国家体育场“鸟巢”的建筑黑科技，全球第一个“双奥体育场”

2008年，奥运圣火首次在中国点燃，北京“鸟巢”聚焦世界目光。2021年10月28日，国家体育场“鸟巢”改造工程正式完工，2022年将承担北京冬奥会、冬残奥会开闭幕式任务，届时“鸟巢”将成为全球第一个“双奥体育场”。

?中国建筑设计研究院

2002年10月25日，受北京市人民政府和第二十九届奥运会组委会授权，北京市规划委员会面向全球征集2008年奥运会主体育场——中国国家体育场的建筑概念设计方案。

从2002年10月29日到11月20日，竞赛办公室共收到44家著名设计单位提供的有效资格预审文件，经过严格的资格预审，确定了14家设计单位进入正式的方案竞赛。

为征求公众意见，竞赛组织单位又将预审后的全部设计方案公开展出。历时6天，观众投票排名前三位是：“鸟巢”3506张、“浮空开启屋面”3472张、“天空体育场”3454张。“鸟巢”被确定为2008年北京奥运会主体育场——中国国家体育场的最终实施方案。

?李兴钢[1]

“鸟巢”的设计单位为瑞士赫尔佐格和德梅隆、中国建筑设计研究院组成的设计联合体最终的施工图是由中国建筑设计研究院完成，建设单位为国家体育场有限责任公司,总承包单位为北京城建集团。由于“鸟巢”的结构十分复杂，要在图纸上精确绘制出数以万计的异形空间曲面，给出精确的施工尺寸，进而对这些异形构件组成的空间结构进行计算，需要用到参数化设计的方法。设计公司采用当时十分先进的三维设计软件CATIA、有限元分析软件ANSYS和SAP2000等，通过“高技”的方法终于将“鸟巢”从概念设计变成一张张精确的设计图纸。工程于2003年12月24日开工建设，2008年6月27日竣工。

“鸟巢”——中国国家体育场（北京2008年奥运会主体育场），位于北京市成府路南侧，奥林匹克公园中心区南部，是2008年北京第29届奥运会的主体育场，承担奥运会开、闭幕式与田径比赛。总建筑面积约为258000m ² ，固定座席可容纳8万人，活动座席可容纳1.1万人(赛后拆除)。建筑工程设计使用年限为100年，抗震设防烈度8度，抗震设防分类乙类，人防等级为6级。

“鸟巢”的钢结构被称作巨型大跨度钢桁架交叉旋转编织式结构。钢结构顶面呈鞍形，长轴为332.3m，短轴为296.4m，最高点高度为距地68.5m，最低点距地高度为40.1m，屋盖中部的洞口结构长度为185.3m，宽度为127.5m。大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上，柱距为37.958m。大跨度屋盖结构采用交叉平面桁架体系，主桁架围绕屋盖洞口环梁放射形布置，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，4榀主桁架在环梁处截断。由于主桁架与内环相切，其中一些主桁架在平面外微弯，24根桁架柱与主桁架+立面次结构共同形成抗侧力体系。

?千图

主场看台部分采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，与钢结构完全脱开，分为上、中、下三层，中下层看台之间设有包厢层。大跨度钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件，构件截面尺寸巨大，存在大量空间弯扭构件，很多方面均超过现有技术规范的涵盖范围，其设计、加工制作及安装的复杂性前所未有，具有极大的挑战性。在设计中大量采用新技术、新材料、新工艺，进行了许多研究工作与技术创新，填补了多项国内空白，很多成果达到了国际先进水平。

?中国建筑设计研究院

?千图

“鸟巢”屋盖结构的立面和肩部构件随着屋盖表面曲率的变化而弯曲、扭转，从而保证了立面箱形构件的光滑平顺。针对国家体育场屋盖结构的几何构型，提出了一种适合于复杂空间弯扭构件的节点坐标表示法，该方法与传统的图纸表达方式保持一致，满足了钢结构详图设计、现场安装定位和检验的需求。

在“鸟巢”的钢结构设计中，为了控制成本、缩短订货周期，全部采用国产钢材。厚钢板选用了国产Q345GJ钢材。由于Q345GJ钢材的板厚效应小，可以有效减少结构的用钢量，改善结构的安全性，有效地发挥了国产新型钢种的技术优势，对于控制用钢量起到了很好的作用。在桁架柱内柱受力最大的部位采用了高强度的Q460钢材，最大厚度达110mm。对钢材的抗拉强度与屈服强度的比值、伸长率、冲击韧性、板厚方向截面收缩率等提出了严格的要求。同时，严格控制碳当量，经过严格的焊接工艺评定，使其具有良好的可焊性。这是迄今为止国内建筑工程中所采用的强度级别最高的厚钢板，钢板的性能要求均大大超过现有国内外相关技术标准的范围。本工程采用Q460钢材由邯钢集团舞阳钢铁有限责任公司专门进行研制生产。

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针对北京地区的气候类型属典型的温带大陆性气候，季节气温变化很大的客观条件，还提出大跨度结构温度场计算方法。“鸟巢”钢结构设计对大跨度结构的建造过程进行了详细施工模拟分析，还在弯扭构件设计方法研究、首次提出下风振系数计算方法、ANSYS软件平台上开发大跨度结构设计与优化功能、箱形截面桁架节点设计方法研究、焊接薄壁箱形构件设计方法研究、桁架柱复杂节点设计方法研究、异型柱脚设计方法研究等方面取得了开创性成果。

“鸟巢”钢结构设计所取得的众多成果既应对前所未有的挑战、解决了自身的设计难题，并在确保结构安全的前提下降低用钢量，使“鸟巢”设计得以实现，同时又为我国大型复杂钢结构领域的规范、设计、材料、加工、安装等方面起到重要的推动作用。

“鸟巢”的屋面由钢结构和膜结构共同组成。膜结构由两部分构成，上层镶嵌在主体钢结构上层钢梁区格之间的透明ETFE膜结构和下层悬挂在主体钢结构下层钢梁下面的半透PTFE膜结构吊顶。其中上层ETFE单层张拉膜4.2万m ² ,下层为PTFE膜声学吊顶5.3万m ² 。

鸟巢”的单层ETFE膜结构的使用规模目前居世界前列，同时其ETFE和主体钢结构的结合使用、ETFE和PTFE膜结构结合使用的做法在国际上也没有先例。“鸟巢”作为一个现代化的体育场和膜结构建筑，其设计实施过程中所取得的成果和经验将成为我国今后同类工程的宝贵借鉴。

?李兴钢[1]

“鸟巢”设计中的独特理念和三维建筑空间与形体语言所带来的极大的挑战性和复杂性，决定了必须采用不同于以往的、当代国际最先进的设计工具和方法，才能圆满完成这一世界级大工程的设计工作。

CATIA V5 R13 作为理想的新工具被引入“鸟巢”的设计之中，在此之前，国内尚无在建筑行业采用CATIA的先例。“鸟巢” CATIA建模工作，由建筑师与结构工程师经过艰苦而高效的工作在高配置电脑中共同完成。CATIA软件在我国建筑工程中的首次应用，便成功地解决了复杂空间、结构、弯扭构件与特殊节点建模问题，为“鸟巢”建立了关键性的高精度三维设计平台，从而为“鸟巢”从描画在纸上的想象和理念走向矗立在大地的真实建筑的出生之路创造了基本条件和前提。

?李兴钢[1]

除此之外，还采用了多种计算机仿真模拟技术——包括性能化消防设计和人群安全疏散模拟、场内热/风舒适度模拟、场内声学模拟、外围区域交通疏散模拟等，还建立了科学、高效的协同设计平台。

“鸟巢”的雨洪利用分为雨水收集、处理、回用三个主要部分。经过收集、处理后的雨水应用于比赛场地草坪灌溉、空调水冷却、冲厕、绿化、消防等9类用途，与市政优质中水共同组成国家体育场的回用水系统。国家体育场采用目前世界范围内建筑雨水深度处理回用规模最大、技术最先进的雨洪利用系统,年回收利用的雨水量可能达到年平均总降水量的66%,年回收总量近6.7万m ³ 。

?李兴钢[1]

“鸟巢”的暖通空调系统设计中，在主导冷热源系统之上，采用了地埋管式地源热泵系统作为补充。利用体育场足球场草皮下的土壤资源, 设计地源热泵冷热源系统,高效、节能、环保。

?李兴钢[1]

“鸟巢”的工程建造难点众多，钢结构工程、混凝土结构工程、膜结构工程、内外装修工程、防水工程、机电设备工程、施工管控等方面均有各自的特点和难点，大量采用新材料、新技术、新工艺、新方法，诸如100年耐久性指标、4.2万吨异型钢构件加工安装、6万m ² /1.4万吨大跨度马鞍型空间钢结构屋顶临时支撑体系整体卸载、Q460超强超厚钢钢板焊接、4.5万m ² ETFE和5.3万m ² PTFE大面积膜结构安装等诸多关键施工技术堪称世界难题，并且建设、技术及验收均为国家最高标准并与国际相关高技术标准接轨。

“鸟巢”的施工由国家体育场工程总承包单位——北京城建集团和中心建设及各参施单位，联合专业科研单位，历经四年多艰苦卓绝的努力，不仅圆满完成了艰巨的施工任务，并且在诸多领域取得一系列突破性的成果，其工程应用新技术的整体水平经权威鉴定评审达到国际先进水平，获得一大批国际国内科技和质量管理方面的最高奖项，以及具有自主知识产权的国家专利、国家或市级工法。其中，“鸟巢”的设计构思和造型所带来的空间异形结构构件的制备制作、空间定位和复杂施工，无疑是具有最大的施工挑战性并且取得最丰硕成果的领域。

 

“鸟巢”钢结构制作量大，由三个厂家共同完成。其中江苏沪宁和江南造船厂采用的是传统的造船工艺，浙江精工则采用自身发明的多点成模机床，通过机床上下两排点阵状的可调节钢柱将钢板锻压成曲面。在质量标准要求的前提下，传统工艺和现代发明机械生产有机结合促进，形成了有中国特色的生产方式，也体现了中国企业、工程师和工人的智慧。

国家体育场场馆改造围绕“简约、安全、精彩”的办赛要求，遵循“节俭办奥”理念，凸显绿色、智慧和人性化特色，主要对无障碍设施系统、景观照明系统、观众服务设施系统及其他设施设备系统等四大方面共计37个分项进行提升，以满足冬奥会开闭幕式活动和场馆的可持续发展需求。场馆外围基座东北侧增建无障碍坡道，更新全场18部无障碍电梯。景观照明系统改造后，场馆通过运行模式控制，达到30%的节能效果，同时可根据不同时段需求呈现更多元化的灯光效果，打造标志性城市夜景名片。

观众服务卫生间、场馆无障碍设施服务系统提升

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2008年后，北京夏季奥运会后成为市民参与体育活动及享受体育娱乐的大型专业场所，并成为地标性的体育建筑和奥运遗产。被誉为“第四代体育馆的伟大建筑作品”。2021年10月28日，“鸟巢”改造工程完工，也标志着北京2022年冬奥会由北京市负责的8个竞赛场馆，16个非竞赛场馆和31项配套基础设施全面完成建设任务。期待2022年北京冬奥会精彩绽放！

?千图

后记