奏響自主創(chuàng)新的時代旋律

1、8 奏響自主創(chuàng)新的時代旋律 文/曾丁丁 李之政國家體育館為北京2008年奧運會三大主要比賽場館之一，總建筑面積約8.1萬平方米。奧運期間將主要進行體操、手球決賽等。國家體育館從外形上看，呈近似扇形的波浪。業(yè)內(nèi)的專家曾一致評價：國家體育館的鋼屋架和鳥巢的鋼結(jié)構(gòu)、水立方的膜結(jié)構(gòu)并稱為奧運場館科技三大亮點。如何精心施工，讓這把“美麗的扇子”展開在2008年的奧運賽場，承擔施工的北京城建集團的有關(guān)人員自開工以來，站在技術(shù)創(chuàng)新的前沿，從建筑方案到工程初步設(shè)計、施工圖設(shè)計及施工、材料選用，全部由國內(nèi)的建筑師、工程師完成，唱響了自主創(chuàng)新的時代強音。 世界最大跨度的預(yù)應(yīng)力雙向張弦鋼屋架國家體育館鋼屋架南北長1

2、44米，東西寬114米，總用鋼量2800噸，是目前國內(nèi)唯一的、也是世界上最大跨度的預(yù)應(yīng)力雙向張弦鋼屋架。和同等跨度的鋼屋架相比，國家體育館的鋼屋架至少節(jié)省1500噸鋼材，降低造價500萬元。就是因為國家體育館鋼屋架體系采用了新型的“雙向張弦大跨度空間結(jié)構(gòu)”。它的結(jié)構(gòu)受力如同一張拉開的弓，上部剛性較大的抗彎構(gòu)件（通常稱為拱或桁架）好比弓的拱，下部柔性構(gòu)件（通常稱為鋼索）恰似弓的弦。通過雙向張拉呈“十”字交叉狀的鋼索，滿足屋蓋結(jié)構(gòu)體系的受力要求，呈現(xiàn)優(yōu)美的幾何造型。這種結(jié)構(gòu)具有承載力大、用鋼量小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、易于獲得美觀的建筑造型等優(yōu)點，是一種新型的大跨空間結(jié)構(gòu)形式。 實際施工中如何通過雙向張拉“展

3、開”這把美麗的“扇子”，是國內(nèi)外建筑史上未曾遇到過的施工技術(shù)難題，來自中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會、北京政府專業(yè)顧問團等單位的10多位知名專家一直為解決這一技術(shù)難題而努力。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度大，制定一個經(jīng)濟合理的張拉施工方案是十分復(fù)雜的分析決策過程。張拉施工方案的選擇除了考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變之外，還要考慮其形態(tài)、就位及在不同施工狀態(tài)下可能出現(xiàn)的問題。有關(guān)人員告訴記者，為了攻克這一重大施工技術(shù)難題，技術(shù)專家和國家體育館工程技術(shù)人員先后提出4套方案，前后進行了3次大型論證，經(jīng)過反復(fù)比較和篩選，確定了一套相對可行的張拉施工方案，但是，如此大跨度雙向張拉施工方法國內(nèi)外尚無先例，能否保證施工中和投入使用后的安全，經(jīng)多

4、方研究論證后，專家和工程技術(shù)人員最終提出建造一個110的縮尺實物模型進行試驗。 經(jīng)過各相關(guān)單位積極籌備，3月初，鋼屋架模型在北京工業(yè)大學結(jié)構(gòu)實驗室開始建造，模型上共設(shè)置了300個數(shù)據(jù)采集點，隨時采集張拉各個階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，就像人體周身神經(jīng)系統(tǒng)把外界各種刺激傳遞給大腦一樣。在10多天緊張的張拉試驗中，共進行10多項不同狀況下的模擬試驗。經(jīng)過不懈努力，模擬試驗圓滿完成。模型試驗數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)基本吻合，印證了該屋架體系不但是合理的，而且是先進的，其中一項專項試驗反映出該屋架結(jié)構(gòu)抗突發(fā)事件能力比較強，最終確定張拉方案符合施工要求?！皺C器人”帶索滑移助力鋼屋架安裝到位 國家體育館鋼屋架南北長144米

5、，東西寬114米，總用鋼量2800噸。要把這重達2800噸，由幾百根桿件組成的龐然大物精確安裝到位，然后通過雙向張拉達到設(shè)計受力狀態(tài)，是國內(nèi)建筑史上未曾遇到過的施工難題。按照傳統(tǒng)的施工方法，要大量支搭滿堂紅架子，然后進行高空散裝。為了加快施工進度，降低施工成本，國家體育館總承包部成立了項目經(jīng)理牽頭，1名教授級高級工程師負責，名技術(shù)骨干在內(nèi)的科研攻關(guān)小組。在專家的幫助下，經(jīng)過反復(fù)論證，最后采用“帶索累積滑移”技術(shù)，進行同步推進滑移施工。也就是先在地面組裝，然后吊上屋頂分片拼裝，再通過9個液壓爬行“機器人”推動，計算機控制逐步積累向前滑移。為了確保施工萬無一失，先后編制了9個專項施工方案，進行了2

6、5次專題論證。經(jīng)過72天的艱苦奮戰(zhàn)，成功將重2800噸的鋼屋架滑移到位，創(chuàng)出了目前空間跨度最大的雙向張弦鋼屋架結(jié)構(gòu)體系使用“機器人”帶索滑移的新紀錄。國家體育館的“鐵布衫”據(jù)施工單位的北京城建集團國家體育館總承包部經(jīng)理李寶丹向記者介紹，該館為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)支撐屋蓋的外圈柱采用了型鋼混凝土框架鋼支撐結(jié)構(gòu)體系，具有承載力大、高抗震、高安全性等特點，四周有156根勁性鋼柱，鋼柱之間分別有437根水平撐鋼梁和278根斜撐鋼梁連接，工程總用鋼量約3000噸。型鋼混凝土鋼支撐體系是整個體育館結(jié)構(gòu)的核心結(jié)構(gòu)體系，它不但承擔了主要的豎向力和水平力，同時也是工程的核心抗震系統(tǒng)和安全保護體系，被

7、譽為國家體育館的“鐵布衫”。 據(jù)悉，這種全新的結(jié)構(gòu)體系在我國大型體育場館設(shè)計中使用，尚屬第一次。因其重要性和復(fù)雜性，使設(shè)計和施工過程中不可避免地產(chǎn)生了新的難題和新問題。為符合中國特色和國情的建筑創(chuàng)作提供了新的空間和選擇。那么，如何保證“鐵布衫”確實管用呢？國家體育館啟用了高科技的計算機仿真技術(shù)為其保駕護航。型鋼混凝土鋼支撐混合結(jié)構(gòu)體系要求設(shè)計、加工制作與現(xiàn)場安裝有機結(jié)合起來才能最終保證設(shè)計和施工的質(zhì)量。因此在對本工程型鋼混凝土鋼支撐混合結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計是全程的、縱深的。 我國目前的鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)在大跨度空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域研究和應(yīng)用甚少，但其優(yōu)良的力學和物理性能證明在大跨度空間結(jié)構(gòu)體系中同樣大有用武

8、之地。用計算機仿真技術(shù)對新型的型鋼混凝土鋼支撐體系在體育場館建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工一體化過程的效果分析，探索復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工的最佳結(jié)合模式，以及對型鋼混凝土加鋼支撐結(jié)構(gòu)的新型節(jié)點設(shè)計和有限元分析，可為今后在這方面的設(shè)計和研究開創(chuàng)新方向。國家體育館技術(shù)人員向記者舉例說，國家體育館是復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)和包含眾多子體系和材料的混合結(jié)構(gòu)，目前國內(nèi)外單個分析軟件對這種高度混合和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分析還無計可施，不同的軟件有不同的長項，但沒有一個軟件可以解決這種結(jié)構(gòu)的所有問題，因此在分析時要采取多種軟件平行分析和對比、調(diào)整，對不同的子體系和部位以某一軟件的分析為準,其它軟件校核的方式。型鋼混凝土鋼支撐結(jié)構(gòu)的施工深化設(shè)計

9、和有限元分析、型鋼混凝土鋼支撐結(jié)構(gòu)的施工安裝階段驗算、超長型鋼柱吊裝控制措施等。 國家體育館工程總承包部副總工楊郡向記者總結(jié)說，在這一過程中，創(chuàng)新點包括以下幾個方面：一是第一次在大型體育場館的設(shè)計中使用這種全新的結(jié)構(gòu)體系，為符合中國特色和國情的建筑創(chuàng)作提供了新的空間和選擇；二是通過三維設(shè)計技術(shù)對高度復(fù)雜的節(jié)點進行仿真設(shè)計，將施工中的問題在設(shè)計階段提前充分解決，利用有限元分析方法對復(fù)雜節(jié)點深入分析，初步揭示了型鋼梁柱和鋼支撐構(gòu)成的新型復(fù)雜節(jié)點的內(nèi)在力學機理；三是設(shè)計與施工一體化，二者緊密結(jié)合，有條不紊地解決施工中的問題，使復(fù)雜的結(jié)構(gòu)通過分解和重新組合而得到簡化；四是通過對節(jié)點模型的加載和破壞試驗

10、，進一步掌握這種新型節(jié)點的破壞機理和過程。變廢為寶，鋼渣回填技術(shù) 國家體育館的科技創(chuàng)新還表現(xiàn)在，為了降低施工對環(huán)境造成的影響，國家體育館總承包部積極貫徹“綠色奧運”理念，他們在施工中采用先進的鋼渣回填技術(shù)配重抗浮，銷納廢鋼渣8.2萬噸，不但創(chuàng)造了良好的社會效益和經(jīng)濟效益，而且為解決困擾人們多年的鋼渣處理問題開辟了一條新的途徑。 在采訪時，李寶丹經(jīng)理解釋說，國家體育館基礎(chǔ)埋深低于抗浮水位標高，需要在工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部增加大量配重以抵抗地下水的浮力。以往工程采用級配砂石、灰土或混凝土等材料進行配重回填，需要消耗自然資源，不利于環(huán)境保護。在設(shè)計單位的指導下，國家體育館總承包部和城建五公司大膽嘗試采用鋼渣代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料進行回填。 這些鋼渣全部取材于首鋼煉鋼過程中產(chǎn)生的廢棄多年的煉鋼剩余渣土，并經(jīng)過加工處理，按照試驗配比參和少量水泥及其他輔料配制而成，密度、含水率、放射