7月14日，在美国密尔沃基市的米勒公园球场，吊机正在起吊部分钢结构屋顶。当吊起一个450吨的部件越过体育场的时候，灾难降临了。3名工人在那天丧生，起重机倒塌事故给鸟巢施工敲响了警钟。

李久林:整个鸟巢的主体结构我们把它分成了256个段。这些次构件我们又把它分成1000多个段，按照标记把这些段，一段一段地装上去，这些段来源于工厂加工好的小的构件。把它们运到北京以后，先在地面上将它们拼装成这种段。最大的一段重量达到364吨（图6）。

(6)图组:鸟巢的主体结构就这样一段一段地拼装上去

分段，吊装，焊接，固定，保证了施工安全。即便这样，起吊工作并不容易。特别是立柱和鸟巢肩部像八爪鱼一样的构件。梁伟平用照片记录了吊装的艰辛。一旦出现任何闪失，后果将不堪设想。

梁伟平:一般工地吊装就像砌砖似的，一块一块往上垒，它是垂直于地面的，整个吊装，有一个几何图形，这样就比较好控制它焊口的对接。而鸟巢不一样，鸟巢的钢结构形状比较怪异，不规则。

?2005年10月，第一根桁架柱终于成功安装完成。余下的23根桁架柱也在几个月之内全部到位，而且整个过程安全无误。此时时间成了压在每个建设者心上的石头。

主持人:其实不仅仅是工期紧的问题，对于施工人员而言，鸟巢建设中很多地方对于他们来说都是一个挑战。就拿焊接钢材来说，焊接的工作量是非常大的。一块钢就有4条焊缝，整个鸟巢，焊缝就是320公里，相当于从北京到天津跑一个来回。而且不能焊得坑坑洼洼高低不平，所要求的这个焊接面不能超过钢材1毫米，可想而知，这个精度要求得有多高。再有，平时焊接基本上是在地面上完成的。而此次鸟巢的钢构件吊在空中，加上这种特殊钢材Q460，要把它和其他的钢材焊接在一起，工人们经常是在一个相对封闭的环境中，在很高的高温下，仰着头工作，一工作就是14个小时（图7）。

(7) 高难度、高精度的焊接

当1000多个钢构件搭建结束，鸟巢的钢结构在临时支撑下站起来时，鸟巢的建造者面临着更严峻的挑战——合拢。

什么是合拢呢？

鸟巢外部的钢结构，初建成就像一个被切成四块的蛋糕，当局部施工结束后，建造者要把四个局部焊接成一个整体，这个过程被称为合拢（图8）。合拢要让鸟巢均匀受力，使建筑本身更加稳固。

(8) 鸟巢钢结构合拢示意图

周浩东，鸟巢南区合拢总指挥，从业12年了，在他刚接到鸟巢施工图纸时就意识到鸟巢就像一个没有硝烟的战场，而他们要迎接的任务难度超乎想象。

范重:合拢当然和这个屋体的形状是分不开的。鸟巢从顶面看是一个圆形，是一个圆环状态，所以我们分了四块，最后四块合拢而成。合拢时温度的稳定性，准确性对于后期结构使用的安全性影响很大。

温度为什么对鸟巢的合拢至关重要呢？鸟巢的外部是用全钢建造的，我们都知道钢会随着温度高低而热胀冷缩。找到一个合适的温度合拢，让鸟巢可以随着温度变化，焊缝伸缩而自由呼吸。否则，当温度下降时，钢铁收缩，焊缝就会产生裂纹，继而断开。到时候“鸟巢”将会把自己撕成碎片！

因此合拢时，必须要在钢体的伸缩性处于中间状态时候完成，为将来一年四季的热胀冷缩留出余地。这就需要满足一个特殊的条件：合拢焊接中，钢体的温度要始终保持在19℃，正负误差不超过4℃的范围内。

工人们加班加点，为合拢攒足了劲，可是工程却突然停下了。鸟巢施工现场停工一天就意味着损失116万元人民币，是什么原因让合拢滞后呢？

当时北京正值８月酷暑季节。气温让钢体的温度逐渐升高。这让筑巢人们一筹莫展。工期的逼近让大家心急如焚。施工队请了整天跟天气打交道的专业气象台的工作人员帮忙，随时关注着气温的变化。

终于在８月25日，气象专家推测可能有一场雨，会使鸟巢降温。

雨使温度降下来了。为了保证钢体受力均衡，100名焊工准备就绪，他们进行了同步焊接。从夜晚到凌晨，工人们一刻不敢停歇。经过三次合拢，鸟巢终于完成了它的期中考试。焊接合格率是100% 这意味着没有一条焊缝返工。

合拢完美结束，筑巢人们短暂地放下了压力，回忆着鸟巢从图纸到平地而起，到现在的合拢成功。夜晚的鸟巢蓄势待发，等待着明天的黎明。

主持人:鸟巢合拢的完美超出了专业人士的想象。可以说，因为这一步工作的完成，才为下一步鸟巢卸载，提供了一个非常坚实的基础。如果说，我们把前面的这些工作看作是鸟巢整个建设的一个期中考试的话，那么所有工程设计人员、施工人员已经交出了一份完美的答卷了。接下来，鸟巢面临的卸载工作就是一个期末考试了，那么鸟巢的卸载，又将面临什么样的困难呢？