【智慧证书】一个时代的风向标“鸟巢”建设始末

2002年10月25日，受北京市人民政府和第二十九届奥运会组委会授权，北京市规划委员会面向全球征集2008年奥运会主体育场——中国国家体育场的建筑概念设计方案。

从2002年10月29日到11月20日，竞赛办公室共收到44家著名设计单位提供的有效资格预审文件，经过严格的资格预审，确定了14家设计单位进入正式的方案竞赛。嗣后，经过两轮无记名投票，选出3个优秀方案，分别是由瑞士赫尔佐格和德梅隆设计公司与中国建筑设计研究院组成的联合体设计完成的“鸟巢”方案、由中国北京市建筑设计研究院独立设计的“浮空开启屋面”方案、由日本株式会社佐藤综合计划与中国清华大学建筑设计研究院合作设计的“天空体育场”方案。在此基础上，评审委员会又以压倒多数票推选“鸟巢”方案为重点推荐实施方案。评审委员会和许多建筑界专家认为，“鸟巢”不仅为2008年奥运会树立一座独特的历史性的标志性建筑，而且在世界建筑发展史上也将具有开创性意义，将为21世纪的中国和世界建筑发展提供历史见证。为征求公众意见，竞赛组织单位又将预审后的全部设计方案公开展出。历时6天，观众投票排名前三位是：“鸟巢”3506张、“浮空开启屋面”3472张、“天空体育场”3454张。“鸟巢”被确定为2008年北京奥运会主体育场——中国国家体育场的最终实施方案。

“鸟巢”中选，但其设计师的工作才刚刚开始。当年34岁的李兴钢是中国建筑设计研究院最年轻的副总建筑师，毕业于天津大学建筑系，1998年赴法国留学。2003年1月，他出任国家体育场“鸟巢”的中方总设计师，赴瑞士参与“鸟巢”的设计。

“鸟巢”的方案设计是由瑞士赫尔佐格和德梅隆设计公司进行，而最终的施工图是由中国建筑设计研究院完成。由于“鸟巢”的结构十分复杂，要在图纸上精确绘制出数以万计的异形空间曲面，给出精确的施工尺寸，进而对这些异形构件组成的空间结构进行计算，需要用到参数化设计的方法。设计公司采用当时十分先进的三维设计软件CATIA、有限元分析软件ANSYS和SAP2000等，通过“高技”的方法终于将“鸟巢”从概念设计变成一张张精确的设计图纸。

“鸟巢”独特的格栅结构看上去像一个缠结着树枝的鸟巢，加上灯光效果后它甚至像一个生命体轻盈地悬浮在大地上。李兴钢说：“许多人关注‘鸟巢’外面的钢结构，但设计却恰恰是从内部，从一个体育场的核心部分——赛场和看台开始的。我们最大的设想是，让2008年奥运会主体育场回归体育建筑和人类体育活动的本质，也就是以竞赛和观赛、以运动员和观众为本。赛场是南北向的椭圆形，考虑到观众视线的均衡，看台设计为东西高南北低、连续起伏的碗形。‘鸟巢’在全世界范围都是当代的、独特的，但这不是设计的原因，而是设计自然延伸的一个结果。”

“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。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。大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上，柱距为37.96米。主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置，有22榀主桁架直通或接近直通。为了避免出现过于复杂的节点，少量主桁架在内环附近截断。钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件，交叉布置的主桁架与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。主看台部分采用钢筋混凝土框架剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。

中国钢结构协会常务理事、2008工程建设指挥部领衔专家侯兆欣表示，“鸟巢”创新技术达几十项，是世界上施工难度最大的钢结构工程之一。整个钢结构的建设，创新的技术和创新的点就有几十多项，包含了设计、材料、加工、制作、安装、检测、管理等等各个方面。而且整个钢结构的施工全部是由中国人自主完成的。

“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。

作为总承包单位，北京城建集团抽调了各专业领域的优秀人才，老中青结合，组成“鸟巢”建设的“智囊团队”，任命谭晓春为国家体育场工程总承包部经理。为支持“鸟巢”的自主创新，从本部科研经费中抽出200万元，作为“鸟巢”的科研经费。专家组联合冶金建筑研究院、中国建筑工程研究院以及清华大学等科研院校设立科研课题，开展科技攻关。

针对“鸟巢”技术难题，14个课题组成立了。

“鸟巢”这个辐射式旋转而成的梦幻般造型，使得外部结构4.8万吨钢的受力点集中在了24根柱子和柱脚上。弯曲点也要承受巨大的拉力和应力。什么样的钢才能够支撑起如此大的体量？这是技术人员遇到的第一个难题。

2005年3月12日，北京市委、市政府领导召集宝钢、首钢、鞍钢、武钢和舞钢等国内7家钢铁巨头在北京开了一次特殊的会议，会议的主题围绕“鸟巢”特殊的结构要求展开。在这次会议上，北京市委书记刘淇态度非常坚决：“特殊的高强度钢能不能实现国产？办奥运就是要拉动民族的自主创新，填补空白，只要能在国内生产，就坚决不进口！”

筑造“鸟巢”使用的钢材绝大部分为Q345D和Q345GJD钢材，局部受力大的部位采用了Q460E钢材。Q460E钢材是专为“鸟巢”量身打造的一种低合金高强度钢。在国家标准中，Q460E的最大厚度也只是100毫米，而“鸟巢”使用的钢板厚度达到110毫米。这是国内在建筑结构上首次使用Q460E规格的钢材。

为了给“鸟巢”提供“合身”的Q460E，从2004年9月开始，河南舞阳特种钢厂的科研人员开始了长达半年多的科技攻关，前后3次试制终于获得成功。2005年7月，为“鸟巢”准备的110毫米厚的Q460E钢板经过舞阳钢厂的反复实验，轧制成功并进入批量生产。400吨Q460E钢材，成了“鸟巢”钢筋铁骨中最坚硬的一部分。

鸟巢”的混凝土结构施工也是工程的难点之一，其难度超过当年国内外其他任何建筑混凝土结构的难度。“鸟巢”的外罩由不规则的钢结构构件组成，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整个建筑。124根钢管柱、228根斜梁、600多根斜柱、112根Y型柱与空间曲形环梁相互交织。这些混凝土结构的施工都是工程难题之一。如何既保证这些混凝土柱子的结构要求，又不影响“鸟巢”的整体美观？

北京城建集团国家体育场工程总承包部专家组几经论证，一个两全其美的方案诞生了：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。这样既安全又美观，却加大了施工难度。经过自主研究，又一个新方案出炉：采用高流态自密实混凝土，采取高压顶升、从钢管底部注入混凝土，由底向上顶升逐步填充。顶升混凝土不仅提高工效一倍多，而且质量好，比预定的工期缩短了两个月零两天。这项自主创新的工艺被命名为“超高矩形钢管永久模板钢筋混凝土斜扭柱施工工艺”，后来正式向国家知识产权局申请发明专利。正是这项创新技术为“鸟巢”的如期完工赢得了宝贵的时间。

在“鸟巢”动工之前，贯穿在设计过程中就有一个既定的方针：“以科技创新为载体，以绿色人文为目标，结合建筑特色，创造性地实现《国家体育场奥运设计大纲》中‘三大理念’的相关内容。”为落实“绿色、科技、人文”三大理念，“鸟巢”应用了许多新材料、新技术、新方法，体现出无数技术创新亮点。

节能产品的大量使用是“鸟巢”的特色之一。“鸟巢”的设计中包含了一套全球规模最大的雨水深度处理回用系统。体育场内70%的供水由回用水代替，其中23%来自系统处理后的雨水。而且，两层膜之间安装的虹吸排水系统同时解决了“鸟巢”特殊结构形式的屋面排水问题。

 2006年10月1日，时任中共中央总书记、国家主席、中央军委主席胡锦涛来到“鸟巢”建设工地，对工程技术人员说，你们坚持精心设计、精心施工、勇于创新，以顽强拼搏的精神和科学严谨的态度攻克了一个又一个难关，取得了出色成绩，谱写了中国建筑史上的光辉一页。

    当“鸟巢”于2008年6月28日正式落成时，人们看到的不只是一栋宏伟的标志性建筑，不只是当代新材料、新技术、新方法在建筑中的集中亮相，更是传递了一个重要信息：当代中国是具有开放包容的时代精神，也注重人与自然协调发展的生态文明观。