走近科學(xué)

融合了中國(guó)傳統(tǒng)文化的北京國(guó)家體育場(chǎng)——鳥巢帶著奧運(yùn)的光環(huán)，向世人展示了它的獨(dú)一無(wú)二。它要堅(jiān)實(shí)穩(wěn)固地屹立在大地，搭建、焊接、合攏，是對(duì)筑巢人的挑戰(zhàn)。一個(gè)建筑奇跡如何建造？它能否經(jīng)受住大自然風(fēng)雨、地震的考驗(yàn)？

工期步步緊逼，鳥巢1000多個(gè)鋼構(gòu)件像骨骼一樣終于拼接到位，經(jīng)過(guò)3次準(zhǔn)確的天氣預(yù)測(cè)，上百名工人同步焊接，合攏成功了。 對(duì)于擁有鋼筋鐵骨的鳥巢來(lái)說(shuō)，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(guó)家體育場(chǎng)總承包部總工程師）:如果預(yù)想不到的問(wèn)題發(fā)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(jiān)固是第一要求。卸載檢驗(yàn)著鳥巢這個(gè)前所未有的設(shè)計(jì)施工是否穩(wěn)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(jié)構(gòu)承重就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。那么什么是卸載，它為什么對(duì)鳥巢的穩(wěn)固抗震至關(guān)重要呢？

范重（國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)總設(shè)計(jì)師）:任何一個(gè)大跨度房屋的建造和我們?nèi)粘＞幼〉姆孔右粯?，橫梁承擔(dān)著屋頂?shù)恼麄€(gè)重量。橫梁的長(zhǎng)度或者跨度越大的話，它承受的荷載就越大。在建造的過(guò)程當(dāng)中，通常需要用臨時(shí)支撐的辦法減小這種負(fù)載，就是在這個(gè)橫梁的中間加一些臨時(shí)支撐。

鳥巢也不例外。在鳥巢鋼結(jié)構(gòu)施工前，場(chǎng)地中間均勻地設(shè)置了78個(gè)臨時(shí)支持塔架，由它們來(lái)支撐鳥巢4.2萬(wàn)噸的重量。焊接合攏后，鳥巢成為一個(gè)整體，這個(gè)鋼鐵巨人就不再需要這78個(gè)臨時(shí)支撐塔架做拐杖，而要靠自己的力量站立起來(lái)，整體受力，并能抵御8級(jí)地震（圖1）。

（1）鳥巢鋼結(jié)構(gòu)施工前設(shè)置了78個(gè)臨時(shí)支撐塔架（圖示）

范重:鳥巢在焊接成完整的結(jié)構(gòu)之后，需要把底下的臨時(shí)支撐拆除，將臨時(shí)支撐的托舉狀態(tài)變成結(jié)構(gòu)自己來(lái)承重。對(duì)于任何大型的結(jié)構(gòu)來(lái)講，卸載都是至關(guān)重要的一步，它標(biāo)志著結(jié)構(gòu)由外力支撐變成自承重的狀態(tài)。

縱橫交錯(cuò)的鋼鐵支脈是鳥巢設(shè)計(jì)中最華彩的部分，也是鳥巢建設(shè)中最艱難的部分。看似輕靈的支脈總重達(dá)4.2萬(wàn)噸，相當(dāng)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(wàn)噸。在鳥巢的建設(shè)過(guò)程中，78根臨時(shí)搭建的支撐塔架，支撐著這1.12萬(wàn)噸鋼鐵的屋頂。在所有這些臨時(shí)支撐塔架中先撤掉哪一個(gè)，決定著鳥巢鋼結(jié)構(gòu)哪部分先受力，如果計(jì)算出現(xiàn)錯(cuò)誤或者不嚴(yán)格，和實(shí)際建造出來(lái)的結(jié)構(gòu)有差距，受力不均就會(huì)出現(xiàn)垮塌，后果不堪想象！

為了撤掉所有的臨時(shí)支撐，讓鳥巢站起來(lái)承擔(dān)自重，專家們計(jì)劃將1.12萬(wàn)噸重的屋頂用千斤頂舉起來(lái)，拆除墊片和臨時(shí)支撐塔架，再將屋頂放下，這是個(gè)復(fù)雜的卸載過(guò)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(lái)（2－2）卸載的第二步：拆除墊片和臨時(shí)支撐塔架

經(jīng)過(guò)精心的設(shè)計(jì)，千斤頂被設(shè)置在176個(gè)點(diǎn)，每一個(gè)千斤頂都能舉起300噸的重量，精確度達(dá)到了毫米級(jí)。

范重:各受力點(diǎn)按所處的平面位置分布在鳥巢鋼結(jié)構(gòu)頂面的外圈、中圈和內(nèi)圈。根據(jù)嚴(yán)密計(jì)算和認(rèn)證，整個(gè)卸載分為7次工程，每次按外圈、中圈、內(nèi)圈再中圈、內(nèi)圈的順序依次進(jìn)行。如此循環(huán)重復(fù)7次，卸載完成。專家們把這一過(guò)程分成7大步5小步，共計(jì)35小步。先后均勻地卸掉臨時(shí)支撐塔架承載的力（圖3）。

（3）卸載進(jìn)行順序示意圖

所有人的目光聚焦 “鳥巢”這一歷史性的時(shí)刻（圖4）:

（4）萬(wàn)眾矚目：卸載開始！

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

任何細(xì)小的失誤都會(huì)讓體育場(chǎng)粉身碎骨。屋頂1.12萬(wàn)噸的重量隨著卸載一點(diǎn)一點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移到了鳥巢整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)。

卸載現(xiàn)場(chǎng)，工程技術(shù)人員非常緊張，鳥巢的鋼結(jié)構(gòu)正在發(fā)生變化，他們嚴(yán)格監(jiān)測(cè)著數(shù)據(jù)變化，每一聲口令都來(lái)源于科學(xué)的計(jì)算數(shù)據(jù)，容不得半點(diǎn)疏忽。千斤頂緩慢下降，循環(huán)撤掉墊片，直到臨時(shí)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(guān)鍵時(shí)刻的來(lái)臨。

范重:整個(gè)卸載過(guò)程持續(xù)了5天的時(shí)間，我們都在現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)密地監(jiān)控，對(duì)每一步的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將計(jì)算數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)。兩者的數(shù)據(jù)非常接近。應(yīng)該說(shuō)設(shè)計(jì)是非常成功的。

一切都準(zhǔn)確無(wú)誤，對(duì)筑巢人來(lái)說(shuō)這確實(shí)是一個(gè)勝利的時(shí)刻:“鳥巢”終于自己站起來(lái)了！這證明設(shè)計(jì)和施工都是近乎完美的。這一刻每個(gè)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(gè)工程奇跡，一個(gè)建筑奇跡。

?剛剛成功卸掉塔架，巨大的鋼結(jié)構(gòu)陰影投射到地上，使人們非常擔(dān)心會(huì)影響運(yùn)動(dòng)員和觀眾的視線。 奧運(yùn)會(huì)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(gè)“晴朗的”天空？鳥巢的環(huán)形屋頂必須既遮光又擋雨。這讓鳥巢的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和施工方陷入兩難（圖5）。

（5）陽(yáng)光透射的效果

李久林:我們用了5.3萬(wàn)平米叫PTFE的聲學(xué)吊頂，這個(gè)PTFE聲學(xué)吊頂，它的透光率只有30%，同時(shí)它對(duì)光有漫反射的作用，當(dāng)光到這個(gè)膜上以后，通過(guò)漫反射和減少透光率使得場(chǎng)內(nèi)的光線更加柔和，也解決了場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生陰影的這個(gè)問(wèn)題（圖6）。

（6）ETFE聲學(xué)吊頂解決了陰影問(wèn)題

這層乳白色的屋頂不僅解決了場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生陰影的問(wèn)題。

李久林:我們?cè)阡撐萆w下面，整個(gè)鋪上這種膜材，起到很好的吸聲作用，使得場(chǎng)內(nèi)的聲學(xué)效果達(dá)到目前同類體育場(chǎng)館里邊最好的水平。

膜結(jié)構(gòu)吸收了91000名觀眾的部分吶喊聲，運(yùn)動(dòng)員不會(huì)受聲音的影響。但是大自然的考驗(yàn)讓筑巢人又面臨著新的困難。

2006年12月，第15屆亞洲運(yùn)動(dòng)會(huì)開幕式在卡塔爾多哈舉行，然而風(fēng)云變幻莫測(cè)，一場(chǎng)大雨不期而至，濕滑的臺(tái)階讓點(diǎn)火手險(xiǎn)些摔倒。一次亞洲體育盛宴的開幕式因?yàn)橛晁沽粝铝巳绱说倪z憾。于是，很多人開始擔(dān)心北京奧運(yùn)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(yán)峻考驗(yàn)，鳥巢的環(huán)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(fēng)擋雨呢？

鳥巢的屋頂膜結(jié)構(gòu)緊鑼密鼓地進(jìn)入了施工，世界上首例體育場(chǎng)雙膜結(jié)構(gòu)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(shù)人員在鳥巢頂部又選擇了一種曾在很多著名膜結(jié)構(gòu)體育場(chǎng)都使用過(guò)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(fēng)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(jié)構(gòu)的鳥巢屋頂既遮光吸聲，還擋風(fēng)避雨

結(jié)合兩種膜材料的特點(diǎn)功能，雙模結(jié)構(gòu)還是要經(jīng)過(guò)很多測(cè)試。歷屆奧運(yùn)會(huì)絢爛的煙花都是一大看點(diǎn)，但是煙花帶來(lái)的負(fù)面影響也不得不考慮。

2005年德國(guó)足球聯(lián)合會(huì)杯賽的法蘭克福體育場(chǎng)頂棚漏水事件曾一度被傳得沸沸揚(yáng)揚(yáng)，雨水的承重和施工的質(zhì)量問(wèn)題，使鳥巢的給排水設(shè)計(jì)師劉鵬不敢掉以輕心。

鳥巢頂部的鋼結(jié)構(gòu)鏤空的部分各不相同，大小不一。

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

他和他的團(tuán)隊(duì)專門為鳥巢設(shè)計(jì)了獨(dú)一無(wú)二的屋頂給排水系統(tǒng)。

鳥巢把排水和給水結(jié)合了起來(lái)，在膜上設(shè)置上千個(gè)雨水漏;鳥巢頂部和鋼柱中暗設(shè)管道；在場(chǎng)館和周邊綠地鋪設(shè)管道引流（圖8）;把鳥巢和周邊綠地的雨水收集到5個(gè)蓄水池中。通過(guò)對(duì)雨水資源的有效收集，這個(gè)系統(tǒng)每年節(jié)約的水資源足以注滿一座9米高的足球場(chǎng)。經(jīng)凈化處理后的“雨水”可用于場(chǎng)館綠化、空調(diào)冷卻、以及洗手間沖洗等等，擋雨變成收集大自然的饋贈(zèng)，既避免了膜因?yàn)槌休d過(guò)重而漏水，也體現(xiàn)了綠色奧運(yùn)的理念。

（8）工人們?cè)邙B巢工地鋪設(shè)引流管道

盛宇（國(guó)家體育場(chǎng)總承包部設(shè)計(jì)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(gè)月的用水量。

主持人:當(dāng)鳥巢不再是一個(gè)模型，不再是一幅想象的圖片，而真實(shí)地屹立在我們眼前的時(shí)候，所有的人都為它感到驚嘆！而這些施工人員說(shuō)，鳥巢看著巨大無(wú)比，但他們感覺(jué)，它就像是自己手里小心翼翼捧著的一個(gè)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。