凝固的梦想（三）

2008-12-05走近科学

走近科学 2008年12期

关键词：体育场鸟巢屋顶

走近科学

融合了中国传统文化的北京国家体育场——鸟巢带着奥运的光环，向世人展示了它的独一无二。它要坚实稳固地屹立在大地，搭建、焊接、合拢，是对筑巢人的挑战。一个建筑奇迹如何建造？它能否经受住大自然风雨、地震的考验？

工期步步紧逼，鸟巢1000多个钢构件像骨骼一样终于拼接到位，经过3次准确的天气预测，上百名工人同步焊接，合拢成功了。对于拥有钢筋铁骨的鸟巢来说，如果合拢是一次期中考试的话，卸载就像是一次期末考。

李久林（国家体育场总承包部总工程师）:如果预想不到的问题发生，就可能造成功亏一篑。因此，卸载决定了工程的成败。

任何建筑，坚固是第一要求。卸载检验着鸟巢这个前所未有的设计施工是否稳固，小到一条焊缝，大到合拢口，都有可能在卸载瞬间撕裂开，鸟巢的钢结构承重就会出现问题。那么什么是卸载，它为什么对鸟巢的稳固抗震至关重要呢？

范重（国家体育场钢结构总设计师）:任何一个大跨度房屋的建造和我们日常居住的房子一样，横梁承担着屋顶的整个重量。横梁的长度或者跨度越大的话，它承受的荷载就越大。在建造的过程当中，通常需要用临时支撑的办法减小这种负载，就是在这个横梁的中间加一些临时支撑。

鸟巢也不例外。在鸟巢钢结构施工前，场地中间均匀地设置了78个临时支持塔架，由它们来支撑鸟巢4.2万吨的重量。焊接合拢后，鸟巢成为一个整体，这个钢铁巨人就不再需要这78个临时支撑塔架做拐杖，而要靠自己的力量站立起来，整体受力，并能抵御8级地震（图1）。

（1）鸟巢钢结构施工前设置了78个临时支撑塔架（图示）

范重:鸟巢在焊接成完整的结构之后，需要把底下的临时支撑拆除，将临时支撑的托举状态变成结构自己来承重。对于任何大型的结构来讲，卸载都是至关重要的一步，它标志着结构由外力支撑变成自承重的状态。

纵横交错的钢铁支脉是鸟巢设计中最华彩的部分，也是鸟巢建设中最艰难的部分。看似轻灵的支脉总重达4.2万吨，相当于一座600米高的写字楼的用钢量。其中顶盖以及周边悬空部分钢重量为1.12万吨。在鸟巢的建设过程中，78根临时搭建的支撑塔架，支撑着这1.12万吨钢铁的屋顶。在所有这些临时支撑塔架中先撤掉哪一个，决定着鸟巢钢结构哪部分先受力，如果计算出现错误或者不严格，和实际建造出来的结构有差距，受力不均就会出现垮塌，后果不堪想象！

为了撤掉所有的临时支撑，让鸟巢站起来承担自重，专家们计划将1.12万吨重的屋顶用千斤顶举起来，拆除垫片和临时支撑塔架，再将屋顶放下，这是个复杂的卸载过程（图2）。

（2）图组:（2－1）卸载步骤图示，卸载的第一步：用千斤顶先将屋顶举起来（2－2）卸载的第二步：拆除垫片和临时支撑塔架

经过精心的设计，千斤顶被设置在176个点，每一个千斤顶都能举起300吨的重量，精确度达到了毫米级。

范重:各受力点按所处的平面位置分布在鸟巢钢结构顶面的外圈、中圈和内圈。根据严密计算和认证，整个卸载分为7次工程，每次按外圈、中圈、内圈再中圈、内圈的顺序依次进行。如此循环重复7次，卸载完成。专家们把这一过程分成7大步5小步，共计35小步。先后均匀地卸掉临时支撑塔架承载的力（图3）。

（3）卸载进行顺序示意图

所有人的目光聚焦 “鸟巢”这一历史性的时刻（图4）:

（4）万众瞩目：卸载开始！

工人首先升起了千斤顶使它代替临时支撑塔架撑起鸟巢。然后撤去临时支撑塔架上面的垫块。

任何细小的失误都会让体育场粉身碎骨。屋顶1.12万吨的重量随着卸载一点一点逐渐转移到了鸟巢整个钢结构。

卸载现场，工程技术人员非常紧张，鸟巢的钢结构正在发生变化，他们严格监测着数据变化，每一声口令都来源于科学的计算数据，容不得半点疏忽。千斤顶缓慢下降，循环撤掉垫片，直到临时支撑塔架全部撤掉。

近5天的卸载，所有人都屏息凝视，等待着最关键时刻的来临。

范重:整个卸载过程持续了5天的时间，我们都在现场严密地监控，对每一步的数据进行分析，将计算数据和现场实测的数据进行核对。两者的数据非常接近。应该说设计是非常成功的。

一切都准确无误，对筑巢人来说这确实是一个胜利的时刻:“鸟巢”终于自己站起来了！这证明设计和施工都是近乎完美的。这一刻每个筑巢人都为能成为这座伟大建筑的一分子感到骄傲。它成为一个工程奇迹，一个建筑奇迹。

?刚刚成功卸掉塔架，巨大的钢结构阴影投射到地上，使人们非常担心会影响运动员和观众的视线。奥运会期间又正是北京的雨季，如何在任何天气情况下都能给鸟巢观众一个“晴朗的”天空？鸟巢的环形屋顶必须既遮光又挡雨。这让鸟巢的设计团队和施工方陷入两难（图5）。

（5）阳光透射的效果

李久林:我们用了5.3万平米叫PTFE的声学吊顶，这个PTFE声学吊顶，它的透光率只有30%，同时它对光有漫反射的作用，当光到这个膜上以后，通过漫反射和减少透光率使得场内的光线更加柔和，也解决了场内产生阴影的这个问题（图6）。

（6）ETFE声学吊顶解决了阴影问题

这层乳白色的屋顶不仅解决了场内产生阴影的问题。

李久林:我们在钢屋盖下面，整个铺上这种膜材，起到很好的吸声作用，使得场内的声学效果达到目前同类体育场馆里边最好的水平。

膜结构吸收了91000名观众的部分呐喊声，运动员不会受声音的影响。但是大自然的考验让筑巢人又面临着新的困难。

2006年12月，第15届亚洲运动会开幕式在卡塔尔多哈举行，然而风云变幻莫测，一场大雨不期而至，湿滑的台阶让点火手险些摔倒。一次亚洲体育盛宴的开幕式因为雨水竟留下了如此的遗憾。于是，很多人开始担心北京奥运开幕式的盛典。8月8日正值北京降雨高峰周期，鸟巢的天空将接受严峻考验，鸟巢的环形屋顶能否保证91000名观众在雨天也能安心看表演和比赛？鸟巢又将如何为观众遮风挡雨呢？

鸟巢的屋顶膜结构紧锣密鼓地进入了施工，世界上首例体育场双膜结构诞生了。观众头顶上的PTFE膜可以遮光吸声，但不能遮挡雨雪，于是工程技术人员在鸟巢顶部又选择了一种曾在很多著名膜结构体育场都使用过的膜材料。这种膜叫ETFE。

?李久林:ETFE是单层张拉膜。这一层膜，就像打在我们观众头上的一把伞，能够起到遮风挡雨的作用（图7）。

（7）图组:（7－1）在鸟巢顶部再上铺一层ETFE张拉膜（7－2）世界上首例双膜结构的鸟巢屋顶既遮光吸声，还挡风避雨

结合两种膜材料的特点功能，双模结构还是要经过很多测试。历届奥运会绚烂的烟花都是一大看点，但是烟花带来的负面影响也不得不考虑。

2005年德国足球联合会杯赛的法兰克福体育场顶棚漏水事件曾一度被传得沸沸扬扬，雨水的承重和施工的质量问题，使鸟巢的给排水设计师刘鹏不敢掉以轻心。

鸟巢顶部的钢结构镂空的部分各不相同，大小不一。

刘鹏:在我们看起来，它大约应该就是1200多个屋顶，是它们组成了这么一个屋顶体系。

他和他的团队专门为鸟巢设计了独一无二的屋顶给排水系统。

鸟巢把排水和给水结合了起来，在膜上设置上千个雨水漏;鸟巢顶部和钢柱中暗设管道；在场馆和周边绿地铺设管道引流（图8）;把鸟巢和周边绿地的雨水收集到5个蓄水池中。通过对雨水资源的有效收集，这个系统每年节约的水资源足以注满一座9米高的足球场。经净化处理后的“雨水”可用于场馆绿化、空调冷却、以及洗手间冲洗等等，挡雨变成收集大自然的馈赠，既避免了膜因为承载过重而漏水，也体现了绿色奥运的理念。