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2008年，奧運(yùn)圣火首次在中國點(diǎn)燃，北京“鳥巢”聚焦世界目光。2021年10月28日，國家體育場(chǎng)“鳥巢”改造工程正式完工，2022年將承擔(dān)北京冬奧會(huì)、冬殘奧會(huì)開閉幕式任務(wù)，屆時(shí)“鳥巢”將成為全球第一個(gè)“雙奧體育場(chǎng)”。

?中國建筑設(shè)計(jì)研究院

2002年10月25日，受北京市人民政府和第二十九屆奧運(yùn)會(huì)組委會(huì)授權(quán)，北京市規(guī)劃委員會(huì)面向全球征集2008年奧運(yùn)會(huì)主體育場(chǎng)——中國國家體育場(chǎng)的建筑概念設(shè)計(jì)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(jì)單位提供的有效資格預(yù)審文件，經(jīng)過嚴(yán)格的資格預(yù)審，確定了14家設(shè)計(jì)單位進(jìn)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(jì)方案公開展出。歷時(shí)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(chǎng)”3454張?！傍B巢”被確定為2008年北京奧運(yùn)會(huì)主體育場(chǎng)——中國國家體育場(chǎng)的最終實(shí)施方案。

?李興鋼[1]

“鳥巢”的設(shè)計(jì)單位為瑞士赫爾佐格和德梅隆、中國建筑設(shè)計(jì)研究院組成的設(shè)計(jì)聯(lián)合體最終的施工圖是由中國建筑設(shè)計(jì)研究院完成，建設(shè)單位為國家體育場(chǎng)有限責(zé)任公司,總承包單位為北京城建集團(tuán)。由于“鳥巢”的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，要在圖紙上精確繪制出數(shù)以萬計(jì)的異形空間曲面，給出精確的施工尺寸，進(jìn)而對(duì)這些異形構(gòu)件組成的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，需要用到參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法。設(shè)計(jì)公司采用當(dāng)時(shí)十分先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)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(jì)變成一張張精確的設(shè)計(jì)圖紙。工程于2003年12月24日開工建設(shè)，2008年6月27日竣工。

“鳥巢”——中國國家體育場(chǎng)（北京2008年奧運(yùn)會(huì)主體育場(chǎng)），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(yùn)會(huì)的主體育場(chǎng)，承擔(dān)奧運(yùn)會(huì)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(dòng)座席可容納1.1萬人(賽后拆除)。建筑工程設(shè)計(jì)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(jí)為6級(jí)。

“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(diǎn)高度為距地68.5m，最低點(diǎn)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(fù)雜的節(jié)點(diǎn)，4榀主桁架在環(huán)梁處截?cái)唷Ｓ捎谥麒旒芘c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(chǎng)看臺(tái)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(tái)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(jì)、加工制作及安裝的復(fù)雜性前所未有，具有極大的挑戰(zhàn)性。在設(shè)計(jì)中大量采用新技術(shù)、新材料、新工藝，進(jìn)行了許多研究工作與技術(shù)創(chuàng)新，填補(bǔ)了多項(xiàng)國內(nèi)空白，很多成果達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

?中國建筑設(shè)計(jì)研究院

?千圖

“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(duì)國家體育場(chǎng)屋蓋結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)型，提出了一種適合于復(fù)雜空間彎扭構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)表示法，該方法與傳統(tǒng)的圖紙表達(dá)方式保持一致，滿足了鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)安裝定位和檢驗(yàn)的需求。

在“鳥巢”的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shì)，對(duì)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(qiáng)度的Q460鋼材，最大厚度達(dá)110mm。對(duì)鋼材的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)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(yán)格的要求。同時(shí)，嚴(yán)格控制碳當(dāng)量，經(jīng)過嚴(yán)格的焊接工藝評(píng)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(qiáng)度級(jí)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(biāo)準(zhǔn)的范圍。本工程采用Q460鋼材由邯鋼集團(tuán)舞陽鋼鐵有限責(zé)任公司專門進(jìn)行研制生產(chǎn)。

?千圖

針對(duì)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(chǎng)計(jì)算方法?！傍B巢”鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)大跨度結(jié)構(gòu)的建造過程進(jìn)行了詳細(xì)施工模擬分析，還在彎扭構(gòu)件設(shè)計(jì)方法研究、首次提出下風(fēng)振系數(shù)計(jì)算方法、ANSYS軟件平臺(tái)上開發(fā)大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化功能、箱形截面桁架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法研究、焊接薄壁箱形構(gòu)件設(shè)計(jì)方法研究、桁架柱復(fù)雜節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法研究、異型柱腳設(shè)計(jì)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(jì)所取得的眾多成果既應(yīng)對(duì)前所未有的挑戰(zhàn)、解決了自身的設(shè)計(jì)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(jì)得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)又為我國大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的規(guī)范、設(shè)計(jì)、材料、加工、安裝等方面起到重要的推動(dòng)作用。

“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(xué)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(shí)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(gè)現(xiàn)代化的體育場(chǎng)和膜結(jié)構(gòu)建筑，其設(shè)計(jì)實(shí)施過程中所取得的成果和經(jīng)驗(yàn)將成為我國今后同類工程的寶貴借鑒。

?李興鋼[1]

“鳥巢”設(shè)計(jì)中的獨(dú)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(fù)雜性，決定了必須采用不同于以往的、當(dāng)代國際最先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具和方法，才能圓滿完成這一世界級(jí)大工程的設(shè)計(jì)工作。

CATIA V5 R13 作為理想的新工具被引入“鳥巢”的設(shè)計(jì)之中，在此之前，國內(nèi)尚無在建筑行業(yè)采用CATIA的先例?！傍B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(fù)雜空間、結(jié)構(gòu)、彎扭構(gòu)件與特殊節(jié)點(diǎn)建模問題，為“鳥巢”建立了關(guān)鍵性的高精度三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，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(shí)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(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)——包括性能化消防設(shè)計(jì)和人群安全疏散模擬、場(chǎng)內(nèi)熱/風(fēng)舒適度模擬、場(chǎng)內(nèi)聲學(xué)模擬、外圍區(qū)域交通疏散模擬等，還建立了科學(xué)、高效的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)。

“鳥巢”的雨洪利用分為雨水收集、處理、回用三個(gè)主要部分。經(jīng)過收集、處理后的雨水應(yīng)用于比賽場(chǎng)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(chǎng)的回用水系統(tǒng)。國家體育場(chǎng)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(jìn)的雨洪利用系統(tǒng),年回收利用的雨水量可能達(dá)到年平均總降水量的66%,年回收總量近6.7萬m³。

?李興鋼[1]

“鳥巢”的暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在主導(dǎo)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(bǔ)充。利用體育場(chǎng)足球場(chǎng)草皮下的土壤資源, 設(shè)計(jì)地源熱泵冷熱源系統(tǒng),高效、節(jié)能、環(huán)保。

?李興鋼[1]

“鳥巢”的工程建造難點(diǎn)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(jī)電設(shè)備工程、施工管控等方面均有各自的特點(diǎn)和難點(diǎn)，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(biāo)、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(shí)支撐體系整體卸載、Q460超強(qiáng)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(yàn)收均為國家最高標(biāo)準(zhǔn)并與國際相關(guān)高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)接軌。

“鳥巢”的施工由國家體育場(chǎng)工程總承包單位——北京城建集團(tuán)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(píng)審達(dá)到國際先進(jìn)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(jiǎng)項(xiàng)，以及具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國家專利、國家或市級(jí)工法。其中，“鳥巢”的設(shè)計(jì)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(fù)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(gè)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(diǎn)成模機(jī)床，通過機(jī)床上下兩排點(diǎn)陣狀的可調(diào)節(jié)鋼柱將鋼板鍛壓成曲面。在質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，傳統(tǒng)工藝和現(xiàn)代發(fā)明機(jī)械生產(chǎn)有機(jī)結(jié)合促進(jìn)，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。

國家體育場(chǎng)場(chǎng)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(duì)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(jì)37個(gè)分項(xiàng)進(jìn)行提升，以滿足冬奧會(huì)開閉幕式活動(dòng)和場(chǎng)館的可持續(xù)發(fā)展需求。場(chǎng)館外圍基座東北側(cè)增建無障礙坡道，更新全場(chǎng)18部無障礙電梯。景觀照明系統(tǒng)改造后，場(chǎng)館通過運(yùn)行模式控制，達(dá)到30%的節(jié)能效果，同時(shí)可根據(jù)不同時(shí)段需求呈現(xiàn)更多元化的燈光效果，打造標(biāo)志性城市夜景名片。

觀眾服務(wù)衛(wèi)生間、場(chǎng)館無障礙設(shè)施服務(wù)系統(tǒng)提升

?中建八局微信

2008年后，北京夏季奧運(yùn)會(huì)后成為市民參與體育活動(dòng)及享受體育娛樂的大型專業(yè)場(chǎng)所，并成為地標(biāo)性的體育建筑和奧運(yùn)遺產(chǎn)。被譽(yù)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(biāo)志著北京2022年冬奧會(huì)由北京市負(fù)責(zé)的8個(gè)競賽場(chǎng)館，16個(gè)非競賽場(chǎng)館和31項(xiàng)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(huì)精彩綻放！

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