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1、国家体育场（鸟巢）施工科技创新与总承包管理北京城建集团国家体育场工程总承包部 李久林国家体育场位于奥林匹克公园中心区南部，为北京2008奥运会的主会场，承担开幕式、闭幕式和田径比赛，奥运会期间可容纳观众9.1万人，其中临时坐席11 000个（赛后拆除）。工程占地面积20.4公顷，总建筑面积约25.8万，檐高69.21m，东西长280m ，南北长333m。体育场建筑呈椭圆的马鞍形，外壳由约4.2万吨钢结构有序编织成“鸟巢”状独特的建筑造型，体育场内部为上、中、下三层碗状看台，看台板为预制混凝土构件，观众座席下为4-7层混凝土框架结构，采用钻孔灌注桩基础。建设单位为国家体育场有限责任公司，设计单位
2、为瑞士赫尔佐格和德梅隆、中国建筑设计研究院、奥雅纳组成的设计联合体，总承包单位为北京城建集团。工程于2003年12月24日开工建设， 2008年6月27日竣工。1工程概况及建造难点国家体育场工程具有技术上挑战性、功能上综合性、管理的上复杂性、时间上的紧迫性等特点。作为一座设施先进、功能齐全、造型特异、科技含量高、充满了时代气息的智能建筑，国家体育场的建造是一个庞大而复杂的系统工程。由于建筑师追求的是浑然天成的鸟巢造型，在这一设计理念的主导下，国家体育场工程由外至内无不体现出“杂乱无序”的结构构造，外围钢结构由巨形弯扭构件编织而成，内部混凝土结构由倾斜、旋转角度各异的斜（扭）柱以及斜梁组成的异形
3、框架结构。将这种特异的设计造型变成建筑实体无疑是一个巨大的技术挑战，建设工期相对于庞大的体量而言十分紧迫。由于体育场为大跨空间结构，基础桩受力巨大且受力机理复杂，存在抗压桩、抗拔桩、抗水平力桩多种形式，质量标准要求很高，桩基施工难度很大；工程地下室外墙设计有200m长弧形墙，体育场基础底板为950m74m片筏基础，不设伸缩缝，钢结构承台砼厚达10m,对于如此超长超厚的现浇混凝土构件，抗裂问题非常突出，工程设计使用年限为100年，耐久性指标要求高；国家体育场混凝土框架结构存在大量异形构件，其中80%的砼柱为斜柱，最大倾斜达60，特别是124根跨3-4层超高斜（扭）柱，最大斜长21米，采用常规模架
4、形式极难实现，其钢筋骨架连接固定、混凝土浇筑难度极大；国家体育场工程各楼层结构外边线极不规则,且存在超长外斜柱、高空空间环梁等复杂的结构形式，采用常规的架体设计无法实现支撑及防护功效；工程14700块清水看台板，规格型号多，质量标准要求高。国家体育场钢结构为巨型空间桁架编织结构，国内外尚无先例，给钢结构施工带来了一系列前所未有的施工技术难题。为实现“鸟巢”独特造型，其肩部主次钢结构均采用无固定线形的空间箱型弯扭构件，总用钢量约14000t。设计只提供了弯扭构件控制点的三维坐标，弯扭构件建模及展平放样、构件加工制作国内外钢结构企业均无成熟经验可借鉴，需开发专用设计软件、加工设备及配套工艺；因结构
5、跨度大、体型复杂，整体安装方案的确定不仅决定钢结构的成败而且对整个工程能否按时竣工具有决定性作用；体型庞大、最重达360t的巨型复杂钢构件吊装其重心确定、吊耳设计、吊装方法等都需要进行针对性研究；42000t钢结构全部采用箱型截面，安装接口达4000个，特别是卸载后进行顶面及肩部次结构安装，如何保证对口质量，存在巨大的技术难题；要在194条件完成128个合拢口的整体合拢，采用何种合拢方式、合拢工艺措施、温度监测，特别是在北京地区8月份完成整体合拢，国内外施工企业均无成熟的经验可借鉴；14000t、6万m2大跨度马鞍型钢屋盖整体分级同步卸载国内外尚无先例，卸载方案的确定、支撑体系设计、卸载系统选
6、择、监控量测等直接决定卸载工作的成败，需要进行针对性研究；鸟巢钢结构为全焊接结构，焊缝长度达30万m，同时存在高强钢厚板焊接、大规模仰焊、低温焊接、多杆件交汇节点焊接等技术难题，如何保证焊接质量难度巨大；如何保证造型复杂、体型庞大鸟巢钢结构的安装精度和建筑效果，需要建立高精度的测量控制网和构件拼装、安装的高精度测控；特别是实时获取已安装构件的接口位形，以指导构件的地面拼装和高空安装，及时消纳各种误差对于保证安装质量和进度具有极为重要的作用，需要研究相应的测控技术。2施工科技创新组织针对鸟巢十分独特的设计而带来的极为复杂的施工技术，北京城建集团国家体育场工程总承包部进行了科技信息查新和检索，积极
7、组织工程技术人员，并联合冶金建筑研究院、中国建筑科学研究院以及清华大学、北京建工学院等科研院校开展科技攻关，进行科研项目的立项，并成立了18个课题组具体负责实施。为了实现对国家体育场工程科技攻关工作进行系统化管理，圆满地完成各级科技立项课题的研究工作，及时、有效地指导工程施工，国家体育工程总承包部统一制订科技攻关计划并下发至各课题组，将项目落实到课题负责人。国家体育场工程施工科技立项情况序号课题名称所属专业子课题名称1国家科技攻关课题国家体育场结构设计与施工的安全关键技术研究钢结构、砼结构(1)灌注桩基础工程施工技术研究；(2)超长结构混凝土裂缝控制技术研究；(3)双斜柱综合施工技术研究；(4
8、)空间弯扭箱型截面构件及多向微扭空间节点的加工制作技术研究；(5)高强钢Q460厚板（100mm）焊接性能试验、焊接工艺技术研究；(6)巨型马鞍型空间钢结构整体卸载技术研究。2国家科技攻关课题北京市科委配套课题国家体育场关键施工技术与安全研究钢结构、砼结构（1）高大空间综合支撑架体研究与应用；（2）超高矩形钢管永久模板钢筋砼斜（扭）柱施工工艺研究；（3）大型钢结构工程质量控制与管理信息系统的研究与开发；（4）国家体育场混凝土结构耐久性（100）年关键技术研究。3国家“十五”重点科技攻关项目建筑业信息化关键技术研究信息化（1）大型建筑安装工程总承包施工管理信息系统；（2）建筑工程多参与方协同施工
9、管理平台；（3）基于IFC标准的建筑工程4D施工管理系统。4北京市科委科研项目课题国家体育场钢结构设计与施工关键技术研究 钢结构、膜结构（1）国家体育场钢结构负温焊接试验研究应用；（2）国家体育场钢结构合拢技术的研究应用；（3）国家体育场钢结构顶面次结构安装技术研究应用；（4）国家体育场膜材及膜结构检验技术研究。508办“三大理念课题”测量（1）钢结构、膜结构施工三维激光测量技术研究与应用。3主要科技创新成果国家体育场施工科技成果鉴定情况序号项目名称完成单位鉴定单位鉴定时间成果水平获奖情况1国家体育场混凝土结构耐久性（100年）关键技术研究北京城建集团中国建筑设计研究院等北京市建委2007年6
10、月1日国际先进水平“国家体育场混凝土结构工程关键技术研究”获2007年北京市科技进步三等奖2国家体育场工程矩形钢管永久模板混凝土斜扭柱施工技术及应用研究北京城建集团等北京市科委2006年3月3日填补国内空白，国际领先水平3国家体育场钢结构工程Q460E-Z35厚板焊接技术及应用研究北京城建集团等北京市科委2006年1月19日填补国内空白，国际先进水平2006年北京市科技进步二等奖4国家体育场大跨度马鞍型钢结构支撑卸载技术研究及应用北京城建集团等北京市建委2007年2月1日填补国内空白，国际先进水平“国家体育场钢结构工程关键施工技术研究与应用”正在申报2008年北京市科技进步奖5国家体育场钢结构
11、工程箱型弯扭构件制作及多向微扭节点制作技术及应用研究北京城建集团等北京市建委2007年2月1日填补国内外空白，国际领先水平6建筑工程多参与方协同工作网络平台系统清华大学北京城建集团教育部2006年1月19日填补国内空白，国际先进水平7基于IFC标准的建筑工程4D施工管理系统清华大学北京城建集团教育部2006年12月15日填补国内空白，国际先进水平8国家体育场施工测量技术研究与实践 北京城建勘测设计院 北京城建集团 北京市建委 2007年12月18日 国际领先 此外，还申请专利13项，已获3项专利授权，2项软件著作权。完成了北京市级工法6项,国家级工法4项，10项新的技术标准，公开发表学术论文1
12、00多篇。针对国家体育场混凝土结构复杂特点，从设计、施工及检测全方位对国家体育场混凝土工程关键技术进行了研究，在国内民用建筑领域首次针对混凝土结构高耐久性要求，从耐久性设计、高性能混凝土研制、结构施工以及结构检测评估四方面开展了系统的研究工作，解决了超长、大体积混凝土结构抗裂等技术难题，经济、社会效益重大；针对工程斜柱、斜梁及不规则边梁等异型结构，通过模架试验、有限元分析、实体试验柱制作和测试分析等多项研究，研发了斜柱、斜梁专用模架体系，超高混凝土斜柱泵送顶升技术以及高大空间组合脚手架技术等，成功解决了施工难题；鉴于桩基受力复杂，特别是“鸟巢”钢结构基础承受极大的竖向力、水平力及弯矩，在充分研
13、究的基础上，确定了桩、土、承台共同作用的设计方案。通过24根试桩，取得了单桩承载力特征值、桩端桩侧阻力分布、后压浆效果、地基土水平抗力系数的比例系数m值、水平荷载作用下桩身内力分布状况、桩土承台共同工作效应等参数，为工程桩设计优化和施工质量控制提供了充分依据，保证了工程质量，节省工程造价20%以上；针对预制看台板为非预应力薄壁构件，造型复杂、观感要求高的特点，从模板设计、抗裂混凝土配制、养护及构件安装等全过程进行研究，确定了看台板台座法生产及立打、反打的混凝土浇筑、浅池蒸汽养护工艺，保证了14700块看台板的成型质量，达到清水混凝土效果。针对国家体育场钢结构工程建设各环节的特点难点，对箱型弯扭
14、构件制作、主体钢结构安装、整体钢结构合拢、安装支撑体系设计施工及其卸载的关键技术、施工测量测控技术、焊接综合技术等方面进行了系统研究，开发出弯扭构件制作的三维建模及展平放样软件。在现有构件加工设备基础上开发出多点无模成形加工设备，并根据设备控制的需求开发出无模成形计算机控制专用软件及无模成形工艺参数；经过方案遴选，确定了分段高空散装方法。通过大型吊机多种吊装工艺解决了异型复杂构件的吊装。针对构件对接口数量多，接口偏差处理难度大，通过仿真计算分析、地面整体拼装工艺、三维激光扫描等技术的应用以及开发了箱型构件对口工艺做法，保证了4000多个构件安装接口质量；研究了钢结构合拢方法、合拢工艺和钢结构本
15、体温度的监测技术，实现了鸟巢128个合拢口的整体合拢；通过仿真对比分析，确定了合理的卸载方案。采用计算机控制液压集群千斤顶实现了14000吨钢结构支撑整体卸载；应用工业三维测量系统集成式精密空间放样和三维激光扫描等先进测量技术，保证了国家体育场钢结构安装精度；通过206项焊接工艺试验，总结出一套高强钢厚板焊接、低温焊接、仰焊、焊接残余应力及变形控制等焊接技术，确保了工程质量。4总承包施工管理国家体育场（鸟巢）采取新型的项目融资模式-PPP模式，即政府与企业联合投资，参与投资的企业负责施工及奥运会后的运营，运营时间30年，然后交给国家。经北京市政府面向全世界公开招标项目法人，由北京城建集团和中信集团、美国金州控股集团组成的中信联合体中标，联合体与北京市政府的出资人北京市国资公司共同组建项目公司“国家体育场有限公司”，该公司股东单位及出资比例为：北京国资公司58%、中信集团4.4%、中信国安岳强22.9%、北京城建12.6%、美国金州集团2.1%。2003年8月5日由相关方正式签定了国家体育场特许经营权等多个协议，同时明确了拥有特级资质的北京城建集团负责施工总承包及全部采购工作。以鸟巢等一批奥运工程的总承包施工为代表，北京城建集团探索了资本运作与施工相结合，以投融
