凝固的夢想（二）

走近科學

建筑師們用他們天馬行空的想象，為一個繁榮、現代、開放的中國建造了一個又一個的新地標。國家體育場 “鳥巢”更是以它人性化的設計，結構和外觀的完美統一，鑄就了建筑史上的奇跡。筑巢人是如何將鳥巢由設計變為現實的呢？

從圖紙到屹立在我們眼前的真實建筑，時間只用了5年！

2003年12月24日10點15分 鳥巢破土動工了。近萬名筑巢人如何把鳥巢近乎完美的設計理念由圖紙變成堅實穩固的體育場呢？梁偉平，鳥巢的安全員，工作之余，他和同事康民用照相機記錄了鳥巢的成長。

梁偉平（國家體育場城建精工項目部安全負責人）:我用相機把它與眾不同的地方，也就是每一個環節進行記錄。它每長一塊，每長一歲，我都要進行拍攝，讓大家都知道，鳥巢長大了。

在梁偉平拍攝的上千張鳥巢的照片中，有一張意義非凡。那是他在鳥巢的第一張作品。

梁偉平:這個地方叫洼里，洼里鄉。這個畫面是在平理場地之后，就是叫打基礎。萬丈高樓從地起，首先要把基礎工作做得非常扎實，非常牢固（圖1）。

(1) 美輪美奐的鳥巢就是在這塊地方拔地而起的

如何讓鳥巢更加牢固呢？任何一個建筑都要審視它的安全性能，特別是大型場館。國家體育場必須要有抗8級地震的抗震性能。鳥巢所在洼里鄉一帶的土質卻讓專家們大費周折。

尤天直（國家體育場混凝土結構總設計師）:針對不同的地質情況我們就采取不同的對策，比如說，如果這個地方地質條件非常好，是巖石類土壤，承載力非常高，那我們的技術形式就只需做一個天然地基的形式就可以了。可鳥巢的地質基本屬于黏性粉土，做天然地基就不行，它不能滿足承載力和沉降的要求。

4.2萬噸鋼結構、333 米的大跨度設計給我們帶來一個可容納近十萬人的大型體育場，也給地基承載帶來了非常大的難度。鳥巢施工總指揮李久林和他的團隊要負責把圖紙上的鳥巢建設成穩固安全的體育場，他們知道這就需要穩固的地基來支撐這個宏大建筑物沉重的身軀。鳥巢地基必須要挖得非常深，樁基深入地下37米。

鳥巢的大跨度設計給觀眾帶來了開闊的空間，但對于樁基礎來說，它在豎向受力的同時，還要承擔比較大的水平受力。為了增加樁基的承載和抗震性能，施工中往樁基周圍壓注了大量的水泥漿，從而使樁周圍土的承載性能增強，地基更穩固（圖2）。

(2) 鳥巢的樁基深入地下37米，同時壓注了大量水泥漿

地基的強度大大增加了，第一個建筑難題解決了。但接下來的幾年里還有更多的障礙，能否趕在奧運會前完工，關系到國家的信譽。

主持人:龐大的純鋼建筑，只是鳥巢外部的一個結構，是給大家提供一個擋風遮雨的一個鋼結構。如果我們現在能夠把鳥巢的這個大蓋取掉的話，你就會發現，它內部的看臺，是由鋼筋混泥土結構組成的。整個看臺，實際上是六個部分，這六個部分之間的防震墻，能夠起到抗擊地震的作用，即便是發生了晃動傾斜等問題，這六個部分之間也留有能量余地，能夠保證整個看臺不被撕毀（圖3）。

(3) 由六個部分組成的鳥巢看臺有很強的抗擊地震的能力

鳥巢能夠容納９萬多名觀眾同時欣賞一場體育比賽。又是如何做到讓最前排和最后頭的人在看比賽的時候，感覺上并不是相差很大呢？

為了保證9.1萬個觀眾視覺均等，筑巢人建造了一個錯綜復雜的混凝土框架。這個結構分為三層。頂部看臺傾斜35度。它就像骨架一樣支撐起精心澆鑄的觀眾席。然后在這個骨架上插進14700塊預制混凝土板做成看臺。

強化預制板運到了工地，它們每一塊都是獨立澆鑄成型，重量達到了18噸一塊。數千塊預制板在澆鑄時誤差不能超過2毫米。有瑕疵的預制板就必須重造，那樣整個工程就得停下來。所以每一次都必須做到安裝一次成功。12個月之后，最后一塊預制板終于安裝完成了（圖4）。

(4)圖組:（4－1）每塊重達18噸的混凝土預制板看臺

（4－2）將一塊塊看臺板插入建造好的看臺框架上（圖示）

最困難的階段來臨了，引人矚目的鋼結構開始搭建。

鳥巢總用鋼量約11萬噸，這些鋼材足夠建造兩艘航空母艦。其中“鳥巢”外部的鋼骨架4.2萬噸（圖5）。

(5) 艱難的鋼結構搭建開始了

一個如此龐大而復雜的建筑，它要面對許多傳統建筑不會遇到的作用力。它的橫向拉力，縱向拉力，沿著圓弧形相互拉著牽著。如果使用普通鋼材，在巨大的張力之下，整個結構就會有坍塌的危險。顯然這個建筑必須找到更高級別的鋼材來完成這項艱巨的任務。

范重（國家體育場鋼結構總設計師）:對于一個體量巨大的鋼結構而言，鋼材的選擇是設計能否成功的一個非常重要的方面。我們在鋼材選擇方面進行了很多的嘗試和摸索，用了很多新型的、高強的、高性能的鋼材。其中最突出的就是一種叫Q460的鋼材，這種鋼材是目前為止在我們國家建筑鋼結構利用中強度最高，焊接性能最好，抗撕裂性能最好的一種鋼材。

為了滿足大容量、開闊視野等體育場的要求，設計者讓鳥巢穿上了醒目的鋼制外衣。看似繁雜的鋼結構，像音樂節奏，有著獨特的韻律。錯綜復雜的搭建，讓鳥巢每個鏤空部分成三角形排列，這種幾何排列可以讓鋼結構在地震來襲時非常穩定。獨一無二的設計帶給人們震撼之余，也給施工帶來始料未及的難度。如果想讓這個鋼結構更加穩固，必須選擇特殊的鋼材，舞陽鋼廠臨危受命，負責生產一種集眾多優點于一身的鋼材。Q460鋼應運而生。這種被稱為鋼中極品的鋼材被使用在鳥巢的24根柱腳上。它可以保證鳥巢穩穩地站在大地上100年。但這種集眾多優點于一身的鋼材也為焊接帶來了不少的麻煩。

如今，被鳥巢的壯觀宏偉震撼之余，人們也在琢磨它是怎么搭建而成的？

主持人:鳥巢的這個外觀究竟是如何搭建的？大家可能會說，用起重機不就完了嗎？您可能不知道，這種鋼結構的材料，在我們國家的建設史上是比較罕見的。一般的一個桁架柱質量就達到了1000噸，目前在全世界范圍，也少有幾臺起重機能夠把它吊起來。鳥巢在搭建外部結構的時候，首先要打上立柱，然后再放上桁架柱，接下來再安裝其他的設施。因此工程量非常巨大。面對如此份量大的結構件，到底怎么把它們一個個放置到位呢？

?1999年7月14日，在美國密爾沃基市的米勒公園球場，吊機正在起吊部分鋼結構屋頂。當吊起一個450噸的部件越過體育場的時候，災難降臨了。3名工人在那天喪生，起重機倒塌事故給鳥巢施工敲響了警鐘。

李久林:整個鳥巢的主體結構我們把它分成了256個段。這些次構件我們又把它分成1000多個段，按照標記把這些段，一段一段地裝上去，這些段來源于工廠加工好的小的構件。把它們運到北京以后，先在地面上將它們拼裝成這種段。最大的一段重量達到364噸（圖6）。

(6)圖組:鳥巢的主體結構就這樣一段一段地拼裝上去

分段，吊裝，焊接，固定，保證了施工安全。即便這樣，起吊工作并不容易。特別是立柱和鳥巢肩部像八爪魚一樣的構件。梁偉平用照片記錄了吊裝的艱辛。一旦出現任何閃失，后果將不堪設想。

梁偉平:一般工地吊裝就像砌磚似的，一塊一塊往上壘，它是垂直于地面的，整個吊裝，有一個幾何圖形，這樣就比較好控制它焊口的對接。而鳥巢不一樣，鳥巢的鋼結構形狀比較怪異，不規則。

?2005年10月，第一根桁架柱終于成功安裝完成。余下的23根桁架柱也在幾個月之內全部到位，而且整個過程安全無誤。此時時間成了壓在每個建設者心上的石頭。

主持人:其實不僅僅是工期緊的問題，對于施工人員而言，鳥巢建設中很多地方對于他們來說都是一個挑戰。就拿焊接鋼材來說，焊接的工作量是非常大的。一塊鋼就有4條焊縫，整個鳥巢，焊縫就是320公里，相當于從北京到天津跑一個來回。而且不能焊得坑坑洼洼高低不平，所要求的這個焊接面不能超過鋼材1毫米，可想而知，這個精度要求得有多高。再有，平時焊接基本上是在地面上完成的。而此次鳥巢的鋼構件吊在空中，加上這種特殊鋼材Q460，要把它和其他的鋼材焊接在一起，工人們經常是在一個相對封閉的環境中，在很高的高溫下，仰著頭工作，一工作就是14個小時（圖7）。

(7) 高難度、高精度的焊接

當1000多個鋼構件搭建結束，鳥巢的鋼結構在臨時支撐下站起來時，鳥巢的建造者面臨著更嚴峻的挑戰——合攏。

什么是合攏呢？

鳥巢外部的鋼結構，初建成就像一個被切成四塊的蛋糕，當局部施工結束后，建造者要把四個局部焊接成一個整體，這個過程被稱為合攏（圖8）。合攏要讓鳥巢均勻受力，使建筑本身更加穩固。

(8) 鳥巢鋼結構合攏示意圖

周浩東，鳥巢南區合攏總指揮，從業12年了，在他剛接到鳥巢施工圖紙時就意識到鳥巢就像一個沒有硝煙的戰場，而他們要迎接的任務難度超乎想象。

范重:合攏當然和這個屋體的形狀是分不開的。鳥巢從頂面看是一個圓形，是一個圓環狀態，所以我們分了四塊，最后四塊合攏而成。合攏時溫度的穩定性，準確性對于后期結構使用的安全性影響很大。

溫度為什么對鳥巢的合攏至關重要呢？鳥巢的外部是用全鋼建造的，我們都知道鋼會隨著溫度高低而熱脹冷縮。找到一個合適的溫度合攏，讓鳥巢可以隨著溫度變化，焊縫伸縮而自由呼吸。否則，當溫度下降時，鋼鐵收縮，焊縫就會產生裂紋，繼而斷開。到時候“鳥巢”將會把自己撕成碎片！

因此合攏時，必須要在鋼體的伸縮性處于中間狀態時候完成，為將來一年四季的熱脹冷縮留出余地。這就需要滿足一個特殊的條件：合攏焊接中，鋼體的溫度要始終保持在19℃，正負誤差不超過4℃的范圍內。

工人們加班加點，為合攏攢足了勁，可是工程卻突然停下了。鳥巢施工現場停工一天就意味著損失116萬元人民幣，是什么原因讓合攏滯后呢？

當時北京正值８月酷暑季節。氣溫讓鋼體的溫度逐漸升高。這讓筑巢人們一籌莫展。工期的逼近讓大家心急如焚。施工隊請了整天跟天氣打交道的專業氣象臺的工作人員幫忙，隨時關注著氣溫的變化。

終于在８月25日，氣象專家推測可能有一場雨，會使鳥巢降溫。

雨使溫度降下來了。為了保證鋼體受力均衡，100名焊工準備就緒，他們進行了同步焊接。從夜晚到凌晨，工人們一刻不敢停歇。經過三次合攏，鳥巢終于完成了它的期中考試。焊接合格率是100% 這意味著沒有一條焊縫返工。

合攏完美結束，筑巢人們短暫地放下了壓力，回憶著鳥巢從圖紙到平地而起，到現在的合攏成功。夜晚的鳥巢蓄勢待發，等待著明天的黎明。

主持人:鳥巢合攏的完美超出了專業人士的想象。可以說，因為這一步工作的完成，才為下一步鳥巢卸載，提供了一個非常堅實的基礎。如果說，我們把前面的這些工作看作是鳥巢整個建設的一個期中考試的話，那么所有工程設計人員、施工人員已經交出了一份完美的答卷了。接下來，鳥巢面臨的卸載工作就是一個期末考試了，那么鳥巢的卸載，又將面臨什么樣的困難呢？