北京鳥巢體育館施工方案一、工程概況國家體育場（鳥巢）位于北京奧林匹克公園中心區(qū)南部，為2008年北京奧運會主體育場，承擔(dān)開閉幕式、田徑及足球賽事等功能。建筑造型呈橢圓馬鞍形，長軸332.3米，短軸296.4米，最高點高度68.5米，最低點高度42.8米，總建筑面積約25.8萬平方米，可容納觀眾9.1萬人。工程主體結(jié)構(gòu)由混凝土框架-剪力墻看臺體系與鋼結(jié)構(gòu)屋蓋組成，兩者在結(jié)構(gòu)上完全脫開，基礎(chǔ)共同坐落在相連的鋼筋混凝土底板上，形成獨特的"鳥巢"形態(tài)。二、結(jié)構(gòu)體系設(shè)計（一）混凝土結(jié)構(gòu)系統(tǒng)看臺混凝土結(jié)構(gòu)采用地下1層、地上7層的鋼筋混凝土框架-剪力墻體系，分為上、中、下三層碗狀結(jié)構(gòu)?；炷量倽仓考s18萬立方米，鋼筋綁扎量達(dá)5.2萬噸，土方挖運量約28萬立方米。看臺結(jié)構(gòu)通過24個巨型桁架柱與鋼結(jié)構(gòu)屋蓋形成空間圍合，基礎(chǔ)底板厚度達(dá)2.5米，采用C40P8抗?jié)B混凝土，設(shè)置三道后澆帶控制溫度裂縫。（二）鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主體鋼結(jié)構(gòu)為空間馬鞍形鋼桁架編織式結(jié)構(gòu)，由24榀門式桁架圍繞內(nèi)部碗狀看臺區(qū)旋轉(zhuǎn)而成，其中22榀貫穿整個結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)總用鋼量4.2萬噸，主結(jié)構(gòu)用鋼約2.3萬噸，整體呈網(wǎng)格狀構(gòu)架。主桁架斷面高度12米，上弦桿截面尺寸1200mm×1200mm～1000mm×1000mm，下弦桿1000mm×1200mm～800mm×800mm，腹桿600mm×600mm。桁架柱采用三角形格構(gòu)柱形式，每根由兩根1200mm×1200mm箱型外柱和一根1200mm×1200mm菱形內(nèi)柱組成，腹桿截面1000mm×1200mm。（三）屋面系統(tǒng)屋頂覆蓋雙層膜結(jié)構(gòu)體系：上層為固定于鋼結(jié)構(gòu)上弦之間的透明ETFE膜，下層為固定于鋼結(jié)構(gòu)下弦及內(nèi)環(huán)側(cè)壁的半透明PTFE聲學(xué)吊頂。ETFE膜材具有透光率高（80%以上）、自潔性好、抗沖擊強(qiáng)度高（為有機(jī)玻璃的200倍）等特性，單塊膜面積最大達(dá)2000平方米，通過特殊的機(jī)械連接與鋼結(jié)構(gòu)骨架固定。三、材料選擇與技術(shù)參數(shù)（一）主體鋼材Q460低合金高強(qiáng)度鋼用于鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵受力部位，特別是24根桁架柱柱腳區(qū)域。該鋼材屈服強(qiáng)度≥460MPa，抗拉強(qiáng)度550-720MPa，伸長率≥17%，-40℃沖擊功≥34J。鋼板厚度達(dá)110mm，突破當(dāng)時國家標(biāo)準(zhǔn)中Q460鋼最大厚度100mm的限制，通過微合金化、控軋控冷等工藝實現(xiàn)高強(qiáng)度與良好焊接性的平衡。Q345D鋼材主要用于鋼結(jié)構(gòu)主桁架、次結(jié)構(gòu)等非關(guān)鍵受力部位，屈服強(qiáng)度≥345MPa，具有良好的低溫沖擊韌性，適應(yīng)北京地區(qū)冬季低溫環(huán)境。（二）混凝土材料基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)：C40P8抗?jié)B混凝土，氯離子含量≤0.06%，堿含量≤3.0kg/m3框架柱：C60高性能混凝土，采用雙摻技術(shù)（粉煤灰+礦粉）改善工作性梁板結(jié)構(gòu)：C30-C40混凝土，添加聚丙烯纖維控制早期裂縫（三）焊接材料匹配Q460鋼材的專用低氫型焊條E5015-G，直徑4.0mm和5.0mm兩種規(guī)格，使用前經(jīng)350℃×1h烘干處理。埋弧焊采用H10Mn2焊絲配合SJ101焊劑，氣體保護(hù)焊采用ER50-6焊絲，純度≥99.99%的Ar氣保護(hù)。四、關(guān)鍵施工工藝（一）鋼結(jié)構(gòu)加工制作構(gòu)件加工采用數(shù)控切割下料，精度控制在±1mm以內(nèi)。箱型構(gòu)件采用"門式埋弧焊機(jī)+機(jī)器人焊接"組合工藝，主焊縫一次成型。構(gòu)件組裝采用三維坐標(biāo)測量技術(shù)，專用工裝夾具確保幾何尺寸偏差≤3mm。所有Q460鋼構(gòu)件焊接前進(jìn)行200℃×2h預(yù)熱，層間溫度控制在150-250℃。預(yù)拼裝工藝在工廠進(jìn)行1:1分段預(yù)拼裝，每個拼裝單元最大重量控制在300噸以內(nèi)。采用全站儀進(jìn)行空間坐標(biāo)測量，預(yù)拼裝精度要求：總長偏差≤L/20000且≤10mm，扭曲偏差≤5mm。預(yù)拼裝完成后進(jìn)行編號與三維坐標(biāo)標(biāo)記，確?，F(xiàn)場安裝精度。（二）鋼結(jié)構(gòu)安裝吊裝工程采用"分塊吊裝、累積滑移"綜合安裝工藝。主桁架分38個吊裝單元，最重單元達(dá)300噸，使用4臺300噸履帶吊和2臺400噸汽車吊聯(lián)合吊裝。吊裝時設(shè)置臨時支撐塔架36個，每個塔架承載力≥500噸，采用格構(gòu)式鋼柱與液壓千斤頂組合系統(tǒng)。整體卸載2006年9月17日實施鋼結(jié)構(gòu)整體卸載，采用"分級同步卸載法"，將36個臨時支撐的8000噸荷載逐步轉(zhuǎn)移至混凝土結(jié)構(gòu)。卸載共分12個步驟，每個步驟沉降控制≤5mm，通過計算機(jī)同步控制系統(tǒng)實現(xiàn)36個卸載點的位移差≤2mm。（三）焊接工藝厚板焊接技術(shù)Q460鋼110mm厚板焊接采用"X形坡口+多層多道焊"工藝，焊接線能量控制在25-35kJ/cm。根部焊道采用鎢極氬弧焊打底，填充及蓋面采用埋弧焊或氣體保護(hù)焊。焊后立即進(jìn)行250℃×2h后熱消氫處理，消除應(yīng)力熱處理溫度600±20℃，保溫時間2.5h。焊接質(zhì)量控制所有焊工需通過Q460鋼專項焊接考試，采用"雙人對稱焊"減少焊接變形。對受力復(fù)雜節(jié)點進(jìn)行100%UT探傷和20%MT探傷，一次合格率要求≥98%?，F(xiàn)場焊接環(huán)境溫度低于0℃時，需對構(gòu)件進(jìn)行預(yù)熱至80-100℃。（四）混凝土施工大體積混凝土基礎(chǔ)底板采用"分層澆筑、斜面分段、薄層推移"施工法，分層厚度500mm，采用3套輸送泵同時作業(yè)。預(yù)埋DTS分布式光纖測溫系統(tǒng)，實時監(jiān)測混凝土內(nèi)部溫度，確保內(nèi)外溫差≤25℃。覆蓋塑料薄膜+阻燃棉被養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期≥14天。清水混凝土看臺采用定制鋼模板體系，面板選用15mm厚芬蘭維薩板，模板接縫處設(shè)置5mm寬裝飾條?；炷敛捎靡淮握駬v成型工藝，坍落度控制在180±20mm?？磁_板施工采用"跳倉法"，每倉面積≤200㎡，間隔時間≥7天。五、施工難點與解決方案（一）Q460鋼材應(yīng)用技術(shù)難點：110mm厚Q460鋼的焊接性差，低溫沖擊韌性難以保證，國內(nèi)無相關(guān)工程應(yīng)用經(jīng)驗。解決方案：與鋼廠聯(lián)合研發(fā)Q460E-Z35級鋼材，通過調(diào)整Ni、V等合金元素含量，優(yōu)化控軋控冷工藝開展200組以上焊接工藝試驗，確定最佳焊接線能量和預(yù)熱溫度參數(shù)建立焊接質(zhì)量追溯系統(tǒng)，對每條焊縫進(jìn)行編號和數(shù)據(jù)記錄（二）空間異形結(jié)構(gòu)測量控制難點：馬鞍形曲面結(jié)構(gòu)定位復(fù)雜，24榀桁架空間交匯節(jié)點坐標(biāo)精度要求高。解決方案：建立三級測量控制網(wǎng)，采用LeicaTS30全站儀（測角精度0.5秒，測距精度1mm+1ppm）開發(fā)專用BIM模型與測量數(shù)據(jù)對接軟件，實現(xiàn)實時偏差分析關(guān)鍵節(jié)點設(shè)置強(qiáng)制對中裝置，測量頻率提高至每2小時一次（三）鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性控制難點：4.2萬噸鋼結(jié)構(gòu)在安裝過程中形成超大跨度空間結(jié)構(gòu)，臨時支撐卸載風(fēng)險高。解決方案：采用MIDASGen軟件進(jìn)行施工全過程模擬，分析12種工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)臨時支撐塔架設(shè)置液壓同步控制系統(tǒng)，實現(xiàn)毫米級精度卸載卸載過程中布置120個應(yīng)力監(jiān)測點和80個位移監(jiān)測點，實時反饋數(shù)據(jù)（四）膜結(jié)構(gòu)安裝工藝難點：ETFE膜材在不同溫度下會產(chǎn)生較大伸縮變形，安裝精度難以控制。解決方案：選擇在夜間或陰天施工，環(huán)境溫度控制在15-25℃采用"預(yù)張力法"安裝，根據(jù)溫度變化調(diào)整張拉應(yīng)力（溫度每變化1℃，張力調(diào)整0.5kN）開發(fā)專用膜節(jié)點夾具，實現(xiàn)三維方向微調(diào)，安裝偏差控制在±5mm以內(nèi)六、施工組織管理（一）施工分區(qū)劃分將工程劃分為A、B、C、D四個施工大區(qū)，每個大區(qū)再分3個流水段。鋼結(jié)構(gòu)安裝采用"由內(nèi)向外、對稱推進(jìn)"的順序，混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)平行作業(yè)，形成4個獨立的施工流水段。高峰期投入管理人員320人，作業(yè)人員4500人，各類機(jī)械設(shè)備280臺套。（二）進(jìn)度計劃控制關(guān)鍵線路節(jié)點控制：2003年12月24日：工程開工2004年2月5日：百根基礎(chǔ)樁完成2005年5月9日：零層結(jié)構(gòu)施工完成2005年10月28日：首件鋼構(gòu)件吊裝2006年8月31日：鋼結(jié)構(gòu)合龍焊接2006年9月17日：鋼結(jié)構(gòu)整體卸載2007年8月：膜結(jié)構(gòu)安裝完成2008年3月：竣工驗收（三）質(zhì)量安全管理質(zhì)量控制實施"三檢制+第三方檢測"質(zhì)量管控模式，建立12個專業(yè)質(zhì)量控制點。鋼結(jié)構(gòu)焊縫一次合格率達(dá)98.6%，混凝土結(jié)構(gòu)尺寸偏差≤3mm，清水混凝土表面平整度≤2mm/2m。獲得北京市結(jié)構(gòu)長城杯金獎和魯班獎。安全管理設(shè)置6層立體防護(hù)體系，包括安全網(wǎng)、防護(hù)欄桿、操作平臺等。針對鋼結(jié)構(gòu)高空作業(yè)，開發(fā)專用防墜器和生命線系統(tǒng)，配備28名專職安全員實施分區(qū)管理。整個施工過程實現(xiàn)"零死亡、零重傷"的安全目標(biāo)。七、技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用（一）新材料研發(fā)成功研發(fā)國產(chǎn)Q460E-Z35鋼材，打破國外技術(shù)壟斷，實現(xiàn)400噸自主知識產(chǎn)權(quán)鋼材應(yīng)用，節(jié)約成本約6000萬元。該鋼材的低溫沖擊韌性、焊接性能等關(guān)鍵指標(biāo)均超過國際同類產(chǎn)品水平，填補(bǔ)國內(nèi)空白。（二）數(shù)字化施工技術(shù)應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行全過程管理，建立包含12萬余個構(gòu)件的三維模型，實現(xiàn)設(shè)計、加工、安裝的數(shù)字化傳遞。開發(fā)鋼結(jié)構(gòu)施工模擬系統(tǒng)，提前發(fā)現(xiàn)并解決386處碰撞問題，減少返工損失約2300萬元。（三）綠色施工技術(shù)采用雨水回收系統(tǒng)，回收利用率達(dá)80%；鋼結(jié)構(gòu)工廠化加工率達(dá)95%，減少現(xiàn)場作業(yè)量；建筑垃圾回收率達(dá)92%，其中鋼結(jié)構(gòu)邊角料100%回收利用。通過優(yōu)化施工方案，節(jié)約鋼材約3000噸，混凝土約8000立方米。八、驗收標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)指標(biāo)（一）結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限：100年耐火等級：一級抗震設(shè)防烈度：8度（按9度采取構(gòu)造措施）地下工程防水等級：一級鋼結(jié)構(gòu)最大撓度限值：L/250基礎(chǔ)沉降允許值：200mm（二）功能驗收標(biāo)準(zhǔn)ETFE膜透光率：≥80%聲學(xué)吊頂降噪系數(shù)：NR