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2022
冬奧場館專題
北京將是世界上首個夏季奧運會和冬季奧運會都舉辦過的“雙奧之城”。2022年冬奧會場館建設(shè)的一大特點,就是最大程度上使用了2008年夏季奧運會的遺產(chǎn)。那些大家耳熟能詳?shù)睦蠄鲳^、老地方進行了全新的設(shè)計、改造、提升,同時還出現(xiàn)了一批能夠兼顧夏季運動和冬季運動的場館界的“變形金剛”。這些凝結(jié)著建設(shè)者們汗水和智慧的場館,體現(xiàn)了我國傳統(tǒng)精益求精的匠人精神,彰顯著我國舉辦一場體育盛會的決心!我們將逐一為您揭開神秘面紗。
國家體育場——鳥巢
2008年,奧運圣火首次在中國點燃,北京“鳥巢”聚焦世界目光。2021年10月28日,國家體育場“鳥巢”改造工程正式完工,2022年將承擔北京冬奧會、冬殘奧會開閉幕式任務(wù),屆時“鳥巢”將成為全球第一個“雙奧體育場”。

?中國建筑設(shè)計研究院
設(shè)計回顧?
2002年10月25日,受北京市人民政府和第二十九屆奧運會組委會授權(quán),北京市規(guī)劃委員會面向全球征集2008年奧運會主體育場——中國國家體育場的建筑概念設(shè)計方案。
從2002年10月29日到11月20日,競賽辦公室共收到44家著名設(shè)計單位提供的有效資格預(yù)審文件,經(jīng)過嚴格的資格預(yù)審,確定了14家設(shè)計單位進入正式的方案競賽。
為征求公眾意見,競賽組織單位又將預(yù)審后的全部設(shè)計方案公開展出。歷時6天,觀眾投票排名前三位是:“鳥巢”3506張、“浮空開啟屋面”3472張、“天空體育場”3454張?!傍B巢”被確定為2008年北京奧運會主體育場——中國國家體育場的最終實施方案。

?李興鋼[1]
中外聯(lián)手設(shè)計?
“鳥巢”的設(shè)計單位為瑞士赫爾佐格和德梅隆、中國建筑設(shè)計研究院組成的設(shè)計聯(lián)合體最終的施工圖是由中國建筑設(shè)計研究院完成,建設(shè)單位為國家體育場有限責任公司,總承包單位為北京城建集團。由于“鳥巢”的結(jié)構(gòu)十分復雜,要在圖紙上精確繪制出數(shù)以萬計的異形空間曲面,給出精確的施工尺寸,進而對這些異形構(gòu)件組成的空間結(jié)構(gòu)進行計算,需要用到參數(shù)化設(shè)計的方法。設(shè)計公司采用當時十分先進的三維設(shè)計軟件CATIA、有限元分析軟件ANSYS和SAP2000等,通過“高技”的方法終于將“鳥巢”從概念設(shè)計變成一張張精確的設(shè)計圖紙。工程于2003年12月24日開工建設(shè),2008年6月27日竣工。
工程難度空前?
“鳥巢”——中國國家體育場(北京2008年奧運會主體育場),位于北京市成府路南側(cè),奧林匹克公園中心區(qū)南部,是2008年北京第29屆奧運會的主體育場,承擔奧運會開、閉幕式與田徑比賽??偨ㄖ娣e約為258000m2,固定座席可容納8萬人,活動座席可容納1.1萬人(賽后拆除)。建筑工程設(shè)計使用年限為100年,抗震設(shè)防烈度8度,抗震設(shè)防分類乙類,人防等級為6級。
高度復雜的鋼結(jié)構(gòu)
“鳥巢”的鋼結(jié)構(gòu)被稱作巨型大跨度鋼桁架交叉旋轉(zhuǎn)編織式結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)頂面呈鞍形,長軸為332.3m,短軸為296.4m,最高點高度為距地68.5m,最低點距地高度為40.1m,屋蓋中部的洞口結(jié)構(gòu)長度為185.3m,寬度為127.5m。大跨度屋蓋支撐在24根桁架柱之上,柱距為37.958m。大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)采用交叉平面桁架體系,主桁架圍繞屋蓋洞口環(huán)梁放射形布置,有22榀主桁架直通或接近直通,為了避免出現(xiàn)過于復雜的節(jié)點,4榀主桁架在環(huán)梁處截斷。由于主桁架與內(nèi)環(huán)相切,其中一些主桁架在平面外微彎,24根桁架柱與主桁架+立面次結(jié)構(gòu)共同形成抗側(cè)力體系。

?千圖
主場看臺部分采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系,與鋼結(jié)構(gòu)完全脫開,分為上、中、下三層,中下層看臺之間設(shè)有包廂層。大跨度鋼結(jié)構(gòu)大量采用由鋼板焊接而成的箱形構(gòu)件,構(gòu)件截面尺寸巨大,存在大量空間彎扭構(gòu)件,很多方面均超過現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范的涵蓋范圍,其設(shè)計、加工制作及安裝的復雜性前所未有,具有極大的挑戰(zhàn)性。在設(shè)計中大量采用新技術(shù)、新材料、新工藝,進行了許多研究工作與技術(shù)創(chuàng)新,填補了多項國內(nèi)空白,很多成果達到了國際先進水平。

?中國建筑設(shè)計研究院

?千圖
彎扭構(gòu)件空間坐標表示法
“鳥巢”屋蓋結(jié)構(gòu)的立面和肩部構(gòu)件隨著屋蓋表面曲率的變化而彎曲、扭轉(zhuǎn),從而保證了立面箱形構(gòu)件的光滑平順。針對國家體育場屋蓋結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)型,提出了一種適合于復雜空間彎扭構(gòu)件的節(jié)點坐標表示法,該方法與傳統(tǒng)的圖紙表達方式保持一致,滿足了鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計、現(xiàn)場安裝定位和檢驗的需求。
采用國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高強、高性能鋼板
在“鳥巢”的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中,為了控制成本、縮短訂貨周期,全部采用國產(chǎn)鋼材。厚鋼板選用了國產(chǎn)Q345GJ鋼材。由于Q345GJ鋼材的板厚效應(yīng)小,可以有效減少結(jié)構(gòu)的用鋼量,改善結(jié)構(gòu)的安全性,有效地發(fā)揮了國產(chǎn)新型鋼種的技術(shù)優(yōu)勢,對于控制用鋼量起到了很好的作用。在桁架柱內(nèi)柱受力最大的部位采用了高強度的Q460鋼材,最大厚度達110mm。對鋼材的抗拉強度與屈服強度的比值、伸長率、沖擊韌性、板厚方向截面收縮率等提出了嚴格的要求。同時,嚴格控制碳當量,經(jīng)過嚴格的焊接工藝評定,使其具有良好的可焊性。這是迄今為止國內(nèi)建筑工程中所采用的強度級別最高的厚鋼板,鋼板的性能要求均大大超過現(xiàn)有國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標準的范圍。本工程采用Q460鋼材由邯鋼集團舞陽鋼鐵有限責任公司專門進行研制生產(chǎn)。

?千圖
其他開創(chuàng)性成果
針對北京地區(qū)的氣候類型屬典型的溫帶大陸性氣候,季節(jié)氣溫變化很大的客觀條件,還提出大跨度結(jié)構(gòu)溫度場計算方法?!傍B巢”鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計對大跨度結(jié)構(gòu)的建造過程進行了詳細施工模擬分析,還在彎扭構(gòu)件設(shè)計方法研究、首次提出下風振系數(shù)計算方法、ANSYS軟件平臺上開發(fā)大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化功能、箱形截面桁架節(jié)點設(shè)計方法研究、焊接薄壁箱形構(gòu)件設(shè)計方法研究、桁架柱復雜節(jié)點設(shè)計方法研究、異型柱腳設(shè)計方法研究等方面取得了開創(chuàng)性成果。
“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計所取得的眾多成果既應(yīng)對前所未有的挑戰(zhàn)、解決了自身的設(shè)計難題,并在確保結(jié)構(gòu)安全的前提下降低用鋼量,使“鳥巢”設(shè)計得以實現(xiàn),同時又為我國大型復雜鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的規(guī)范、設(shè)計、材料、加工、安裝等方面起到重要的推動作用。
膜結(jié)構(gòu)技術(shù)?
“鳥巢”的屋面由鋼結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)共同組成。膜結(jié)構(gòu)由兩部分構(gòu)成,上層鑲嵌在主體鋼結(jié)構(gòu)上層鋼梁區(qū)格之間的透明ETFE膜結(jié)構(gòu)和下層懸掛在主體鋼結(jié)構(gòu)下層鋼梁下面的半透PTFE膜結(jié)構(gòu)吊頂。其中上層ETFE單層張拉膜4.2萬m2,下層為PTFE膜聲學吊頂5.3萬m2。
鳥巢”的單層ETFE膜結(jié)構(gòu)的使用規(guī)模目前居世界前列,同時其ETFE和主體鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)合使用、ETFE和PTFE膜結(jié)構(gòu)結(jié)合使用的做法在國際上也沒有先例?!傍B巢”作為一個現(xiàn)代化的體育場和膜結(jié)構(gòu)建筑,其設(shè)計實施過程中所取得的成果和經(jīng)驗將成為我國今后同類工程的寶貴借鑒。



?李興鋼[1]
設(shè)計方法?
“鳥巢”設(shè)計中的獨特理念和三維建筑空間與形體語言所帶來的極大的挑戰(zhàn)性和復雜性,決定了必須采用不同于以往的、當代國際最先進的設(shè)計工具和方法,才能圓滿完成這一世界級大工程的設(shè)計工作。
CATIA V5 R13 作為理想的新工具被引入“鳥巢”的設(shè)計之中,在此之前,國內(nèi)尚無在建筑行業(yè)采用CATIA的先例。“鳥巢” CATIA建模工作,由建筑師與結(jié)構(gòu)工程師經(jīng)過艱苦而高效的工作在高配置電腦中共同完成。CATIA軟件在我國建筑工程中的首次應(yīng)用,便成功地解決了復雜空間、結(jié)構(gòu)、彎扭構(gòu)件與特殊節(jié)點建模問題,為“鳥巢”建立了關(guān)鍵性的高精度三維設(shè)計平臺,從而為“鳥巢”從描畫在紙上的想象和理念走向矗立在大地的真實建筑的出生之路創(chuàng)造了基本條件和前提。


?李興鋼[1]
除此之外,還采用了多種計算機仿真模擬技術(shù)——包括性能化消防設(shè)計和人群安全疏散模擬、場內(nèi)熱/風舒適度模擬、場內(nèi)聲學模擬、外圍區(qū)域交通疏散模擬等,還建立了科學、高效的協(xié)同設(shè)計平臺。
綠色奧運項目?
雨洪利用
“鳥巢”的雨洪利用分為雨水收集、處理、回用三個主要部分。經(jīng)過收集、處理后的雨水應(yīng)用于比賽場地草坪灌溉、空調(diào)水冷卻、沖廁、綠化、消防等9類用途,與市政優(yōu)質(zhì)中水共同組成國家體育場的回用水系統(tǒng)。國家體育場采用目前世界范圍內(nèi)建筑雨水深度處理回用規(guī)模最大、技術(shù)最先進的雨洪利用系統(tǒng),年回收利用的雨水量可能達到年平均總降水量的66%,年回收總量近6.7萬m3。

?李興鋼[1]
地源熱泵
“鳥巢”的暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中,在主導冷熱源系統(tǒng)之上,采用了地埋管式地源熱泵系統(tǒng)作為補充。利用體育場足球場草皮下的土壤資源, 設(shè)計地源熱泵冷熱源系統(tǒng),高效、節(jié)能、環(huán)保。

?李興鋼[1]
建造技術(shù)?
“鳥巢”的工程建造難點眾多,鋼結(jié)構(gòu)工程、混凝土結(jié)構(gòu)工程、膜結(jié)構(gòu)工程、內(nèi)外裝修工程、防水工程、機電設(shè)備工程、施工管控等方面均有各自的特點和難點,大量采用新材料、新技術(shù)、新工藝、新方法,諸如100年耐久性指標、4.2萬噸異型鋼構(gòu)件加工安裝、6萬m2/1.4萬噸大跨度馬鞍型空間鋼結(jié)構(gòu)屋頂臨時支撐體系整體卸載、Q460超強超厚鋼鋼板焊接、4.5萬m2ETFE和5.3萬m2PTFE大面積膜結(jié)構(gòu)安裝等諸多關(guān)鍵施工技術(shù)堪稱世界難題,并且建設(shè)、技術(shù)及驗收均為國家最高標準并與國際相關(guān)高技術(shù)標準接軌。
“鳥巢”的施工由國家體育場工程總承包單位——北京城建集團和中心建設(shè)及各參施單位,聯(lián)合專業(yè)科研單位,歷經(jīng)四年多艱苦卓絕的努力,不僅圓滿完成了艱巨的施工任務(wù),并且在諸多領(lǐng)域取得一系列突破性的成果,其工程應(yīng)用新技術(shù)的整體水平經(jīng)權(quán)威鑒定評審達到國際先進水平,獲得一大批國際國內(nèi)科技和質(zhì)量管理方面的最高獎項,以及具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國家專利、國家或市級工法。其中,“鳥巢”的設(shè)計構(gòu)思和造型所帶來的空間異形結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制備制作、空間定位和復雜施工,無疑是具有最大的施工挑戰(zhàn)性并且取得最豐碩成果的領(lǐng)域。




“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)制作量大,由三個廠家共同完成。其中江蘇滬寧和江南造船廠采用的是傳統(tǒng)的造船工藝,浙江精工則采用自身發(fā)明的多點成模機床,通過機床上下兩排點陣狀的可調(diào)節(jié)鋼柱將鋼板鍛壓成曲面。在質(zhì)量標準要求的前提下,傳統(tǒng)工藝和現(xiàn)代發(fā)明機械生產(chǎn)有機結(jié)合促進,形成了有中國特色的生產(chǎn)方式,也體現(xiàn)了中國企業(yè)、工程師和工人的智慧。
改造升級?
國家體育場場館改造圍繞“簡約、安全、精彩”的辦賽要求,遵循“節(jié)儉辦奧”理念,凸顯綠色、智慧和人性化特色,主要對無障礙設(shè)施系統(tǒng)、景觀照明系統(tǒng)、觀眾服務(wù)設(shè)施系統(tǒng)及其他設(shè)施設(shè)備系統(tǒng)等四大方面共計37個分項進行提升,以滿足冬奧會開閉幕式活動和場館的可持續(xù)發(fā)展需求。場館外圍基座東北側(cè)增建無障礙坡道,更新全場18部無障礙電梯。景觀照明系統(tǒng)改造后,場館通過運行模式控制,達到30%的節(jié)能效果,同時可根據(jù)不同時段需求呈現(xiàn)更多元化的燈光效果,打造標志性城市夜景名片。

點狀修補工作

虹吸排水系統(tǒng)及電伴熱改造

空調(diào)風機盤管提升

溫水直飲水系統(tǒng)工程


觀眾服務(wù)衛(wèi)生間、場館無障礙設(shè)施服務(wù)系統(tǒng)提升
?中建八局微信
賽后利用?
2008年后,北京夏季奧運會后成為市民參與體育活動及享受體育娛樂的大型專業(yè)場所,并成為地標性的體育建筑和奧運遺產(chǎn)。被譽為“第四代體育館的偉大建筑作品”。2021年10月28日,“鳥巢”改造工程完工,也標志著北京2022年冬奧會由北京市負責的8個競賽場館,16個非競賽場館和31項配套基礎(chǔ)設(shè)施全面完成建設(shè)任務(wù)。期待2022年北京冬奧會精彩綻放!

?千圖
后記
“鳥巢”并非是設(shè)計的起點和原因,而是設(shè)計被內(nèi)在因素推動自然發(fā)展的結(jié)果,“鳥巢”的設(shè)計理念、審美觀念和建筑學手法體現(xiàn)出一種環(huán)環(huán)相扣的“返璞歸真”;“鳥巢”設(shè)計和實施的重大關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與創(chuàng)新成果是對其設(shè)計理念的強力支撐,不僅是使“鳥巢”成為現(xiàn)實的必要條件,也是對中國高端設(shè)計建造技術(shù)水平的重要提升和歷史性案例,極大地推動了國家各相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進步。
——摘自李興鋼《第一見證:“鳥巢”的誕生、理念、技術(shù)和時代決定性》
參考資料
[1]李興鋼.第一見證_“鳥巢”的誕生、理念、技術(shù)和時代決定性[D].天津:天津大學,2011.
[2]范重, 劉先明, 范學偉,等. 國家體育場大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學報, 2007, 28(2):16.
[3]中建八局.“鳥巢”煥新 ,中建八局“筑”力冬奧場館升級改造!
[4] 北京新聞廣播.國家體育場“鳥巢”改造工程今天完工!“雙奧之城”標志性場館群首次集體亮燈.
來源:建筑結(jié)構(gòu)
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