国家体育场（鸟巢）特大型空间异型钢结构工程施工技术

随着国民经济的发展及全民健身运动的推广，大型体育场馆的建设越来越多，规模也越来越大。在这些高、大、新、特工程的建设中，我国的钢结构施工和制造企业创造出了一个又一个世界之最。举世瞩目的国家体育场作为2008年北京奥运会的主会场，作为北京最大的、具有国际先进水平的多功能体育场，就是其中最具特色的代表。国家体育场钢结构工程规模巨大、造型奇特，结构形式和节点构造极其复杂，施工质量要求高，现场情况复杂，施工过程中，不但要考虑总体施工组织、支撑塔架设置、特大型构件吊装、空间异型构件安装、安装精度控制、铸钢件与高强钢焊接、厚板与低温焊接、冬季施工、结构合拢等技术方案，而且还要考虑主结构安装完成后的支撑塔架卸载与拆除方案、防腐涂装方案及安全措施设置方案，施工技术难度相当大。该结构国内独一无二，国际上也尚属首创。为实现建设“国内最好、世界一流”的体育场，全面贯彻落实“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的理念，确保圆满完成钢结构工程安全、质量、功能、工期和造价等方面的建设目标，必须根据工程的特点和难点，进行国家体育场（鸟巢）特大型空间异型钢结构工程施工技术研发。此研究属于建筑工程施工技术领域，成果主要内容如下：
　　1.完成了支撑体系设计与制作、安装技术
　　（1）根据钢结构特点、吊装分段形式和下部混凝土看台结构的布置情况，在主桁架下弦交叉节点的位置设置80个3×3m格构式支撑塔架。
　　（2）支撑塔架设计成标准节形式，塔架顶部设置十字形箱型梁和H型钢支顶装置。
　　（3）为便于运输和重复利用，部分支撑体系采用可拆卸式多功能支撑塔架，支撑塔架主肢采用十字形柱。
　　2.完成了巨型钢桁架吊装技术研究
　　（1）选定“散装”方案，并根据国内外吊车资源情况，将主体结构划分为230个安装单元，采用2台800t和2台600t履带吊分三个阶段六个步骤按分段单元吊装顺序进行安装。
　　（2）桁架柱采用就近整体拼装、分段吊装的方法。主桁架外圈和中圈的平面主桁架采用两点吊装，局部牛腿较长的桁架增设一个稳定吊点；内圈立体主桁架采用三点吊装，一个主吊点和两个辅助吊点。
　　（3）桁架柱下柱采用三点吊装，上柱采用四点吊装。下柱吊装时，内柱设置主吊点和圆管吊耳，以便于起吊直立过程中钢丝绳的转动；两外柱设置副吊点和板式吊耳，以便于桁架柱吊装时的平衡调节。上柱吊装时的吊点均设置在外柱弯扭段顶面，且主吊绳采用走通方式，以确保主吊绳的受力。
　　（4）桁架柱安装时，下柱上端设置刚性拉撑，上柱顶端设置稳定风绳。
　　3.完成了钢屋盖合拢技术研究
　　（1）尽量选择在与合拢时相近的温度条件下或低于该温度的条件下进行合拢段的安装，以方便构件的进裆，控制合拢时的坡口间隙，该间隙大小考虑温度变形计算结果和焊接收缩变形。
　　（2）尽量采用小间隙安装法，避免合拢时合拢口间隙过大。
　　（3）合拢口采用卡马搭接连接，卡马的大小和数量根据该接口部位的受力计算确定。
　　（4）按合拢线依次进行合拢，先进行主桁架的合拢，再进行立面结构的合拢，主桁架合拢时，先进行两大施工区域内部合拢线的合拢，再进行两大施工分区间合拢线的合拢，同一合拢线的各合拢口同时、同步合拢。
　　（5）建立以热电偶作为测温元件的自动测温系统。温度测试点共布设60个。
　　（6）合拢安排夜间进行。
　　4.完成了支撑塔架卸载与拆除技术研究
　　（1）采用液压同步控制系统进行卸载。
　　（2）卸载的总体顺序按七大步和35小步进行，并且在外、中、内三圈支撑塔架各圈卸载过程中保持同步，三圈支撑每次卸载的位移同各点的最终总位移保持等比关系。
　　（3）对于每个卸载支撑点，在卸载过程中采用保护支撑点和卸载千斤顶轮流作用的卸载方式，并在每一小步卸载完成后，及时调整千斤顶的垂直度，消除水平位移的累积和水平位移对卸载千斤顶的影响。
　　（4）在主桁架下弦下表面设置斜坡垫，千斤顶上端设置鞍座（可转向）和支托，支托与斜坡垫之间放置两块镜面不锈钢钢板，以减少水平位移对液压千斤顶的影响。
　　（5）对于采用两只千斤顶卸载的点，考虑到两只千斤顶同步工作的需要和在卸载同步操作过程种可能存在的差异，在同一点的两只千斤顶选择为同型号产品，并且在油路上作串通处理，确保两只千斤顶可以提供同样的顶升力。
　　（6）支撑塔架的拆除采用吊车、卷扬机进行拆除，以加快支撑塔架的拆除进度。
　　通过国家体育场（鸟巢）特大型空间异型钢结构工程施工技术研发，在总体施工技术路线的基础上，通过吸收以往工程经验，形成了一整套国家体育场（鸟巢）特大型空间异型钢结构工程施工技术：（1）特大型、空间异型钢结构安装综合技术；（2）多功能可拆卸式支承塔架的研发和使用；（3）计算机动态吊装模拟，包括吊装现场平面模拟、巨型钢桁架吊装分段的重心和吊点位置确定及巨型钢桁架吊装全过程工况模拟分析；（4）热电偶自动温度监测系统在合拢温度监测中的应用；（5）分区分级等比例液压同步卸载技术。该系列方案内容全面深入，可操作性强，特别是支撑体系设计方案、巨型钢桁架吊装方案、合拢方案及支撑塔架卸载和拆除方案考虑细致，既具有一定的针对性、创新性，又带有通用点和借鉴点。国家体育场（鸟巢）特大型空间异型钢结构施工技术的应用，既确保了国家体育场钢结构工程现场施工的安全、质量、进度，又大大降低了工程成本。国家体育场（鸟巢）特大型空间异型钢结构施工技术在国内处于领先并达到国际先进水平。
　　国家体育场（鸟巢）特大型、空间异型钢结构工程施工技术于2005年10月至2006年11月应用于国家体育场钢结构工程的安装施工中，该技术的实施，既降低了国家体育场钢结构工程施工成本，直接经济效益达219.5万元，又确保了工程安全、顺利完成，取得了业主和监理的一致好评。国家体育场钢结构工程为我国大跨度空间钢结构的新形式作了大胆的尝试，并取得了很好的效果。该工程的成功为我国大跨度体育场馆的建设提供了宝贵的经验，也使我国的大跨度钢结构的施工技术迈上了一个崭新的台阶。该技术具有广阔的推广应用前景，对类似的场馆建设具有指导和借鉴作用。