《大跨房屋钢结构》马臻

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1、新型大跨空间结构新型大跨空间结构鸟巢鸟巢一一简简介介 “鸟巢”是 2008 年北京奥运会主体育场。由 2001 年普利茨克奖获得者赫尔佐 格、德梅隆与中国建筑师合作完成的巨型体育场设计，形态如同孕育生命的巢， 它更像一个摇篮，寄托着人类对未来的希望。设计者们对这个国家体育场没有 做任何多余的处理，只是坦率地把结构暴露在外，因而自然形成了建筑的外观。“鸟巢”以巨大的钢网围合、覆盖着 9.1 万人的体育场；观光楼梯自然地成为 结构的延伸；立柱消失了，均匀受力的网如树枝般没有明确的指向，让人感到 每一个座位都是平等的，置身其中如同回到森林；把阳光滤成漫射状的充气膜， 使体育场告别了日照阴影；整个地形

2、隆起 4 米，内部作附属设施，避免了下挖 土方所耗的巨大投资。 鸟巢是一个大跨度的曲线结构，有大量的曲线箱形结构，设计和安装均有很 大挑战性，在施工过程中处处离不开科技支持。“鸟巢”采用了当今先进的建 筑科技，全部工程共有二三十项技术难题，其中，钢结构是世界上独一无二的。 “鸟巢”钢结构总重 4.2 万吨，最大跨度 343 米，而且结构相当复杂，其三维 扭曲像麻花一样的加工，在建造后的沉降、变形、吊装等问题正在逐步解决， 相关施工技术难题还被列为科技部重点攻关项目。二二档档案案 国家体育场鸟巢 -地点:奥林匹克公园 -奥运会期间的用途:开闭幕式、田径、男子足球 -残奥会期间的用途:开闭幕式、田

3、径 -建筑面积:25.8 万平方米 -固定座位数:80000 个-临时座位数:11000 个 -数据参数:为特级体育建筑，工程主体建筑呈空间马鞍椭圆形，南北长 333 米、东西宽 294 米，高 69 米。主体钢结构形成整体的巨型空间马鞍形钢桁架编 织式“鸟巢”结构，钢结构总用钢量为 4.2 万吨。 2003 年 3 月 28 日，由 5 个国家的 13 名建筑大师和专家组成的竞赛评审委员 会，以压倒多数票推选“鸟巢”方案为国家体育场重点推荐实施方案。 2003 年 12 月 24 日，“鸟巢”工程破土动工，进入全面施工阶段。 2004 年 7 月 30 日，出于“节俭办奥运”和安全性等方面的

4、考虑，“鸟巢” 暂时停工。 2004 年 11 月下旬，“鸟巢”设计优化调整方案完成。方案取消了可开启屋 盖，与原设计相比，钢结构用钢量减少了 22.3%，膜结构减少了 13%。 2004 年 12 月，“鸟巢”正式复工。 2005 年 11 月 15 日，混凝土主体结构封顶，比预期提前一个月。 2006 年 8 月 31 日，钢结构工程主体桁架梁合龙完成。2006 年 9 月 17 日，“鸟巢”钢结构卸载完成。 三三特特点点 1.外形结构 1）.基本材料“鸟巢”外形结构主要由巨大的门式钢架组成，共有 24 根桁架柱，现已完成 20 根桁架柱整柱及 2 根下柱吊装。国家体育场建筑顶面呈鞍形，长

5、轴为 332.3 米，短轴为 296.4 米，最高点高度为 68.5 米，最低点高度为 42.8 米。2).设计方案的改变在保持“鸟巢”建筑风格不变的前提下，新设计方案对结构布局、构建截面 形式、材料利用率等问题进行了较大幅度的调整与优化。原设计方案中的可开 启屋顶被取消，屋顶开口扩大，并通过钢结构的优化大大减少了用钢量。大跨 度屋盖支撑在 24 根桁架柱之上，柱距为 37.96 米。主桁架围绕屋盖中间的开口 放射形布置，有 22 榀主桁架直通或接近直通。为了避免出现过于复杂的节点， 少量主桁架在内环附近截断。钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件，交 叉布置的主桁架与屋面及立面的次结构一起形

6、成了“鸟巢”的特殊建筑造型。 主看台部分采用钢筋混凝土框架一剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。3).Q460 钢材的运用说起 Q460 钢材，大多数人可能都不了解。“鸟巢”结构设计奇特新颖，而这 次搭建它的钢结构的 Q460 也有很多独到之处：Q460 是一种低合金高强度钢， 它在受力强度达到 460 兆帕时才会发生塑性变形，这个强度要比一般钢材大， 因此生产难度很大。这是国内在建筑结构上首次使用 Q460 规格的钢材；而这次 使用的钢板厚度达到 110 毫米，是以前绝无仅有的，在国家标准中，Q460 的最 大厚度也只是 100 毫米。以前这种钢一般从卢森堡、韩国、日本进口。为了给 “鸟

7、巢”提供“合身”的 Q460，从 2004 年 9 月开始，河南舞钢特种钢厂的科 研人员开始了长达半年多的科技攻关，前后 3 次试制终于获得成功。如今，为“鸟巢”准备的 Q460 钢材已经开始批量生产。2008 年，400 吨自主创新、具有 知识产权的国产 Q460 钢材，将撑起“鸟巢”的铁骨钢筋。 4)特殊结构屋顶内环主桁架吊装和立面次结构安装已全面展开。“鸟巢”钢结构所使用 的钢材厚度可达 11 厘米，以前从未在国内生产过。另外，在“鸟巢”顶部的网 架结构外表面还将贴上一层半透明的膜。使用这种膜后，体育场内的光线不是 直射进来的，而是通过漫反射，使光线更柔和，由此形成的漫射光还可解决场 内

8、草坪的维护问题，同时也有为座席遮风挡雨的功能。滑动式的可开启屋顶是 体育场结构中必可少的一部分。当它合上时，体育场将成为一个室内的赛场。 如同一个容器的盖子，不管屋顶是闭合还是开启，它都是建筑物的基本组成部 分。除了一些特定的结构需要外，可开启屋顶的结构基本上也是一个网络状的 架构，装上充气垫后，成为一个防水的壳体。更为匠心独具的是，“鸟巢”把整个体育场室外地形微微隆起，将很多附属 设施置于地形下面，这样既避免了下挖土方所耗的巨大投资，而隆起的坡地在 室外广场的边缘缓缓降落，依势筑成热身场地的 2000 个露天座席，与周围环境 有机融合，并再次节省了投资。2.受力分析 1）首先，虽然建筑方案是

9、老外的，但施工图都是由中国的甲级建筑设计单位 和国家注册结构工程师做的结构设计。还有符合抗震规范的工程地质勘察报告。并且进行了最高层次的由建设部组织的超限高层建筑抗震设防专项审查。 2）抗震设计第一步是明确抗震设防要求，也就是建筑所在地区的抗震设防烈 度和地震动参数，这个在中国地震动参数区划图上有，具体的城市抗震设 防烈度国家建筑抗震设计规范里也有规定。比如汶川的抗震设防烈度就是 7 度， 昆明的抗震设防烈度是 8 度，一般 7 度抗震设防烈度，地震基本加速度为 0.1g，8 度抗震为地震基本加速度 0.2g. 鸟巢和国家大剧院因为特别重要，进 行了专门的地震安全性评估，比北京的其他建筑又提高

10、了地震动参数。 3）确定了较高的抗震设防标准，建筑工程抗震设防分类标准根据建筑重 要性、使用人数的不同把建筑分为甲乙丙丁四类，如三级甲等医院因为地震时 要救人，定为甲级，其设防烈度和抗震措施要提高一度，设计采用的地震动参 数要经过专门的地震安全性评价确定； 中小学教学楼因为学生多，自救能力弱，定为乙类，其设计采用的地震作用按 照当地的抗震设防烈度，但抗震措施要提高一度，所以按照规范规定，这次汶 川的中小学应当都采取 8 度的抗震措施，不应该突然倒塌。 一般建筑如住房设防类别为丙类，其设计采用的地震作用按照当地的抗震设防 烈度，抗震措施也不提高。丁类的一般是仓库等，抗震要求更低。 鸟巢和国家大剧

11、院都是甲类建筑。 4）开始设计，设计阶段首先给鸟巢和国家大剧院确定了合理的结构体系。 设计人员会根据房屋使用功能合理布置房屋的结构体系，一般低层建筑用现浇 混凝土框架结构抗震效果很好；高层建筑或大型建筑要用框架-剪力墙结构才能 满足抗震要求；再高的大楼一般要做成筒中筒结构或直接做成钢结构。 鸟巢和国家大剧院主体结构部分都是钢结构，特别抗震。5）抗震的力学验算和抗震措施的采用，房屋的抗震作用体现为结构对地震振 动和地震加速度的抵抗能力，房屋除了结构要能通过地震力的验算外，在建筑 上还要采取不少抗震措施，如圈梁和构造柱的布置、看台等附着物的加固等， 国家规范对此也有详细规定。 鸟巢和国家大剧院都从

12、严进行。 6）综合审查鸟巢和国家大剧院，一个合格的设计一般包括建筑、结构、给排 水、电气几个专业的说明和图纸，还看其他专业和抗震设计是不是符合，如有 的地震易变形部位给排水管应当柔性连接。 3.施工细节 国家体育场(“鸟巢”)是 2008 年北京奥运会主体育场。由 2001 年普利茨克 奖获得者赫尔佐格、德梅隆与中国建筑师李兴刚等合作完成的巨型体育场设计， 形态如同孕育生命的“巢”，它更像一个摇篮，寄托着人类对未来的希望。设计者们对这个国家体育场没有做任何多余的处理，只是坦率地把结构暴露在外， 因而自然形成了建筑的外观。 “鸟巢”以巨大的钢网围合、覆盖着 9.1 万人的体育场；观光楼梯自然地成

13、为 结构的延伸；立柱消失了，均匀受力的网如树枝般没有明确的指向，让人感到 每一个座位都是平等的，置身其中如同回到森林；把阳光滤成漫射状的充气膜， 使体育场告别了日照阴影；整个地形隆起 4 米，内部作附属设施，避免了下挖 土方所耗的巨大投资。工程总造价 22.67 亿元。 鸟巢是一个大跨度的曲线结构，有大量的曲线箱形结构，设计和安装均有很大 挑战性，在施工过程中处处离不开科技支持。“鸟巢”采用了当今先进的建筑 科技，全部工程共有二三十项技术难题，其中，钢结构是世界上独一无二的。 “鸟巢”钢结构总重 4.2 万吨，最大跨度 343 米，而且结构相当复杂，其三维 扭曲像麻花一样的加工，在建造后的沉降

14、、变形、吊装等问题正在逐步解决， 相关施工技术难题还被列为科技部重点攻关项目。“鸟巢”外形结构主要由巨 大的门式钢架组成，共有 24 根桁架柱。国家体育场建筑顶面呈鞍形，长轴为 332.3 米，短轴为 296.4 米，最高点高度为 68.5 米，最低点高度为 42.8 米。 为了有效控制构件的最大壁厚，减小焊接工作量，使连接构造比较合理，在设 计中采用了高强度的 Q460 钢材。Q460 钢材，大多数人可能都不了解。“鸟巢” 结构设计奇特新颖，而这次搭建它的钢结构的 Q460 也有很多独到之处：Q460 是一种低合金高强度钢，它在受力强度达到 460 兆帕时才会发生塑性变形，这 个强度要比一般

15、钢材大，因此生产难度很大。这是国内在建筑结构上首次使用 Q460 规格的钢材；而这次使用的钢板厚度达到 110 毫米，是以前绝无仅有的， 在国家标准中，Q460 的最大厚度也只是 100 毫米。 体育场外壳采用可作为填充物的气垫膜，使屋顶达到完全防水的要求，阳光 可以穿过透明的屋顶满足室内草坪的生长需要。比赛时，看台是可以通过多种 方式进行变化的，可以满足不同时期不同观众量的要求，奥运期间的 20，000 个临时座席分布在体育场的最上端，且能保证每个人都能清楚的看到整个赛场。 入口、出口及人群流动通过流线区域的合理划分和设计得了完美得到的解决。 鸟巢设计中充分体现了人文关怀，碗状座席环抱着赛场

16、的收拢结构，上下层 之间错落有致，无论观众坐在哪个位置，和赛场中心点之间的视线距离都在 140 米左右。 “鸟巢”的下层膜采用的吸声膜材料、钢结构构件上设置的吸声 材料，以及场内使用的电声扩音系统，这三层“特殊装置”使“巢”内的语音 清晰度指标指数达到 0.6这个数字保证了坐在任何位置的观众都能清晰地 收听到广播。 “鸟巢”的相关设计师们还运用流体力学设计，模拟出 91000 个 人同时观赛的自然通风状况，让所有观众都能享有同样的自然光和自然通风。 “鸟巢”的观众席里，还为残障人士设置了 200 多个轮椅座席。这些轮椅座席 比普通座席稍高，保证残障人士和普通观众有一样的视野。赛时，场内还将提 供供助听器并设置无线广播系统，为有听力和视力障碍的人提供个性化的服务。四施工难度四施工难度 首先在设计上是一个突破，应该说在国际上类似这样场馆的建设在鸟巢做成 这个规模，这么大的跨度，简单地说是一个切线布置，门将最多达到 330 米的跨度，这些受力的构件，这是非常大的突破。从设计理论包括计算方面都是一 个突破，包括自己研制