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【科技奥运】鸟巢:高科技工艺编织钢筋铁骨

[字体: ] [ 中学生科技网 | 时间:2008-08-25 10:20 ]

    设计理念超前的“鸟巢”早已是万众瞩目的焦点,而在8月8日晚,随着开幕式的举行,鸟巢的光芒将彻底绽放。然而你是否知道,在光芒的背后,这个建筑史上的奇迹究竟凝聚了多少设计及施工人员的智慧。

Q460钢抗震防裂

  国家体育场“鸟巢”所使用的“Q460”钢材,是国内首次在建筑结构上使用,是我国科研人员专门为鸟巢而研制生产的。 
  Q460钢是一种低合金高强度钢,“Q”代表钢材的强度,“460”表示受力强度达到460兆帕时才会彻底变形,460兆帕相当于4540个标准大气压,普通钢材受力强度只有235兆帕,比Q460小将近一半。鸟巢使用的Q460钢厚度为110毫米,超过了国家标准的100毫米。整个工程共使用了400吨这样的钢材。 
  由于鸟巢结构的特殊性,如果使用普通钢材,厚度至少要达到220毫米。这样将会使整个建筑钢结构的总重量超过8万吨,给加工、运输以及焊接等工作带来很大的麻烦。经科研人员三次技术攻关所研制出的低合金高强度Q460钢,具有良好的抗震能力,因为它在受到强大外力时能够通过变形来吸收能量,从而防止钢材的断裂,而且它还具有良好的抗震性、抗低温性、可焊性等特点。

顶升混凝土缩短工期

  由于设计理念的先进以至“超前”,鸟巢在施工中有很多难题是独一无二的,在国际上没有现成的参考答案,只有依靠自己的科技创新独立解决。 
  “鸟巢”的外罩由不规则的钢结构构件编织而成,里面的混凝土结构与钢结构相互独立,建筑师在混凝土看台和钢结构外罩之间的空间里,设计了很多倾斜的混凝土柱子来支撑建筑。如何既保证这些混凝土柱子的结构要求,又能不影响“鸟巢”的整体美观是一个难题。 
  国内工程师几经论证,决定先像其他混凝土结构一样绑扎好钢筋笼,然后再从上面一节一节套上方钢管,钢管连接好后再在钢管里浇筑混凝土,形成与钢管一体的混凝土柱。这样一来看不到混凝土柱,既安全又美观,却加大了施工难度。 
  边长一米的方钢管被连接成120多根长短不同、倾斜角度多样的钢柱,70%以上都是双斜柱———一根柱子在垂直面上扭转两次。最高的钢柱全长21米,横跨体育场一至四层;最倾斜的钢柱和地面的夹角达到59度,钢柱的最大自转角度超过45度…… 
  起初,施工单位只能试着从上口往钢管里浇筑,每天从早到晚只能浇筑四五米。工程人员经过研究,提出了一个新方案:混凝土顶升、从钢管底部注入混凝土,由底向上逐步填充。这是一个从来没有人用过的方法,结果却非常理想。顶升混凝土不仅进度快,而且质量好,不分层。完工时,比预定的工期缩短了两个月零两天。 
  最终,这项工艺被命名为“超高矩形钢管永久模板钢筋混凝土斜扭柱施工工艺”,并向国家知识产权局申请了发明专利。

碗形看台奥妙多

  “鸟巢”的看台,是为了让观众得到最好观赛效果而特别设计的。 
  大多数体育场馆,并不十分讲究看台的设计。而“鸟巢”的看台,却被设计得像个边缘高低起伏的“碗”,是环抱着赛场的收拢结构,而且上下层看台之间有一部分交错。这样一来,无论观众坐在“鸟巢”的哪个位置,和比赛场地中心点之间的视线距离都在140米左右。 
  此外,8月的北京天气炎热,91000人坐在一个体育场里看比赛,如何增加其舒适度? 
  “鸟巢”的中方设计师们经过多次论证,借用了流体力学设计中的一种计算机CFD模拟方法,对“鸟巢”的观众席进行了热舒适度、风舒适度的模拟分析实验。它可以精确模拟出“鸟巢”的钢结构和膜结构,模拟出91000人同时观赛时的自然通风状况,并计算出每个区域的观众能感受到的温度和湿度气流速度,在图纸上用不同颜色标示出来。现在,“鸟巢”所有的通风设施,都是按照这个模拟分析对外国设计师的图纸进行调整优化的结果。无论观众坐在上层看台还是下层看台、普通座位还是VIP席,都能享受到自然光和自然风,达到较好的舒适度。

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