国家体育馆“鸟巢”概念设计.doc

国家体育馆“鸟巢”概念设计 筑巢不是鸟类特有的技能，但鸟类筑巢的工艺，在动物界却是无与伦比的。地球上有8900多种鸟类。繁殖时少则产1卵，多则数10只。孵蛋所需的时间又因种类而异，从10几天到几个月不等。怎么能使这些鸟蛋在孵化中不致滚散，并且免受天敌的残害呢?筑巢!鸟巢是鸟类最安全可靠的“家”，雏鸟最温馨的摇篮。不管哪种鸟，营建一个巢都是一件十分浩大而艰巨的“工程”，要付出含辛茹苦的劳动。燕子、麻雀、喜鹊是人们熟悉的“邻居”，它们常在人类住宅的屋檐下、庭院园林的枝头上筑巢。细心的鸟类学家做过精确的记录，一对灰喜鹊在筑巢的四五天内，共衔取巢材666次，其中枯枝253次，青叶154次，草根123次，牛、羊毛82次，泥团54次。一只美洲金翅雀的鸟巢，干重仅53.2克，但总计竟有753根巢材。不管哪种鸟，他们营造的鸟巢都是不易的，是大自然和生物的共同造化。北京的“鸟巢”是人类集中智慧的体现，是奥运的，是世界的。坐落在奥林匹克公园中央区平缓的坡地上的奥运“鸟巢”，占地面积204公顷，总建筑面积约258万平方米，檐高685米，东西长297米，南北长333米。整个建筑呈椭圆的马鞍形，外壳是由约48万吨钢结构有序编织成独特的“鸟巢”状。体育场内部分为上、中、下三层碗状看台，可容纳观众91万人。场馆设计如同一个巨大的容器，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，体育场的空间效果既具有前所未有的独创性，却又简洁、典雅。体育场的外观为纯粹的结构，立面与结构达到完美的统一。结构的组件相互支撑，形成网络装的构架，其立面、楼梯及屋顶完美有机地融为一体，宛如金属树枝编制而成的巨大鸟巢，一个用树枝般的钢网把一个可容10万人的体育场编织成的一个温馨鸟巢！用来孕育与呵护生命的“巢”，寄托着人类对未来的希望。【2008年北京奥运会主体育场“鸟巢”】 Beijing National Stadium (Birds Nest/Olympic Stadium) 场馆名称：国家体育场(鸟巢)建设地点：奥林匹克公园建筑面积(万)：25.8、座席数：永久座席80000个，临时性座席11000个赛时功能：田径、足球赛后功能：国际国内体育比赛和文化、娱乐活动开工时间：2003.12.24北京2008年奥运会开幕式和闭幕式的体育场馆“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，现已完成20根桁架柱整柱及2根下柱吊装。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。“鸟巢”钢结构成功卸载后，重达吨的钢铁“枝蔓”完全依靠自己的力量支撑起来，这个奥林匹克建筑史上跨度最大的钢铁结构开始独立承重。“鸟巢”这个世界上最大跨度的钢结构建筑，完全依靠自己，而不是外力，支撑起了全部重量。一个建筑史上的世界之最，由此诞生。【设计理念】奥运会不仅吸引着世界上最伟大的运动员创造最好的成绩，而且吸引着世界上最伟大的建筑师创造最伟大的作品，包括世界建筑设计最高奖“普利茨克奖”得主在内的全球许多最具实力的设计团队和最有才华的设计师都参与了这次竞赛。2003年3月18日，最终参与竞赛的全球13家具有丰富经验的著名建筑设计公司及设计联合体，将他们理想中的中国国家体育场的壮丽构想送抵北京。13个设计方案中，境内方案2个、境外方案8个、中外合作方案3个。经决策部门认真研究，“鸟巢”最终被确定为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。整个体育场结构的组件相互支撑，形成网格状的构架，外观看上去就仿若树枝织成的鸟巢，其灰色矿质般的钢网以透明的膜材料覆盖，其中包含着一个土红色的碗状体育场看台。在这里，中国传统文化中镂空的手法、陶瓷的纹路、红色的灿烂与热烈，与现代最先进的钢结构设计完美地相融在一起。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，赋予体育场以不可思议的戏剧性和无与伦比的震撼力。这种均匀而连续的环形也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。在这里，人，真正被赋予中心的地位。【“鸟巢”的基本情况】鸟巢的观众容量为德国世界杯主体育场的1.5倍、雅典奥运会主会场的2倍，它是世界最大的钢结构建筑体育馆。经过一次“瘦身”的鸟巢，取消了可开启屋顶，扩大了屋顶开孔，计划用钢总量约为4.2万吨。91000名观众 人人“平等”地“看”比赛比赛时，看台是可以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20，000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。长340米，宽300米的“鸟巢”内没有立柱，而是一系列辐射式门式钢桁架围绕成的 碗状座席。这些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。细微之处彰显人文关怀据悉，运动员通道的长度、运动员休息室的衣柜，观众厕所坑位的男女比例，媒体工作间里的引水点分布等等问题也都成为了相关部门的研究议题。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。“无论是设计施工还是内部装修，我们的一切出发点都是以人为本，以运动员感受为准、以观众感官出发、以记者的要求衡量。”这是所有“鸟巢”的设计者、建设者们的一个目标。外观设计 以人为本除了“巢”内的以上设施，就连“鸟巢”的外观设计，也充分体现以人为本的思想。“鸟巢”之所以是一个不完全封闭的“鸟巢”，是因为这样的设计既能使自然空气流通，又能为观众和运动员遮风挡雨。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20，000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。滑动式的可开启屋顶是体育场结构中必可少的一部分。当它合上时，体育场将成为一个室内的赛场。如同一个容器的盖子，不管屋顶是闭合还是开启，它都是建筑物的基本组成部分。除了一些特定的结构需要外，可开启屋顶的结构基本上也是一个网络状的架构，装上充气垫后，成为一个防水的壳体。【设计方案的改变】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。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一剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。【“鸟巢”工程建设中技术难题】 2006年底，最后一根5米长的次结构箱型钢构件，身披大红缎花，徐徐进入预定工位。这标志着国家体育场的钢结构安装即将全部完成，“鸟巢”工程实现了完美合龙。在众人欣赏这一工程的同时，“鸟巢”的建设者也向外界披露了他们在建设过程中的种种难题。 “鸟巢”工程难度空前建设中的国家体育场是北京2008奥运会的主会场，奥运会期间可容纳观众9.1万人。工程占地面积20.4公顷，总建筑面积约25.8万平方米，檐高68.5m，东西长297m，南北长333m。体育场建筑呈椭圆的马鞍形，外壳是由约4.8万吨钢结构有序编织成“鸟巢”状的独特建筑造型；体育场内部为上、中、下三层碗状看台。观众坐席下为5-7层混凝土框架结构。由于设计理念凸显“绿色奥运”，“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。施工技术的难点，来源于工程的特点。这个工程与别的工程最大的不同点在于，设计师追求的是杂乱无序、浑然天成的建筑结构造型，只是在图纸上画出了一个造型，甚至是一条条曲线，这种曲线不是用一个数字函数就能够表现出来的，只能采用样条函数曲线去描出来。单就测量来说，难度就很大。传统的经纬仪不行，只能用多台全站仪进行监控。针对“鸟巢”技术难题，14个课题组成立了。各自尽快入题到位。由于科技先行，“鸟巢”施工中的一个个技术难题被破解了，既保证了施工生产的顺利进行，又完成了一大批科技科研项目。“鸟巢”钢材全部国产“鸟巢”这个辐射式旋转而成的梦幻般造型，使得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。 “由于工程本身体量大，是国际上最大的钢结构工程，带来一系列结构难题。”邱德隆，这位1996年毕业于清华大学水利工程系的博士这样说道，“采用什么钢板焊接是个难题。这种钢材在国内还是个空白。必须尽快研制出一种把这些相对立的特性统一起来的特殊钢材，才能破解鸟巢用钢的难题。” “鸟巢”结构设计奇特新颖，钢结构最大跨度达到343米。如果使用普通钢材，受力厚度至少要达到220毫米。这样一来，“鸟巢”钢材重量将超过8万吨。而且钢板太厚，焊接起来更难。 “鸟巢”的科研技术人员，对“鸟巢”的特殊用钢进行专项研究。最终，为舞阳钢铁厂提供了指导性的轧制方案。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。同时，首钢、鞍钢等企业也接下了GJ345D、345C、420C等高强度钢材的生产订单。在奥运工程中，所有钢材全部实现国产。自主研究完成浇筑“鸟巢”的外罩由不规则的钢结构构件编织而成，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建筑。124根钢管柱、228根斜梁、600多根斜柱、112根Y形柱与空间曲形环梁相互交织。如何既保证这些混凝土柱子的结构要求，又能不影响“鸟巢”的整体美观？ 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。这样一来看不到混凝土柱，既安全又美观，却加大了施工难度。 边长一米的方钢管被连接成120多根长短不同、倾斜角度多样的钢柱，70%以上都是双斜柱一根柱子在垂直面上扭转两次。最高的钢柱全长21米，横跨体育场一至四层；最倾斜的钢柱和地面的夹角达到59度，钢柱的最大自转角度超过45度 要在这些高大倾斜看似杂乱的异型钢管里浇筑混凝土，已经是个不小的挑战。何况钢管内部还密布着钢筋网格纵向排列着32根钢筋，横向每10厘米一排密集的箍筋。这样密密麻麻的钢筋网，最多只能伸进三根手指。要按照传统做法，通过振捣棒振捣密实混凝土，谈何容易？起初，工程建设者只能试着从上口往钢管里浇筑，每天从早到晚只能浇筑四五米。国家体育场工程总承包部经过自主研究，提出了一个新方案：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。这是一个从来没有人用过的方法，结果却非常理想。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。天公作美顺利合龙 “鸟巢”主结构上合龙口有100多个，次结构28个。合龙口要求精度非常高。合龙前，需要对接口进行变形分析，并进行处理，满足合龙质量要求。为确保合龙口焊接质量，项目质量人员对每个焊缝都进行探伤检测，保证道道焊缝绝对合格。合龙有一大难点，就是对焊接的温度要求相当高，钢结构合龙温度控制好坏，将直接影响到钢结构的安装安全。经过工程技术人员对北京市百年来气象资料的分析，找到适宜的合龙时间，经过认真计算，确定了194为最佳合龙温度。为确保温度测量准确，工程技术人员在钢结构上设立了60个观测点。合龙计划分三次完成，8月26日凌晨开始第一次从东北到西南方向合龙；8月28日凌晨开始第二次从西北到东南方向合龙；8月30日凌晨开始第三次进行立面次结构合龙。前两次合龙很顺利。 8月30日，全天闷热，晚上6点，开始下起了小雨，这对降低钢梁表面温度有利，工程技术人员紧紧盯着现场上的温度测量数据传送终端。可是雨越下越大，早已等候在作业面上的作业人员有些吃不住劲了。这样的天气，温度降下来了，还能焊接吗？天公就是这样成人之美。到23点30分左右，雨竟然停了，温度正好达到合理温度要求。 零点整，第三次合龙正式开始。午夜，“鸟巢”的上空，焊花闪烁，经过紧张的焊接，钢结构合龙终于在次日凌晨顺利完成。 接下来，“鸟巢”的膜结构、设备安装、太阳能利用等更复杂的施工挑战，也将开始，而这同时也将是“鸟巢”创新的继续。奥运“鸟巢”见证中国胸怀“鸟巢”，这件被誉为“第四代体育馆”的伟大建筑作品，见证的不仅仅是人类21世纪在建筑与人居环境领域的不懈追求，也见证着中国这个东方文明古国不断走向开放的历史进程。满足奥运需求，重视“后奥运开发” 不仅要筑造历史性建筑，而且要体现节俭办奥运理念，为实施“后奥运开发”奠定基础 。评审委员会主席、中国工程院院士关肇邺评价说，这个建筑没有任何多余的处理，一切因其功能而产生形象，建筑形式与结构细部自然统一。评审委员会和许多其他建筑界专家都认为，“鸟巢”将不仅为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。设计并搭建“鸟巢”不易，要让“鸟巢”在未来的日子里充满生机与活力更为不易。据介绍，“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。按照要求，“鸟巢”共设10万个座席，其中8万个是永久性的，另外两万个是奥运会期间临时增加的。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。