凝固的夢想（三）

走近科學

融合了中國傳統文化的北京國家體育場——鳥巢帶著奧運的光環，向世人展示了它的獨一無二。它要堅實穩固地屹立在大地，搭建、焊接、合攏，是對筑巢人的挑戰。一個建筑奇跡如何建造？它能否經受住大自然風雨、地震的考驗？

工期步步緊逼，鳥巢1000多個鋼構件像骨骼一樣終于拼接到位，經過3次準確的天氣預測，上百名工人同步焊接，合攏成功了。 對于擁有鋼筋鐵骨的鳥巢來說，如果合攏是一次期中考試的話，卸載就像是一次期末考。

李久林（國家體育場總承包部總工程師）:如果預想不到的問題發生，就可能造成功虧一簣。因此，卸載決定了工程的成敗。

任何建筑，堅固是第一要求。卸載檢驗著鳥巢這個前所未有的設計施工是否穩固，小到一條焊縫，大到合攏口，都有可能在卸載瞬間撕裂開，鳥巢的鋼結構承重就會出現問題。那么什么是卸載，它為什么對鳥巢的穩固抗震至關重要呢？

范重（國家體育場鋼結構總設計師）:任何一個大跨度房屋的建造和我們日常居住的房子一樣，橫梁承擔著屋頂的整個重量。橫梁的長度或者跨度越大的話，它承受的荷載就越大。在建造的過程當中，通常需要用臨時支撐的辦法減小這種負載，就是在這個橫梁的中間加一些臨時支撐。

鳥巢也不例外。在鳥巢鋼結構施工前，場地中間均勻地設置了78個臨時支持塔架，由它們來支撐鳥巢4.2萬噸的重量。焊接合攏后，鳥巢成為一個整體，這個鋼鐵巨人就不再需要這78個臨時支撐塔架做拐杖，而要靠自己的力量站立起來，整體受力，并能抵御8級地震（圖1）。

（1）鳥巢鋼結構施工前設置了78個臨時支撐塔架（圖示）

范重:鳥巢在焊接成完整的結構之后，需要把底下的臨時支撐拆除，將臨時支撐的托舉狀態變成結構自己來承重。對于任何大型的結構來講，卸載都是至關重要的一步，它標志著結構由外力支撐變成自承重的狀態。

縱橫交錯的鋼鐵支脈是鳥巢設計中最華彩的部分，也是鳥巢建設中最艱難的部分。看似輕靈的支脈總重達4.2萬噸，相當于一座600米高的寫字樓的用鋼量。其中頂蓋以及周邊懸空部分鋼重量為1.12萬噸。在鳥巢的建設過程中，78根臨時搭建的支撐塔架，支撐著這1.12萬噸鋼鐵的屋頂。在所有這些臨時支撐塔架中先撤掉哪一個，決定著鳥巢鋼結構哪部分先受力，如果計算出現錯誤或者不嚴格，和實際建造出來的結構有差距，受力不均就會出現垮塌，后果不堪想象！

為了撤掉所有的臨時支撐，讓鳥巢站起來承擔自重，專家們計劃將1.12萬噸重的屋頂用千斤頂舉起來，拆除墊片和臨時支撐塔架，再將屋頂放下，這是個復雜的卸載過程（圖2）。

（2）圖組:（2－1）卸載步驟圖示，卸載的第一步：用千斤頂先將屋頂舉起來（2－2）卸載的第二步：拆除墊片和臨時支撐塔架

經過精心的設計，千斤頂被設置在176個點，每一個千斤頂都能舉起300噸的重量，精確度達到了毫米級。

范重:各受力點按所處的平面位置分布在鳥巢鋼結構頂面的外圈、中圈和內圈。根據嚴密計算和認證，整個卸載分為7次工程，每次按外圈、中圈、內圈再中圈、內圈的順序依次進行。如此循環重復7次，卸載完成。專家們把這一過程分成7大步5小步，共計35小步。先后均勻地卸掉臨時支撐塔架承載的力（圖3）。

（3）卸載進行順序示意圖

所有人的目光聚焦 “鳥巢”這一歷史性的時刻（圖4）:

（4）萬眾矚目：卸載開始！

工人首先升起了千斤頂使它代替臨時支撐塔架撐起鳥巢。然后撤去臨時支撐塔架上面的墊塊。

任何細小的失誤都會讓體育場粉身碎骨。屋頂1.12萬噸的重量隨著卸載一點一點逐漸轉移到了鳥巢整個鋼結構。

卸載現場，工程技術人員非常緊張，鳥巢的鋼結構正在發生變化，他們嚴格監測著數據變化，每一聲口令都來源于科學的計算數據，容不得半點疏忽。千斤頂緩慢下降，循環撤掉墊片，直到臨時支撐塔架全部撤掉。

近5天的卸載，所有人都屏息凝視，等待著最關鍵時刻的來臨。

范重:整個卸載過程持續了5天的時間，我們都在現場嚴密地監控，對每一步的數據進行分析，將計算數據和現場實測的數據進行核對。兩者的數據非常接近。應該說設計是非常成功的。

一切都準確無誤，對筑巢人來說這確實是一個勝利的時刻:“鳥巢”終于自己站起來了！這證明設計和施工都是近乎完美的。這一刻每個筑巢人都為能成為這座偉大建筑的一分子感到驕傲。它成為一個工程奇跡，一個建筑奇跡。

?剛剛成功卸掉塔架，巨大的鋼結構陰影投射到地上，使人們非常擔心會影響運動員和觀眾的視線。 奧運會期間又正是北京的雨季，如何在任何天氣情況下都能給鳥巢觀眾一個“晴朗的”天空？鳥巢的環形屋頂必須既遮光又擋雨。這讓鳥巢的設計團隊和施工方陷入兩難（圖5）。

（5）陽光透射的效果

李久林:我們用了5.3萬平米叫PTFE的聲學吊頂，這個PTFE聲學吊頂，它的透光率只有30%，同時它對光有漫反射的作用，當光到這個膜上以后，通過漫反射和減少透光率使得場內的光線更加柔和，也解決了場內產生陰影的這個問題（圖6）。

（6）ETFE聲學吊頂解決了陰影問題

這層乳白色的屋頂不僅解決了場內產生陰影的問題。

李久林:我們在鋼屋蓋下面，整個鋪上這種膜材，起到很好的吸聲作用，使得場內的聲學效果達到目前同類體育場館里邊最好的水平。

膜結構吸收了91000名觀眾的部分吶喊聲，運動員不會受聲音的影響。但是大自然的考驗讓筑巢人又面臨著新的困難。

2006年12月，第15屆亞洲運動會開幕式在卡塔爾多哈舉行，然而風云變幻莫測，一場大雨不期而至，濕滑的臺階讓點火手險些摔倒。一次亞洲體育盛宴的開幕式因為雨水竟留下了如此的遺憾。于是，很多人開始擔心北京奧運開幕式的盛典。8月8日正值北京降雨高峰周期，鳥巢的天空將接受嚴峻考驗，鳥巢的環形屋頂能否保證91000名觀眾在雨天也能安心看表演和比賽？鳥巢又將如何為觀眾遮風擋雨呢？

鳥巢的屋頂膜結構緊鑼密鼓地進入了施工，世界上首例體育場雙膜結構誕生了。觀眾頭頂上的PTFE膜可以遮光吸聲，但不能遮擋雨雪，于是工程技術人員在鳥巢頂部又選擇了一種曾在很多著名膜結構體育場都使用過的膜材料。這種膜叫ETFE。

?李久林:ETFE是單層張拉膜。這一層膜，就像打在我們觀眾頭上的一把傘，能夠起到遮風擋雨的作用（圖7）。

（7）圖組:（7－1）在鳥巢頂部再上鋪一層ETFE張拉膜（7－2）世界上首例雙膜結構的鳥巢屋頂既遮光吸聲，還擋風避雨

結合兩種膜材料的特點功能，雙模結構還是要經過很多測試。歷屆奧運會絢爛的煙花都是一大看點，但是煙花帶來的負面影響也不得不考慮。

2005年德國足球聯合會杯賽的法蘭克福體育場頂棚漏水事件曾一度被傳得沸沸揚揚，雨水的承重和施工的質量問題，使鳥巢的給排水設計師劉鵬不敢掉以輕心。

鳥巢頂部的鋼結構鏤空的部分各不相同，大小不一。

劉鵬:在我們看起來，它大約應該就是1200多個屋頂，是它們組成了這么一個屋頂體系。

他和他的團隊專門為鳥巢設計了獨一無二的屋頂給排水系統。

鳥巢把排水和給水結合了起來，在膜上設置上千個雨水漏;鳥巢頂部和鋼柱中暗設管道；在場館和周邊綠地鋪設管道引流（圖8）;把鳥巢和周邊綠地的雨水收集到5個蓄水池中。通過對雨水資源的有效收集，這個系統每年節約的水資源足以注滿一座9米高的足球場。經凈化處理后的“雨水”可用于場館綠化、空調冷卻、以及洗手間沖洗等等，擋雨變成收集大自然的饋贈，既避免了膜因為承載過重而漏水，也體現了綠色奧運的理念。

（8）工人們在鳥巢工地鋪設引流管道

盛宇（國家體育場總承包部設計師）:在雨季，我們可以收集65%的雨量，處理后的中水可以滿足鳥巢近兩個月的用水量。

主持人:當鳥巢不再是一個模型，不再是一幅想象的圖片，而真實地屹立在我們眼前的時候，所有的人都為它感到驚嘆！而這些施工人員說，鳥巢看著巨大無比，但他們感覺，它就像是自己手里小心翼翼捧著的一個金娃娃，在5年多的歲月中，他們與鳥巢建立了太深太深的情感。