设计师讲述鸟巢国家体育场钢结构卸载过程

鸟巢钢结构卸载
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鸟巢钢结构总设计师范重和鸟巢项目总工程师李久林做客会客厅

鸟巢内部结构

鸟巢外观

　　央视新闻频道《新闻会客厅》9月20日播出节目《“鸟巢”站住了》，以下为节目内容:

　　李小萌：您好观众朋友，欢迎走进《新闻会客厅》。2008年奥运会的主会场国家体育场自从被确定为是鸟巢这个方案之后就备受关注，也曾经被认为是不可能完成的任务，而9月17号，随着一项重要的施工工序的完成，鸟巢已经从图纸变为了现实。

　　北京时间2006年9月14日，举世瞩目的2008年北京奥运会主会场——国家体育场“鸟巢”在历经两年多的建设后，终于迎来钢结构施工最后、最重要的一个环节——钢结构卸载。

　　9月17日11时10分，最后第78根钢柱卸载成功，鸟巢重达42000吨的钢结构将摆脱外力的支撑，“靠自己站立起来”。随即，这一历史性的时刻通过手机、网络、电视等各种传播途径迅速传遍全国甚至全世界。

　　一座注定将载入世界体育史、世界建筑史的建筑，它的建成无疑是国人的骄傲，但是作为这个建筑的核心当事人之一，范重无疑是最应该感到幸福和骄傲的人。

　　李小萌：今天我们节目请到的就是鸟巢的钢结构总设计师范重，欢迎您。

　　范 重：谢谢主持人。

　　李小萌：为什么卸载钢架结构支架这样一个步骤这么受到关注？

　　范 重：在一个大跨度钢结构里有几个非常关键的阶段，一个是建造阶段最重要的一步就是钢结构卸载，将来它在使用的阶段，需要经历

　　李小萌：在卸载工程的那一天，作为总设计师，您要到现场吗？

　　范 重：这个卸载过程持续了好几天，我们天天坚守在现场。

　　李小萌：最后完成的那个时候您在现场吗？

　　范 重：在现场，我心情也非常激动。

　　李小萌：在现场的什么位置？

　　范 重：在现场的信息处理中心。

　　李小萌：等到最后一根支架被卸开的时候，整个处理中心是什么样的气氛？

　　范 重：钢架卸载以后，应该说还不能马上认为它脱离千斤顶的支撑以后就认为是成功了，我们要对各种数据进行分析，主要是下降的位移量、应力的情况，还有变形的情况，特别是有一些温度，因为这个大跨度结构对温度变型非常敏感，我们把所有的数据综合起来判断，感觉到符合设计要求，这种情况下我们才能通过专家的共同讨论确认卸载完全成功。

　　李小萌：这个阶段是已经完成了还是还在进行当中？

　　范 重：这个阶段已经完成了。

　　李小萌：我们也看到报道说，沉降最大幅度的是30公分左右，这个是在设计范围之内的吗？

　　范 重：是的，根据我们理论的计算，鸟巢的最大变型量是286毫米，实际的卸载量变型是271毫米，这个是非常接近的，可以说接近程度在整个钢结构建造史上，大跨度的建造史上也是属于比较罕见的。

　　李小萌：我们是外行，像沉降，包括因为温度造成的变型，这些是不是还需要更长的时间去考核它才知道是不是能够合格呢？

　　范 重：是的，对于一个结构，特别是大跨度结构，它受各种因素的影响非常多，特别是受大气条件的变化，北京地区属于大陆性气候，昼夜温差很大，夏季温度很高，特别像鸟巢这种大跨度结构，它会受到太阳辐射的影响，大家都有一个生活上的经验，如果有一个汽车，汽车门打开，在夏季的时候里边温度非常高，它的温度远远高于大气气温，在这种情况下，温度的作用对钢结构是非常明显的，而且可以看得出来，鸟巢的钢架完全是露在室外的，是一个暴露的钢结构，所以这种效应就更加明显。

　　李小萌：如果这样说，到什么时候才能够确切地说它确保万无一失？

　　范 重：我们在整个设计过程当中考虑了各种不利的因素，对于大跨度钢结构，特别是北京是一个地震区，我们考虑了在各种地震设防烈度下，它的安全性，而且我们把各种极端的温度，北京历史上最高的温度、最低的温度，还有极端的大雪，还有极端的风力，包括一些火灾，局部的火灾，各种严酷的条件，我们都进行了精确的计算分析，确保这个鸟巢结构的万无一失。

　　李小萌：您刚才提到频率很高的一个词就是大跨度钢结构，通俗地解释是怎么样的？

　　范 重：对于这个体育场馆或者是机场会展中心这一类的结构，因为它是一个人流高度集中的使用空间，我们不希望有任何构件， 包括柱子，作为遮挡，特别是奥运的比赛场馆，它对赛事有很严格的要求，所以这种情况，它的屋盖要跨越整个的建筑，支撑的点在建筑的最外侧，对这种支撑在外侧的大屋顶结构，做成大跨度结构，这是我们结构工程师都是这么讲。

　　2003年3月31日中国国家体育场建筑竞赛方案征集结束，由瑞士建筑大师赫尔佐格、德梅隆与中国建筑设计研究院合作完成的“鸟巢”方案当选，由五个国家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”体育场方案为重点推荐实施方案。在国际建筑设计竞赛中，一个方案能够获得如此的共识尚属少见。

　　李小萌：具体到鸟巢这个建筑来讲，它和其它的大跨度钢结构的建筑相比，在设计上难度又在哪儿？

　　范 重：首先我想表现在它的跨度大，我们可以看一个图片，我们看一个平面图，国家体育场这个结构，我们要管它叫鸟巢结构，它的难度首先表现在跨度非常大，它的长轴方向是333米，短轴的方向是296米，最高点也有68米，最低点是41米，这种体量的钢结构在大跨度结构里边也是非常巨型的一个钢结构。第二个特点，它的构件都是由焊接相形断面构成的，都是由四块钢板拼合成的，构件的尺度也是比较大，最大的是1.2米乘1.2米，1.2米见方的构件，如此大的构件构成一个矩形的结构，应该说在结构建造史上也是非常罕见的。第三就是我们建筑师对钢结构的外型要求很高，从模型上我们可以看得出来，钢结构构件随着屋盖表面的形状是连续弯扭的一个形状，我们看一个图片，我们也做了一个模型。这个结构是由主结构和次结构组成，在建筑的周边有24根桁架柱，每根桁架柱上面伸展出来两个主行架，就是最外围的三角，主行架和屋盖中间的内环是相切，形成了行架编织的一个平面的形状，这个尺度非常大。

　　李小萌：这样一个体量和您以前设计过的同类型的建筑相比大了多少？

　　范 重：这个要大得多，我们一般屋盖应该说覆盖的面积两三万平米，也都是比较大的，这个覆盖面积已经超过六万平米，应该说是一个非常巨大的结构。

　　李小萌：前面那一幅。

　　范 重：这个就是我们鸟巢结构的主结构，这个结构是在外侧的，我们叫桁架柱，从桁架柱伸展出来的叫主行架，这也是由结构工程师和建筑师共同完成的一个工作模型。下一幅，这是我们把立面的和顶面的次结构加上以后，形成了一个没有规律的鸟巢结构。可以看得出来，我们支撑鸟巢结构的主体结构，包括立柱和它的主行架都是非常规则的，而立面的和顶面的构件应该说看起来好像是不规则的，但是从我们专业的角度来看，它还是有相当的规律性。

　　李小萌：作为钢结构的总设计师，在什么样的环节当中就要介入到设计当中去了？

　　范 重：对于这种特殊的大跨度结构，从一开始工程师就应该介入进去。

　　李小萌：您讲的一开始就是鸟巢结构图纸确定下来之前还是之后？

　　范 重：应该是之中。

　　李小萌：怎么理解这个？

　　范 重：任何一个复杂的结构，建筑创意，首先要保证整个结构的可行性，有的时候如果一个建筑看起来很漂亮，但是技术上无法实现，它也不是一个好的设计，也不是一个真正能够实现的设计，所以像这种大型的复杂结构，在早期就应该有工程师参与，跟建筑师共同配合，不断磨合，最后配合出来一个能够实现的真正的建筑作品。

　　李小萌：当您最初听到这个创意的时候，您觉得这个可行吗？

　　范 重：应该说这个方案从刚才看到的主结构和次结构的布置，整个的理念来讲，从结构上还是可以实现的。

　　李小萌：当时您觉得这里边可能碰到的最大的困难是什么？

　　范 重：这个困难应该还是综合的，首先对于这么大跨度的结构，建筑师要求构建的尺寸非常大，而且在这个结构的肩部有很多空间的扭曲构件，这个加工制作，包括这么巨型结构的安装，对我们建筑钢结构行业是一个巨大的挑战。另外像这么重型的结构，对于钢材的要求也非常高，需要轻质的高强的钢材，满足受力和抗震各方面的要求。

　　李小萌：这次钢结构搭建起来采取了一个支架的方式，这种方式在建筑界经常使用的吗？

　　范 重：我们有一个安装的方案，放一个短片。这个大跨度结构和一般的建筑是不一样的，在设计过程里，必须要考虑安装的可能性，安装的合理性。如果我们不考虑安装和制作的一些实际问题，这个结构就无法实现，对于大跨度结构，有几种比较常用的安装方法，一个叫高空散装法，还有一个是整体提升法，所谓整体提升法就是把整个屋盖在地面拼合好，把它整体提升起来，当然还有分片划一法，很多方法。对国家体育场这个建设，我们也是经过了很多很多考虑，在我们的设计里提出了这么一个方法，在第一阶段，我们安装这个主结构和次结构的柱脚，在第二阶段安装立面的桁架柱。

　　李小萌：从这个图上看哪一部分是留下来的主体钢架结构，哪一部分是卸载掉的，能看得出来吗？

　　范 重：现在还没有到。

　　李小萌：现在这个是什么？

　　范 重：这是安装过程。安装过程完全是按照我们设计提出的要求来进行安装。第三步是安装立面的次结构，接下来是安装立面的大楼梯，大楼梯也是这个结构一个非常大的特点，它不但是观众可以直接从下层看台到上层看台的一个通道，而且也是结构受理构件的一部分。在安装大楼梯以后，我们安装了78个临时的支撑塔架。

　　李小萌：这就是这一次被卸载掉的塔架。

　　范 重：对，这个塔架比较均匀地布置在结构的外圈、中圈和内圈，安装塔架以后，它的作用主要是我们可以把这个主行架分段吊装，支撑到塔架之上，这样我们对吊车的起吊能力就要求比较低，不需要一个很大的吊车，但事实上即使这么分段以后，我们还是采用了很大的吊重的吊车，现场安排了两台八百吨的吊车。

　　李小萌：一般平常建筑都是用什么重量的？

　　范 重：平常建筑二百吨左右就足够了，而且很多是高塔吊，这个是履带吊。

　　李小萌：主要原因还是因为这个鸟巢太大了。

　　范 重：主要的原因确实我们这个钢结构尺度很大，整个主行架的高度就有12米。

　　李小萌：在接下来还有像卸载支架这么关键的步骤吗？

　　范 重：应该说没有了，下边虽然钢结构还没有完全完，但是从现场的照片看得出来，我们有一些顶面的次结构、膜结构，这个工程我们正在继续，但是从钢结构主体结构来讲已经完成了，这就跟人的骨骼一样，如果骨骼是坚固的，他的肌肉、皮肤就可以越来越健康。

　　李小萌：是不是对您来说已经很大程度上可以放松一点了？

　　范 重：应该说心里话，还是松了一口气，因为在卸载以前，像这么重大的钢结构是不是能像设计预想的那样，降落到指定的位置，预先大家都没有底，但是通过我们几天的监测过程，应该说我们仿真的卸载的过程和实际的卸载量是非常接近的。

　　李小萌：据说在建筑界比较公认的有难度、著名的钢架结构的建筑是艾菲尔铁塔，现在鸟巢和这个建筑有可比之处吗？

　　范 重：从我们结构工程师的角度来看，这两个还是有差别的，艾菲尔铁塔作为巴黎的标志性建筑，从结构的角度来讲，它是一个高耸建筑，这也是巴黎的一个象征性的建筑。国家体育场是一个体育功能的大跨度结构，从功能上有比较大的差别，但是从技术难度来讲，由于国家体育场钢结构建造、设计巨大的挑战性，应该说它也是一个钢结构建造史上非常不寻常的里程碑。

　　李小萌：鸟巢的钢结构设计在您之前，包括之后的设计师生涯当中，占到一个什么样的位置呢？

　　范 重：我想作为一个结构工程师，我非常高兴，非常有幸参与到奥运工程这么一个巨大的对中华民族有重大影响的事件里，向奥运工程交出最好的作品，体现我们的技术水平，体现中国人的技术创新的能力。

　　李小萌：对您个人来讲，这是不是一个巅峰之作？

　　范 重：应该说从技术上是永无止境的，从我们工程设计来讲，也不能是无可挑剔，完美无缺的，任何一个事情我想都有两个方面，我们会不断地总结经验，不断提高技术水平，向更高的高峰迈进。

　　李小萌：演播室回来，我们请到的是鸟巢项目的总工程师李久林，欢迎您。

　　李久林：主持人好。

　　李小萌：跟我们讲一下你们二位的分工，最不同的是什么？我们太外行了。

　　李久林：应该说范总他们是设计单位，就是要把鸟巢放到图纸上，我们是施工单位，就是要把范总交给我们的图纸变成现实。

　　李小萌：我们从媒体的报道当中看到，卸载成功的那一天很多建筑工人都哭了。您当时见到了吗？

　　李久林：见到了，因为我们两位自始至终都在现场。我想大家这种心情是不言而喻的，所以无论是工人激动也好，还是工程技术人员激动也好，包括我们两位激动也好，都是非常正常的，主持人可能知道，中午的时候，我们两位都喝多了。

　　李小萌：这是您所经历的最难的项目吗？

　　李久林：是的。

　　李小萌：当时看到这样的设计图纸，有没有犹豫过，说能不能承接下来，能不能完成这样一个任务？

　　李久林：确实有这个感受，所以我们看到这个图纸的时候，首先我们感受到它跟我们原来所施工过的工程是完全不同的，同时通过我们对图纸了解的深入，我们感觉有太多的问题是我们以前从来没有接触过的，甚至从有关的资料上看，国内外都没有接触过，因此我们首先感受到的一个就是压力和挑战。

　　李小萌：你们二位的合作应该是相当紧密了，紧密到什么程度？

　　李久林：紧密到所有的问题最关键的问题，都是要一起来研究解决。

　　李小萌：这是因为这个项目的难度造成的吗？

　　李久林：我想也是这个工程的特点所决定的，也是它的难度所决定的。作为一个常规的工程来讲，设计人一般设计完成以后，我们更多的作为施工单位是按照我们国家有关的施工规范来进行施工，而这样一个超常规的工程，我们很多规范是不能涵概的，甚至我们国家的很多规范是没有这方面内容的，包括施工过程中的很多施工方法，比如大跨钢结构的安装方法，包括如何进行卸载，包括最后我们的质量标准等等这些问题都是施工单位和设计单位一同共同研究来解决的。

　　李小萌：范总跟李总之间的合作是怎么样一种合作？

　　范 重：应该说我们的合作是一种全方位的合作，有愉快，有争论，最终我们目标都是一样的，把事情做好。我的感觉，这个工程的配合量非常大，比如说我们的设计图纸在变成结构以前，要进行很多环节，其中一个重要的环节就是加工详图的设计，这个工程钢结构的加工详图的量非常大，一共有13000多张加工图，将来继续还有膜结构和其它辅助结构的图纸，整个图纸量超过两万张，这么多的图纸都是需要我们设计单位的同志一张一张审核、确认，所以感觉除了设计任务完成以后，工地的配合，现场的代表，参加各种会议，应该说我们也是投入了相当大的力量去配合承包单位，配合参建单位完成这个任务。

　　李小萌：你们两位一个主要负责设计，一个主要负责施工，在合作当中谁是更多的提出问题的，谁是更多的解决问题的？

　　李久林：应该说是根据不同的阶段，比如说在设计阶段，更多的可能是设计人需要施工方面提出一些施工方面配合的建议，到了施工阶段，提问题者更多的应该是施工单位，设计人会给我们一些宝贵的建议。

　　李小萌：有没有非常焦灼，非常难于处理的时候？

　　范 重：这个应该还是有的，因为这么一个复杂的结构在建造过程当中有很多具体的问题。我们举一个例子，就是钢结构合笼的问题，对于超长的钢结构，由于它温度变型的原因，这个在建造的过程当中必须找一个合笼点，合适的一个温度，这个在大跨度销量里边用得比较多，由于国家体育场外露的钢结构，尺度非常大，温度应力占它结构作用力里非常大的一个成分，所以我们在设计图纸里要求严格控制合笼温度，但是这个合笼温度的要求和建造时间的具体日程的安排，在某种程度上会有一定差异，所以通过多次的技术研讨，多次的专家论证，我们最后找到了解决的办法。目前国家体育场这个合笼的问题完全是按照设计要求在设计的温度下进行合笼，解决了关键的技术问题。

　　李小萌：就是这个温度要求，按照设计的要求去选择合笼的时间，对你们的困难是什么？

　　李久林：因为设计人提出来温度要求以后，按照北京的气温，可能只能在一些特定的时间段能够满足这个合笼的温度要求。

　　李小萌：能知道温度的要求是多少？

　　李久林：合笼的温度，我们原来是14度，正负四度，后来经过大量做工作以后，调整为19度正负四度。

　　李小萌：这个温度在北京只要是春秋季都可以。

　　李久林：对，春秋季都可以，但是对于施工单位来讲，因为工期的安排，各方面因素来讲，能够满足这个工期的时间和我们的工序往往有的时候是矛盾的。

　　李小萌：跟进程有时候吻合不上。

　　李久林：对，也就是说设计人的要求越严格，实际上来讲，从施工的角度来讲难度就越大，如果说我们一年四季都可以合笼，施工的困难可能就要小一些，如果限定在非常短的有效时间内，我们各种工作必须要调整，要把这项工作去跟它吻合，甚至有的时候我们要采取一些其它的必要的措施保证这个温度，满足设计的要求。

　　李小萌：什么样特殊的措施？

　　李久林：比如说降温措施，我们在前期准备方案的时候，我们曾经考虑了不同的降温方式，来解决这个钢结构的本体温度，钢结构本身的温度，要满足这个设计的温度要求，当然，随着后来工作的进一步深入，设计人员调整了这个温度的要求，也就使得我们相对来讲更容易一些，满足了这个要求。

　　李小萌：像19度正负四度这个要求，当时是在室外温度就在这个范围之内施工，还是特殊因为了温度处理呢？

　　李久林：我们应该说很好地选择了这个时机完成了施工，为了保证我们施工的时候温度满足设计要求，我们的专业气象部门天天在现场跟踪监控我们奥运这个主场馆这一点的气象的资料，同时我们也委托专业的科研单位，在整个钢结构上布设了60个测温点，时时监控这个温度，我们的工人应该说是整戈待殚随时准备着，一合适就开始工作，因此我们在8月下旬，通过三天的时间到8月底之前，我们选择了非常好的温度时机都是在后半夜，每天的后半夜，圆满地完成了合笼的工作。

　　“鸟巢”最具特点也是最复杂的一个地方是肩部弯扭构件的设计，这种大胆而巧妙的设计在世界外建筑史上还没有先例。而要把这种弯扭构件从设计变为现实，首先需要的就是符合设计要求的高强度钢材，而在当时所有国产钢材都达不到它的强度要求。

　　早在申奥成功之初，北京奥组委主席刘淇就明确提出，奥运用钢必须国产化，于是在设计单位、施工单位和国内钢厂通力合作下，经过反复的研究、反复的试验，终于成功地扎出了符合施工要求、完全由我国自主研发的“Q460”高强度钢材，并最终成功地运用到了工程上，整个工程一共使用钢材700吨，钢材的合格率达到百分之百。正因为这样，鸟巢钢结构在国内建筑用钢史上树立了一个新的里程碑。

　　有了合格的钢材之后，为了扎出符合设计要求的弯扭构件，施工单位又自主开发了一套工艺技术，在逐渐攻克这项技术难关的过程中，我国加工不规则弯扭板材的技术得到了迅速地、提升。

　　李小萌：鸟巢工程的顺利施工包括未来的顺利完工，概括来讲，对中国整个建筑行业的发展，包括设计、施工、建筑材料有什么样深远的影响？

　　范 重：我觉得这个影响是巨大的，对于这么一个由弯扭构件复杂构型造成的复杂的钢结构，怎么去表达它，怎么去设计它，这是设计人员必须面对的问题，当时曾经有专家预言，对这么一个钢结构，如果没有两千张设计图纸，这个钢结构设计是不能完成的，结果我们通过提出了一种叫弯扭构件的空间坐标表示法，通过引进最新的CATIA软件，通过点关键模结构楞线的控制，通过坐标点的输入，开发了一套专用的软件，我们整个的钢结构的设计图纸才用150多张，100多张就把一个复杂的钢结构主体结构表达得非常清楚。

　　李小萌：这两千张跟一百多张差别，关键是什么？

　　范 重：关键就是技术含量，我们找到了一种可以表达这种特殊钢结构构件，特别是扭曲构件在造船工业里边常见，在建筑工业里很少用到这种构件的技术，这也充分体现了技术含量、误差控制和软件建模工具发挥的巨大作用。

　　李小萌：李总，您的观点是，这样一个工程的顺利施工，包括未来的完工，对于整个中国建筑行业的影响是什么？

　　李久林：刚才说到了我们鸟巢对于建筑钢结构的一些促进作用，包括建筑用钢，包括我们的加工制作技术，包括刚才谈到的测控技术，包括我们现在这个工程上用到了大吨位的吊装设备，我们在建筑钢结构很少用到八百吨的吊具和六百吨吊具，针对大型的吊装设备的施工方法，我们也形成了一套成熟的工艺，成熟的技术，我想对于我们今后再次进行大跨度的结构的施工，再次进行重型结构的施工，我们再次运用到这些大型的设备，会有宝贵的经验可以借鉴。同时我们在标准方面，针对鸟巢这个工程，我们单独制定了验收标准，我想这个标准也会对我们国家相关的钢结构的一些验收标准修订和完善，会起到一个促进作用。

　　李小萌：刚才范总讲了，卸载一成功，他可以算是松了一口气，对于李总来讲，接下来还有更大的挑战吗？

　　李久林：应该说鸟巢钢结构的卸载是我们整个钢结构施工中的一个里程碑，但是同时又是一个开始，为什么呢？因为我们卸载以后，紧接着我们要开始顶面次结构的安装，还有五千吨的顶面次结构需要安装到位，我们还有膜结构需要施工，同时，这次卸载另外一个非常重要的意义在于，我们可以及时地拆除这些支撑塔架，因为支撑塔架整个贯穿了我们目前的混凝土结构，我们只有把它拆除以后，才能进行混凝土结构洞口的封堵，才能进行14000块看台板的安装，才能进行看台内的装饰

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