鸟巢的结构特点  

2008年北京奥运会主体育场——“鸟巢”的设计方案是经全球设计招标产生的。最后由2001年普利茨克奖获得者赫尔佐格、德梅隆与中国建筑师李兴刚等合作完成的巨型体育场设计，形态如同孕育生命的“巢”，它更像一个摇篮，寄托着人类对未来的希望。设计者们对这个国家体育场没有做任何多余的处理，只是坦率地把结构暴露在外，因而自然形成了建筑的外观。该设计方案主体由一系列辐射式门式钢桁架围绕碗状坐席区旋转而成，空间结构科学简洁，建筑和结构完整统一，设计新颖，结构独特，为国内外特有建筑。

“鸟巢”于2003年12月24日开工建设，2004年7月30日因设计调整而暂时停工，同年12月27日恢复施工， 2008年5月全部竣工。工程总造价22.67亿元。“鸟巢”建设地点在北京市朝阳区安定路甲3号即北京奥林匹克公园内,亚运村北。建筑面积达25.8万㎡。场馆内永久座席80000个，临时经座席20000个。“鸟巢”的赛时功能有：田径、足球、标枪、链球、铁饼；赛后功能是：国际国内体育比赛和文化、娱乐活动。  

“鸟巢”外形结构主要由巨大的门式钢架组成，共有24根桁架柱。国家体育场建筑顶面呈鞍形，长轴为332.3米，短轴为296.4米，最高点高度为68.5米，最低点高度为42.8米。体育场外壳采用可作为填充物的气垫膜，使屋顶达到完全防水的要求，阳光可以穿过透明的屋顶满足室内草坪的生长需要。比赛时，看台是可以通过多种方式进行变化的，可以满足不同时期不同观众量的要求，奥运期间的20000个临时座席分布在体育场的最上端，且能保证每个人都能清楚的看到整个赛场。入口、出口及人群流动通过流线区域的合理划分和设计得了完美得到的解决。鸟巢设计中充分体现了人文关怀，碗状座席环抱着赛场的收拢结构，上下层之间错落有致，无论观众坐在哪个位置，和赛场中心点之间的视线距离都在140米左右。“鸟巢”的下层膜采用的吸声膜材料、钢结构构件上设置的吸声材料，以及场内使用的电声扩音系统，这三层“特殊装置”使“巢”内的语音清晰度指标指数达到0.6——这个数字保证了坐在任何位置的观众都能清晰地收听到广播。   

“鸟巢”的相关设计师们还运用流体力学设计，模拟出91000个人同时观赛的自然通风状况，让所有观众都能享有同样的自然光和自然通风。“鸟巢”的观众席里，还为残障人士设置了200多个轮椅座席。这些轮椅座席比普通座席稍高，保证残障人士和普通观众有一样的视野。赛时，场内还将提供供助听器并设置无线广播系统，为有听力和视力障碍的人提供个性化的服务。

场馆设计如同一个的容器，高地起伏变化的外观缓和了建筑的体量感，并赋予了戏剧性和具有震撼力的形体，国家体育场的形象完美纯净，外观即为建筑的结构，立面与结构达到了完美的统一。结构的组件相互支撑，形成了网络状的构架，它就像树枝编织的鸟巢。体育场的空间效果即具有前所未有的独创性，却又简洁而典雅，它为2008年奥运会树立了一座独特的历史性的标志性建筑。体育场就像一个巨大的容器，不论是近看还是远观，都将给人留下与众不同的、永不磨灭的形象，它完全符合国家体育场在功能和技术上的需求，又不同于一般体育场建筑中大跨度结构和数码屏幕为主体的设计手法。体育场的空间效果既具有前所未有的独创性，而又简洁、典雅。从这里，人们可以浏览包括通往看台的楼梯在内的整个区域动线。体育场大厅，是一个室内的城市空间，设有餐厅和商店，其作用就如同商业街廊或广场，吸引着人们留恋忘返。  

李兴钢在提及“鸟巢”的设计与里时表述：鸟巢的设计理念，或者说设计的过程，虽然它说很新，大家从来没有见过的体育场，但是它设计的理念其实是非常朴素和简单的。简单说刚才我也提到了，它设计的起点是赛场和看台，我们最后通过研究得到了一个非常古典的看台的形状，就是一个边沿起伏的看台。看台外面需要随着现代技术的发展和对观众的防雨、防晒的功能的要求，我们需要有一个外罩把这个看台笼罩起来，从屋顶到里面把它笼罩起来，这个外罩实际上是延续的看台的形状，也是一个东西高、南北低的，起伏的一个造型。这个外罩又需要有一个结构把它支撑起来，最后我们寻找到的是一个编织式的结构，这个结构最后我们用鸟巢，大自然的鸟巢这样一个很生动的形象来描述我们的结构，就是大家最后看到的鸟巢。所以，说起来是从一个体育场的本质出发，最终得到的一个很崭新的设计。

“鸟巢”的抗震妙招

北京奥运会的国家奥林匹克体育中心由于形似鸟巢，因此被人们称为“鸟巢”。“鸟巢”跨度很大，钢梁包裹着主体育场，中间悬空，共能容纳9.1万观众观赏比赛。在汶川发生8.0级地震之后，“鸟巢”的抗震性能也就备受公众的关注。但专家告诉我们，“鸟巢”能抵御8级地震。

乌鸦是一种常见的鸟类，但是它的鸟巢可不简单。它会采集许多粗枝，边编织，边用泥粘土加固，直到做成一个盆状巢。当然，天然的鸟巢有繁有简，但都有共同的特点，它们都是凹底，这便于鸟蛋聚集在巢中央，使鸟蛋更安全，而且在孵化时使温度不易流失。更重要的是，盆状的鸟巢在抵抗风雨和树枝的晃动方面也很有效。当大风吹到弧形的边缘时，强烈的气流会顺着边缘滑过，鸟巢承受的风力大大减弱了。鸟巢往往修建在三条甚至更多的树枝分叉的位置，树枝如同钢梁一样支撑了盆状的鸟巢。所以当鸟巢所在的大树晃动时，盆状的鸟巢比其他形状更难以倾覆。

我们知道，人类修建在地面上的大型建筑，都要向地下打坚固的地基，“鸟巢”也不例外，它的地基有效支撑了地面的建筑，类似于树干和树枝对天然鸟巢的支撑作用。只是人类所打的地基更深、更结实。然而，地震专家在借鉴天然鸟巢的基础上，又在自己的建筑中加了许多鸟类巢穴所没有的抗震技术。地震专家们知道，对于大型建筑来说，那种全部联为坚固整体的建筑并不是最抗震的，反而是不同部分可以分别适度位移的建筑，能够自行消耗掉大量的地震波能量，因而更抗震。

首先，钢梁结构和包含观众席的的碗状看台是分离的，这个设计很科学，因为钢梁结构是钢铁材料，而看台是混凝土材料，在地震时的震动频率不一样，如果联成一体，由于伸缩程度不同而相互拉扯，反而容易造成难以预料的破坏。另外，从世界范围内的防震经验来看，“鸟巢”的钢梁结构异常坚固，应该可以抵御大地震的袭击。钢梁结构又分为三个层次，其中一层环绕一周，起到支撑的作用，还有一层专门支撑楼道，这些设计都使地震来时，场馆钢梁结构部分安然无恙。其次，碗状看台也分为8个独立的大单元，当地震来时每个单元都独立晃动，能够有效消减地震波的冲击力。

此外，在建筑的过程中，经过对安全问题的慎重考虑，设计师们取消了原来设计方案中的可伸缩顶棚，使得体育馆的抗震能力进一步得到了加强。由于观众席每一层疏散通道都是独立的，没有交叉，人员疏散可以在8分钟内完成。

所以，就算遭受了强烈地震冲击，“鸟巢”体育馆仍然是非常安全的。

看台设计

国家体育场“鸟巢”的14700块看台板安装历时8个多月，场内座椅也将于今年开始安装。国家体育场将提供9.1万个观众座位。

1.46万块看台板安装完毕

据北京城建集团国家体育场工程总承包部姚勇介绍说，国家体育场共有看台7层。国家体育场“鸟巢”工程需要安装看台板1.46万块左右，最大的一块长11米、宽0.8 米、重18吨。看台板都是预制好的，每个看台板都有它固定的位置。目前，100多名工人正在对零层看台的看台板进行安装，安装看台板的同时还同步进行看台防水以及保温层的铺设。

据介绍，每块看台板之间有2厘米的空隙，空隙之间将用胶粘连在一起。胶的选用也不一般，它将采用绿色环保的胶，并且能拥有符合看台板由于温度的不同而产生的热胀冷缩所需的弹性。据了解，所有的看台板预计将在春节前后安装完成。

“鸟巢”看台设计体现以人为本

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。

坐在“鸟巢”的观众席向上看，除了蓝天白云，只能看到一层薄薄的白色“窗棂纸”———那是“鸟巢”屋顶双层膜结构的下层。这层半透明的PTFE膜像家庭装修中的吊顶，遮蔽了错综复杂的钢结构屋顶和屋架内的设备、管道，观众视线内没有任何杂乱的物体，无形中就会把目光都聚焦向场内的赛事。   

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“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。 而且看台的设计也富有古典的韵味，据中国建筑设计研究院副总设计师、国家体育场中方总设计师李兴刚介绍说 “‘鸟巢’的看台是一个非常古典的看台形式，有点像古罗马或者是古希腊的看台，它蕴含了比赛和观赛这两种体育场最重要的活动，这是体育场的本质所在。”

让观众满意看比赛

“鸟巢”看台的设计特别强调了观众的观赛效果。据了解，为了避免普通椭圆形看台造成两边观众距离场地太远的弊病，“鸟巢”的看台轮廓线呈现均匀而连续的环形。在观赛视线比较好的场地东西两侧安排较多的座椅，在南北两侧安排座椅较少，因此，坐席较多的东、西看台顶部高度较高，而坐席较少的南、北看台则较低。东西南北连续起来形成一个立体、边沿起伏的“碗”状。

另外，因为“鸟巢”没有墙的遮挡，风可以自由流通，保证了运动场的通透。同时，看台不是连贯的一通到底，而是削成7层，这样也保证了每层观众都不会被前排挡住视线。

“鸟巢”的前期技术研究 

李久林介绍说，“鸟巢”独特的建筑造型是由4.2万吨钢结构构件有序编织而成。钢结构工程是由24榀门式钢架围绕着体育场内部混凝土碗状看台区旋转而成，其中22榀是通过桁架对接拉通或基本拉通。钢结构编织顺序是先进行钢柱角安装，随后进行24榀门式钢架安装、屋面主结构安装、次结构安装、合龙、卸载等过程，整个钢结构安装历时13个月。施工技术决定工程成败的关键，对城建集团施工技术人员来讲，是一个巨大的挑战。 

北京城建集团对“鸟巢”钢结构施工技术立项研究：为实现“鸟巢”独特造型，其肩部1.4万吨钢构件采用无固定线形的空间箱型弯扭构件。设计师仅提供控制点坐标，施工单位需要自行开发三维建模及展平放样软件。同时，大断面箱型弯扭构件加工制作技术在国内外尚无先例。工程结构跨度大、体型复杂，整体安装方案优化选择难度大，1.4万吨钢屋盖支撑卸载在全世界钢结构史上也是史无前例的。如何保证造型复杂、体型庞大的“鸟巢”钢结构的安装精度和建筑效果，需要研究相应的测控技术。 

钢结构施工中的技术创新 

“鸟巢”钢结构施工多项技术，在国内属首次遇到，如箱型弯扭构件制作技术研究与应用、钢结构综合安装技术研究与应用、钢结构合龙施工技术研究与应用、钢结构支撑卸载技术研究与应用、焊接综合技术研究与应用、施工测量测控技术研究与应用等六项最难施工技术，国内一无先例，二无规范可循，完全要靠北京城建集团集社会智慧，最大限度地挖掘和调动现场技术人员积极性进行技术研究与创新。“鸟巢”钢结构弯扭构件比较多，要把10到110毫米厚的钢板拧成麻花状，其难度可想而知。技术人员先后研究了弯扭构件的空间几何特性，开发出满足设计要求的箱型构件的三维建模及展平放样软件、研究弯扭构件的成型原理，最终研究出箱型弯扭构件制作综合技术。 

李久林说：这些技术都要细化到每个细节方案，每一个大项就要有数百个小项，千余个细节，包括技术理论研究、技术应用、材质放样、构件胎架和设备、构件加工制作、质量检测等等。 

在综合安装技术研究与应用方面，国家体育场主钢结构总用钢量4.2万吨，钢结构构件体型大、单体重量重，构件翻身、吊装难度大。例如桁架柱最大外形尺寸达25×20×68.5米，每延米最重达10吨，采取何种技术吊装完成如此体型庞大、对接口数量多、构件异形、构件翻身和吊装难度巨大的工程，国内外均无成功经验可借鉴。 

北京城建集团技术人员通过工况分析计算，结合工程实践，总结出一套包括重心确定、吊耳设计、稳固措施及接口偏差调整措施等内容的异型复杂钢构件综合安装技术。 

在高空安装方面，经过反复研究，最终确定采用高空散装方案，而合龙和卸载则是检验搭建能否成功的关键两步。李久林介绍道：国家体育场钢结构工程结构跨度大，传力体系复杂。有关部门协调并经过国家气象、规划等部门的研究论证，确定合拢温度为19度正负4度。在合龙温度确定下来后，经过反复择优比选并通过设计复核，主桁架、立面结构及顶面次结构的合龙线确定为四条合龙线。采取了先进行主桁架的合龙，再进行立面结构的合龙顺序。 

随后又确定合龙方式和合龙口做法、合龙温度监测等。为确切掌握整个屋盖钢结构的温度场分布情况，测试点的布设尽量分布于整个屋盖区域。温度监测点设了60个，即顶面36个，立面24个。 

历经2006年8月25至26日、8月28至29日、8月30至31日三个夜晚，顺利完成国家体育场钢结构工程合龙工作。600延米合龙焊缝自检探伤和第三方探伤一次合格率100%%，所有合龙口焊缝质量满足规范和设计要求。 

接下来就是安装支撑体系及卸载技术研究与应用。由于“鸟巢”钢结构屋盖面积大，支撑点分布广，最优的卸载方式是78个支撑整体同时同步卸载。 

卸载中，城建集团技术人员结合78个支撑点，分成外、中、内三圈。最终，卸载工人从最外圈的所有千斤顶上撤下钢垫片，“鸟巢”钢结构完全靠自身站立起来了，这一刻令全国人民为之激动。卸载结果完全满足结构设计要求和相关验收标准。最终实测卸载最大变形平均值为271毫米，比设计允许值286毫米还要少15毫米。 

在“鸟巢”钢结构施工技术创新中，钢结构施工测量测控技术研究及应用、焊接综合技术研究与应用成果卓著。北京城建集团在测量控制手段上应用全站仪、数字水准仪以及结合GPS控制测量手段等建立高精度三维工程控制网，应用基于智能化全站仪及相关工业三维测量系统等集成式精密空间放样测设技术。应用三维激光扫描测量技术对钢结构构件拼装、安装的空间形态进行实时或准实时的精确检测和完整记录。 

国家体育场工程为全焊接钢结构，总用钢量4.2万吨，焊缝总长度30万米，焊缝折算总长度280万米。针对国家体育场钢结构工程焊接特点，北京城建集团课题组人员围绕厚板焊接技术、低温焊接技术、焊接残余应力控制及仰焊技术等方面进行了研究。 

在厚板焊接技术上，研究人员率先进行低温焊接技术研究，通过低温焊接试验研究低温焊接工作的可行性，经过工程应用研究总结出一套低温焊接管理制度。 

2006年11月30日，国家体育场工程钢结构全部焊接完成，30万米长焊缝成形良好，自检及第三方探伤合格率达到百分之百，符合国家规范及设计文件的有关要求。 

北京城建集团在“鸟巢”钢结构施工中的技术研究与应用，填补了我国钢结构技术多项空白，开创了钢结构技术之先河，为我国钢结构施工发展做出巨大贡献。