1、大跨结构的经典之作鸟巢摘要：大跨空间结构是目前发展最快的结构类型。大跨度建筑及作为其核心的空间结构技术的发展状况是代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。本文要介绍的鸟巢是 2008 年北京奥运会主体育场，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设计完成。其建筑面积达到 25.8 万平方米，能同时容纳 9.1 万人。鸟巢是一个大跨度的曲线结构，主要由巨大的门式钢架组成，共有 24 根桁架柱。该结构在设计和构件安装过程中均应用了当今先进的建筑科技，下面我们主要探讨鸟巢的设计方案及其独到之处。关键词： 鸟巢 国家体育馆 大跨结构 钢结构 设计方案The classi
2、c work of the long - span structure -the Birds Nest Abstract: As we all know, the large-span space structure is the fastest growing structure type. The development of large-span buildings and its core technology-the Space structure technology is one of the important symbols representing the level of
3、 national construction technology. The main content of this article ,Birds Nest is the 2008 Beijing Olympic Games main stadium, designed by the 2001 Pritzker Prize winner Herzog, De Mellon and Chinese architect Li Xingang and other architects. It covers a construction area of 258,000 square meters,
4、which can accommodate 9.1 million people. The nest is a large span curve structure, mainly composed of huge gantry steel frame and 24 truss columns in total. The design of the structure and the component installation process use many todays advanced building technology. And now we will mainly discus
5、s the design of the nest and its unique in the following parts.Key Words: Bird s Nest; National Gymnasium; the long - span structure;Steel Structure; Design引言：“鸟巢”奇妙的形体结构 鸟巢”是 2008 年北京奥运会主体育场，它坐落在奥林匹克公园中央平缓的坡地上。高低起伏变化的外观缓和了建筑的体量感，并赋予它具有震撼力的形体。它的形象完美纯净，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
6、枝编织的鸟巢。许多看过“鸟巢”模型的人这样形容：那是一个用树枝般的钢网编织成的温馨鸟巢！是孕育与呵护生命的“巢” ，寄托着人类对未来的希望。整个建筑通过巨型网状结构联系，内部没有一根立柱，看台是一个完整的没有任何遮挡的碗状造型，如同一个巨大的容器。这种均匀而连续的环形将使观众获得最佳的视野，带动他们的兴奋情绪，并激励运动员向更快、更高、更强冲刺。1 大跨结构概述在这实际的三维世界里,任何结构物本质上都是空间性质的,只不过出于简化设计和建造的目的,人们在许多场合把它们分解成一片片平面结构来进行构造和计算。与此同时,无法进行简单分解的真正意义上的空间体系也始终没有停止其自身的发展,而且日益显示出一
7、般平面结构无法比拟的丰富多彩和创造潜力,体现出大自然的美丽和神奇。空间结构的卓越工作性能不仅仅表现在三维受力,而且还由于它们通过合理的曲面形体来有效抵抗外荷载的作用。当跨度增大时,空间结构就愈能显示出它们优异的技术经济性能。事实上,当跨度达到一定程度后,一般平面结构往往已难于成为合理的选择。从国内外工程实践来看,大跨度建筑多数采用各种形式的空间结构体系。近二十余年来,各种类型的大跨空间结构在美、日、欧等发达国家发展很快。建筑物的跨度和规模越来越大,目前,尺度达 150m 以上的超大规模建筑已非个别;结构形式丰富多彩,采用了许多新材料和新技术,发展了许多新的空间结构形式。例如1975 年建成的美
8、国新奥尔良“超级弯顶”(suepdrome),直径 207m,长 期被认为是世界上最大的球面 图 1 超级穹顶体育馆 网壳;现在这一地位已被 1993 年建成直径为 222m 的日本福冈体育馆所取代,但后者更著名的特点是它的可开合性:它的球形屋盖由三块可旋转的扇形网壳组成,扇形沿圆周导轨移动,体育馆即可呈全封闭、开启 1/3 或开启 23/等不同状态。1983 年建成的加拿大卡尔加里体育馆采用双曲抛物面索网屋盖,其圆形平面直径 135m,它是为 1988 年冬季奥运会修建的,外形极为美观,迄今仍是世界上最大的索网结构。70 年代以来,由于结构使用织物材料的改进,膜结构或索一膜结构(用索加强的膜
9、结构)获得了发展,美国建造 r 许多规模很大的气承式索。膜结构;1988 年东京建成的“后乐园”棒球馆,也采用这种结构,技术尤为先进,其近似圆形平面的直径为 204m;美国亚特兰大为 19%年奥运会修建的“佐治亚窍顶”(GeogiaDome,1992 年建成)采用新颖的整体张拉式索一膜结构,其准椭圆形平面的轮廓尺寸达 192mx24lm。许多宏伟而富有特色的大跨度建筑已成为当地的象征性标志和著名的人文景观。由于经济和文化发展的需要,人们还在不断追求极盖更大的空间,例如有人设想将整个街区、整个广场、甚至整个山谷覆盖起来形成一个可人工控制气候的人聚环境或休闲环境;为了发掘和保护古代陵墓和重要古迹,
10、也有人设想采用超大跨度结构物将其覆盖起来形成封闭的环境。目前,某些发达国家正在进行尺度为 300m 以上的超大跨度空间结构的设计方案探讨。可以这样说,大跨空间结构是最近三十多年来发展最快的结构形式。国际空间结构杂志主编马考夫斯基(z.S.Makowski)说:在 60 年代“空间结构还被认为是一种兴趣但仍属陌生的非传统结构,然而今天已被全世界广泛接受。川 ZJ 从今天来看,大跨度和超大跨度建筑物及作为其核心的空间结构技术的发展状况已成为代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。世界各国为大跨度空间结构的发展投人了大量的研究经费。例如,早在 20 年前,美国土木工程学会曾组织了为期 10 年的空间
11、结构研究计划,投人经费 1550 万美元。同一时期,西德由斯图加特大学主持组织了一个“大跨度空间结构综合研究计划”,每年研究经费 100 万马克以上。这些研究工作为各国大跨度建筑的蓬勃发展奠定了坚实的理论基础和技术条件。国际壳体和空间结构学会(IAS)S 每年定期举行年会和各种学工业建筑 2001 年增刊 403庆贺刘锡良教授执教 50 周年术交流活动,是目前最受欢迎的著名学术团体之一。我国大跨度空间结构的基础原来比较薄弱,但随着国家经济实力的增强和社会发展的需要,近十余年来也取得了比较迅猛的发展。工程实践的数量较多,空间结构的类型和形式逐渐趋向多样化,相应的理论研究和设计技术也逐步完善。以北
12、京亚运会(1990)、哈尔滨冬季亚运会(1996)、_上海八运会(1997)的许多体育建筑为代表的一系列大跨空间结构作为我国建筑科技进步的某种象征,在国内外都取得了一定影响。种种迹象说明,我国虽然尚是一个发展中国家,但由于国大人多,随着国力的不断增强,要建造更多更大的体育、休闲、展览、航空港、机库等大空间和超大空间建筑物的需求十分旺盛,而且这图 2 哈尔滨冰球馆 种需求量在一定程度上可能超过许多发达国家。这是我国空间结构领域面临的巨大机遇。但与国际先进水平相比,我国大跨空间结构的发展仍存在一定差距。主要表现在结构形式还比较拘谨,较少大胆创新之作,说明新颖的建筑构思与先进的结构创造之间尚缺乏理想
13、的有机结合,尤其是巧 Om 以上的超大跨度空间结构的工程实践还比较少;结构类型相对地集中于网架和网壳结构,悬索结构用得比较少,而一些有巨大前景的新颖结图 3 上海“八万人”体育馆 构形式如膜结构和索一膜结构、整体张拉结构、可开合结构等在国外已有不少成功的工程实践,在我国则还处于空白或艰难起步阶段。情况看来是,我国空间结构的发展经过十余年来在较为平坦的草原卜的驰骋之后,似一乎遇_L 了一个需要努力跃上的新台阶。这一新台阶包含材料和生产条件等技术问题,也包含尚未很好解决的一些理论问题。为促进我国空间结构进一步的更高层次的发展,有待科技工作者和企业家努力创造条件,以求得这些技术问题和理论问题较快较好
14、地解决。大跨空间结构的类型和形式十分丰富多彩,习惯上分为如下这些类型:钢筋棍凝土薄壳结构;平板网架结构;网壳结构;悬索结构;膜结构和索一膜结构;近年来国外用得较多的“索守顶”(CableDome)实际上也是一种特殊形式的索一膜结构;混合结构(Hybirdsturctuer),通常是柔性构件和刚性构件的联合应用。在仁述各种空间结构类型中,钢筋混凝土薄壁结构在 50 年代后期及 60 年代前期在我国有所发展,当时建造过一些中等跨度的球面壳、柱面壳、双曲扁壳和扭壳,在理论研究方面还投入过许多力量,制定了相应的设计规程。但这种结构类型目前应用较少,主要原因可能是施工比较费时费事。平板网架和网壳结构,还
15、包括一些未能单独归类的特殊形式,如折板式网架结构、多平面型网架结构、多层多跨框架式网架结构等,总起来可称为空间网格结构。这类结构来在我国发展很快,且持续不衰。悬索结构、膜结构和索一膜结构等柔性体系均以张力来抵抗外荷载的作用,可总称为张力结构，这类结构富有发展前景。1.1 空间网架结构空间网架（格）结构是由许多杆件根据建筑形体要求，按照一定的规律进布置，通过节点连接组成的一种网状的三围杆系结构，它具有三向受力的性能，故也称三向网架。其各杆件之间相互支撑，具有较好的空间整体性，是一种高次超静定的空间结构，在节点荷载作用下，各杆件主要承受轴力轴力，因而能够充分发挥材料强度，结构的技术经济指标较好。空
16、间网架结构的外形可以为平板状，也可以呈曲线状。前者称为平板网架，常简称为网架；后者称为曲面网架或壳形网架结构，常简称为网壳。1.2 张力结构以现代高强度金属材料（或复合材料）作为结构主要受力构件，以张力作为构件主要受力形 式的一种新型结构体系。 ）张力的结构的特点是索和膜是结构的主要受力构件；结构建造过程中需要引入初始预张力；结构自重很轻，因而可以跨越很大跨度。优点是建筑造型新颖，富于美感，突破了传统的以直线条为主基调的建筑造 型束缚，代之以更加流畅的曲线轮廓 曲线轮廓；充分利用材料强度，结构效率高，经济性明显；施工方便、快捷；结构抗震性能好；一旦结构发生破坏也不会造成重大人员伤亡，一旦结构发
17、生破坏也不会造成重大人员伤亡， 而且便于修复。然而缺点也不容忽视，张力结构材料耐久性有待提高，在使用期间需要定期维护；下部支承构件的材料消耗较大。属风敏感结构，抗风设计问题突出。图 4 独特的索膜结构2 鸟巢的结构分析2.1 鸟巢的结构 鸟巢是一个大跨度的曲线结构，有大量的曲线箱形结构，设计和安装均有很大挑战性，在施工过程中处处离不开科技支持。“鸟巢“采用了当今先进的建筑科技，全部工程共有二三十项技术难题，其中，钢结构是世界上独一无二的。“鸟巢“ 钢结构总重 4.2 万吨，最大跨度 343 米，而且结构相当复杂，其三维扭曲像麻花一样的加工，在建造后的沉降、变形、吊装等问题正在逐步解决，相关施工
18、技术难题还被列为科技部重点攻关 图 5“鸟巢”夜景图项目。 “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。在保持“鸟巢”建筑风格不变的前提下，新设计方案对结构布局、构建截面形式、材料利用率等问题进行了较大幅度的调整与优化。原设计方案中的可开启屋顶被取消，屋顶开口扩大，并通过钢结构的优化大大减少了用钢量，如图 2 所示。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
19、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一剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。整个建筑通过巨型网状结构联系，由结构的组件相互支撑，如图 1 所示图 6“鸟巢”主结构布置图 图 7“鸟巢”看台俯视图2.2 鸟巢的设计理念 “鸟巢”设计之初和深化设计的过程中，一直贯穿着节俭办奥运和可持续发展的理念，在满足奥运使用功能的前提下，充分考虑永久设施和临时设施的平衡。 在此基础上，设计中将“鸟巢”的功能与周围地区日后定位乃至整个城市的中长 远发展规划结合起
20、来考虑。根据已确定的规划方案， “鸟巢”所在的奥林匹克公 园中心区赛后将成为一个集体育竞赛、会议展览、文化娱乐、商务和休闲购物于 一体的市民公共活动中心。作为北京奥运会主体育场， “鸟巢”将成为北京的标 志性建筑之一，在相当长时期内，也将成为参观旅游的热点地区。同时， “鸟巢” 在设计建设中，还在场地和空间的多功能上下了很大功夫，以提高场馆利用效率， 除能够承担开幕、闭幕和体育比赛外，还将满足健身、商务、展览、演出等多种 需求，为成功实施“后奥运开发”奠定坚实基础。很多人都猜想过鸟巢的理念从何而来。但鸟巢的中方总设计师李兴钢却告诉大家，鸟巢的设计“是从内到外的一个设计过程” 。 鸟巢是从一个体
21、育场的核心部分看台开始设计的。李兴钢说：“人们建一个体育场是因为一些人在那儿进行竞技，而另外一些人在周围捧场，我们是基于这样的一个出发点来进行设计的，我们的设计就是一个从内到外的设计。这个内就是看台以及赛场，所以我们设计的看台是碗形的看台。看台的设计是很古典的，它就像古罗马的竞技场一样，蕴涵了比赛和观赛这两种运动场最重要活动的完美的结合。在设计上，也是本着东西高、南北低的布局，为的是便于观赏比赛。” 在把看台和赛场确定下来后，才有了第二步，就是给看台加上外罩。最初设计师确定了一个比较简单、扁平的外罩，但在李兴钢看来，确实有点像中国人眼中的“马桶盖” 。考虑到这一顾虑，设计团队又把原来的方案推倒
22、重来。 “最后我们找到了这样一种编织式的结构，它有点像自行车辐条的编织情况，48 根大梁沿着中间的开口相切，然后向后编织起来。这样鸟巢的设计基本就完成了，一步步按照它的功能逻辑、结构逻辑、美学逻辑，达到一个由内到外的设计结构。并不是开始先看到一个鸟巢，然后决定做一个鸟巢的。 ”如图 37 所示图8“鸟巢”一层平面图 图 9“鸟巢”五层平面图 图 10“鸟巢”东立面图图 11 “鸟巢”西立面图从形式上讲：钢结构形成整体的巨型空间马鞍形钢桁架编织式“鸟巢”结构。 从材料上讲：看台地下 1 层为混凝土结构，地上 7 层为钢筋混凝土框架 ，体育馆的外部为钢结构，体育馆屋顶钢结构上覆盖了双层膜结构。 从
23、结构体系上讲：体育馆的混凝土看台为剪力墙结构。 （是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱，能承担各类荷载引起的内力，并能有效控制结构的水平力，这 种用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构） 。如图 8 和 9 所示 图 12 “鸟巢”看台钢筋混凝土结构 图 13“鸟巢”外形-钢结构图 14 整体结构的主桁架立面展开图图 15“鸟巢”顶部主结构平面图 3 鸟巢设计的独到之处3.1 原方案可开启屋顶的取消 原设计方案中的可开启屋顶被取消，屋顶开口扩大，并通过钢结构的优化大大减少了用钢量。大跨度屋盖支撑在 24 根桁架柱之上，桁架柱间距为 37.96米。主桁架围绕屋盖中间的开口呈放
24、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被截断。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。3.2 Q460 钢材的创新使用搭建“鸟巢”钢结构的 Q460 特殊钢是一种低合金高强度钢，它在受力强度达到 460 兆帕时才会发生塑性变形，这个强度要比一般钢材大，因此生产难度很大。这是国内在建筑结构上首次使用 Q460 规格的钢材，而这次使用的钢板厚度达到 110 毫米，这是前所未有的，在国际标准中，Q460 的最大厚度也只是100 毫米。以前这种钢一般从卢森堡、韩国、日本进口。为了
25、给“鸟巢”提供“合身”的 Q460，从 2004 年 9 月开始，我国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。如今，为“鸟巢”准备的 Q460 钢材已经开始批量生产。2008 年，400 吨自主创新、具有知识产权的国产 Q460 钢材，将撑起“鸟巢”的铁骨钢筋。 3.3 ETFE 膜（乙烯-四氟乙烯共聚物）的优选在“鸟巢”顶部的网架结构处表面还贴上了一层半透明的名为 ETFE 的膜。使用这种膜后，体育场内的光线不是直射进来的，而是通过漫反射，使光线更柔和，由此形成的漫射光还可以解决场内草坪的维护问题；同时这种膜还有为座席遮风挡雨的功能。更为匠心独具的是，让“鸟巢”整
26、个体育场室外地形微微隆起，将很多附属设施置于地形下面，这样就避免了下挖土方的巨大投资。 4 总结鸟巢为 2008 年奥运会树立了一座独特的历史性的标志性建筑，而且在世界建筑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。参与这项创举的中方设计师李兴刚称：“设计不仅回归了体育场的本质,还达到了返瀵归真的效果” 。随着奥运会的发展，奥运主体育馆的建筑设计理念也在不断发展，而鸟巢的设计理念则打破了 20 世纪建筑界流行的夸张风格，回归到体育场的本质上。参考文献 1蓝天.空间结构的十年从中国看世界.第六届空间结构学术会议论文集,广州,19922Makowski Z S. Sp
27、ace structure-A Review of Development in last Decade,Sapce Structure 一 London,19933蔽石麟,姚谏.网壳结构的未来与展望.空间结构(创刊号),19944沈世钊.中国悬索结构的发展.工业建筑,1994(6)5Shen Shizhao. The development of spatial structures in China(Invited Report).IASS Asia-Pacific Conference on Shell and Spatial Structure,Beijing,19666李中立,吴健生.国外膜结构在大跨度结构中的应用与发展趋势.空间结构.1996(3)7蓝天.膜结构的发展及其在中国的应用前景.第八届空间结构学术会议论文集,开封,19978孙晓颖.大跨空间结构之张力结构.哈尔滨工业大学,2013
