大跨結構的經典之作——鳥巢摘要：大跨空間結構是目前發展最快的結構類型。大跨度建筑及作為其核心的空間結構技術的發展狀況是代表一個國家建筑科技水平的重要標志之一。本文要介紹的鳥巢是2008年北京奧運會主體育場，由2001年普利茨克獎獲得者赫爾佐格、德梅隆與中國建筑師李興剛等合作設計完成。其建筑面積達到25.8萬平方米，能同時容納9.1萬人。鳥巢是一個大跨度的曲線結構，主要由巨大的門式鋼架組成，共有24根桁架柱。該結構在設計和構件安裝過程中均應用了當今先進的建筑科技，下面我們主要探討鳥巢的設計方案及其獨到之處。關鍵詞：鳥巢國家體育館大跨結構鋼結構設計方案Theclassicworkofthelong-spanstructure--theBird’sNestAbstract:Asweallknow,thelarge-spanspacestructureisthefastestgrowingstructuretype.Thedevelopmentoflarge-spanbuildingsanditscoretechnology--theSpacestructuretechnologyisoneoftheimportantsymbolsrepresentingthelevelofnationalconstructiontechnology.Themaincontentofthisarticle,Bird'sNestisthe2008BeijingOlympicGamesmainstadium,designedbythe2001PritzkerPrizewinnerHerzog,DeMellonandChinesearchitectLiXingangandotherarchitects.Itcoversaconstructionareaof258,000squaremeters,whichcanaccommodate9.1millionpeople.Thenestisalargespancurvestructure,mainlycomposedofhugegantrysteelframeand24trusscolumnsintotal.Thedesignofthestructureandthecomponentinstallationprocessusemanytoday’sadvancedbuildingtechnology.Andnowwewillmainlydiscussthedesignofthenestanditsuniqueinthefollowingparts.KeyWords:Bird'sNest;NationalGymnasium;thelong-spanstructure;SteelStructure;Design引言：“鳥巢”奇妙的形體結構

鳥巢”是2008年北京奧運會主體育場，它坐落在奧林匹克公園中央平緩的坡地上。高低起伏變化的外觀緩和了建筑的體量感，并賦予它具有震撼力的形體。它的形象完美純凈，外觀即為建筑的結構，立面與結構達到了完美的統一。結構的組件相互支撐，形成了網絡狀的構架，它就像樹枝編織的鳥巢。許多看過“鳥巢”模型的人這樣形容：那是一個用樹枝般的鋼網編織成的溫馨鳥巢！是孕育與呵護生命的“巢”，寄托著人類對未來的希望。整個建筑通過巨型網狀結構聯系，內部沒有一根立柱，看臺是一個完整的沒有任何遮擋的碗狀造型，如同一個巨大的容器。這種均勻而連續的環形將使觀眾獲得最佳的視野，帶動他們的興奮情緒，并激勵運動員向更快、更高、更強沖刺。1大跨結構概述在這實際的三維世界里,任何結構物本質上都是空間性質的,只不過出于簡化設計和建造的目的,人們在許多場合把它們分解成一片片平面結構來進行構造和計算。與此同時,無法進行簡單分解的真正意義上的空間體系也始終沒有停止其自身的發展,而且日益顯示出一般平面結構無法比擬的豐富多彩和創造潛力,體現出大自然的美麗和神奇。空間結構的卓越工作性能不僅僅表現在三維受力,而且還由于它們通過合理的曲面形體來有效抵抗外荷載的作用。當跨度增大時,空間結構就愈能顯示出它們優異的技術經濟性能。事實上,當跨度達到一定程度后,一般平面結構往往已難于成為合理的選擇。從國內外工程實踐來看,大跨度建筑多數采用各種形式的空間結構體系。近二十余年來,各種類型的大跨空間結構在美、日、歐等發達國家發展很快。建筑物的跨度和規模越來越大,目前,尺度達150m以上的超大規模建筑已非個別;結構形式豐富多彩,采用了許多新材料和新技術,發展了許多新的空間結構形式。例如1975年建成的美國新奧爾良“超級彎頂”(suepdrome),直徑207m,長期被認為是世界上最大的球面圖1超級穹頂體育館網殼;現在這一地位已被1993年建成直徑為222m的日本福岡體育館所取代,但后者更著名的特點是它的可開合性:它的球形屋蓋由三塊可旋轉的扇形網殼組成,扇形沿圓周導軌移動,體育館即可呈全封閉、開啟1/3或開啟23/等不同狀態。1983年建成的加拿大卡爾加里體育館采用雙曲拋物面索網屋蓋,其圓形平面直徑135m,它是為1988年冬季奧運會修建的,外形極為美觀,迄今仍是世界上最大的索網結構。70年代以來,由于結構使用織物材料的改進,膜結構或索一膜結構(用索加強的膜結構)獲得了發展,美國建造r許多規模很大的氣承式索。膜結構;1988年東京建成的“后樂園”棒球館,也采用這種結構,技術尤為先進,其近似圓形平面的直徑為204m;美國亞特蘭大為19%年奧運會修建的“佐治亞竅頂”(GeogiaDome,1992年建成)采用新穎的整體張拉式索一膜結構,其準橢圓形平面的輪廓尺寸達192mx24lm[’]。許多宏偉而富有特色的大跨度建筑已成為當地的象征性標志和著名的人文景觀。由于經濟和文化發展的需要,人們還在不斷追求極蓋更大的空間,例如有人設想將整個街區、整個廣場、甚至整個山谷覆蓋起來形成一個可人工控制氣候的人聚環境或休閑環境;為了發掘和保護古代陵墓和重要古跡,也有人設想采用超大跨度結構物將其覆蓋起來形成封閉的環境。目前,某些發達國家正在進行尺度為300m以上的超大跨度空間結構的設計方案探討。可以這樣說,大跨空間結構是最近三十多年來發展最快的結構形式。國際《空間結構》雜志主編馬考夫斯基(z.S.Makowski)說:在60年代“空間結構還被認為是一種興趣但仍屬陌生的非傳統結構,然而今天已被全世界廣泛接受。川ZJ從今天來看,大跨度和超大跨度建筑物及作為其核心的空間結構技術的發展狀況已成為代表一個國家建筑科技水平的重要標志之一。世界各國為大跨度空間結構的發展投人了大量的研究經費。例如,早在20年前,美國土木工程學會曾組織了為期10年的空間結構研究計劃,投人經費1550萬美元。同一時期,西德由斯圖加特大學主持組織了一個“大跨度空間結構綜合研究計劃”,每年研究經費100萬馬克以上。這些研究工作為各國大跨度建筑的蓬勃發展奠定了堅實的理論基礎和技術條件。國際殼體和空間結構學會(IAS)S每年定期舉行年會和各種學工業建筑2001年增刊403慶賀劉錫良教授執教50周年術交流活動,是目前最受歡迎的著名學術團體之一。我國大跨度空間結構的基礎原來比較薄弱,但隨著國家經濟實力的增強和社會發展的需要,近十余年來也取得了比較迅猛的發展。工程實踐的數量較多,空間結構的類型和形式逐漸趨向多樣化,相應的理論研究和設計技術也逐步完善。以北京亞運會(1990)、哈爾濱冬季亞運會(1996)、_上海八運會(1997)的許多體育建筑為代表的一系列大跨空間結構—作為我國建筑科技進步的某種象征,在國內外都取得了一定影響。種種跡象說明,我國雖然尚是一個發展中國家,但由于國大人多,隨著國力的不斷增強,要建造更多更大的體育、休閑、展覽、航空港、機庫等大空間和超大空間建筑物的需求十分旺盛,而且這圖2哈爾濱冰球館種需求量在一定程度上可能超過許多發達國家。這是我國空間結構領域面臨的巨大機遇。但與國際先進水平相比,我國大跨空間結構的發展仍存在一定差距。主要表現在結構形式還比較拘謹,較少大膽創新之作,說明新穎的建筑構思與先進的結構創造之間尚缺乏理想的有機結合,尤其是巧Om以上的超大跨度空間結構的工程實踐還比較少;結構類型相對地集中于網架和網殼結構,懸索結構用得比較少,而一些有巨大前景的新穎結圖3上?！鞍巳f人”體育館構形式如膜結構和索一膜結構、整體張拉結構、可開合結構等在國外已有不少成功的工程實踐,在我國則還處于空白或艱難起步階段。情況看來是,我國空間結構的發展經過十余年來在較為平坦的草原卜的馳騁之后,似一乎遇_L了一個需要努力躍上的新臺階。這一新臺階包含材料和生產條件等技術問題,也包含尚未很好解決的一些理論問題。為促進我國空間結構進一步的更高層次的發展,有待科技工作者和企業家努力創造條件,以求得這些技術問題和理論問題較快較好地解決。大跨空間結構的類型和形式十分豐富多彩,習慣上分為如下這些類型:鋼筋棍凝土薄殼結構;平板網架結構;網殼結構;懸索結構;膜結構和索一膜結構;近年來國外用得較多的“索守頂”(CableDome)實際上也是一種特殊形式的索一膜結構;混合結構(Hybirdsturctuer),通常是柔性構件和剛性構件的聯合應用。在仁述各種空間結構類型中,鋼筋混凝土薄壁結構在50年代后期及60年代前期在我國有所發展,當時建造過一些中等跨度的球面殼、柱面殼、雙曲扁殼和扭殼,在理論研究方面還投入過許多力量,制定了相應的設計規程。但這種結構類型目前應用較少,主要原因可能是施工比較費時費事。平板網架和網殼結構,還包括一些未能單獨歸類的特殊形式,如折板式網架結構、多平面型網架結構、多層多跨框架式網架結構等,總起來可稱為空間網格結構。這類結構來在我國發展很快,且持續不衰。懸索結構、膜結構和索一膜結構等柔性體系均以張力來抵抗外荷載的作用,可總稱為張力結構，這類結構富有發展前景。1.1空間網架結構空間網架（格）結構是由許多桿件根據建筑形體要求，按照一定的規律進布置，通過節點連接組成的一種網狀的三圍桿系結構，它具有三向受力的性能，故也稱三向網架。其各桿件之間相互支撐，具有較好的空間整體性，是一種高次超靜定的空間結構，在節點荷載作用下，各桿件主要承受軸力軸力，因而能夠充分發揮材料強度，結構的技術經濟指標較好?？臻g網架結構的外形可以為平板狀，也可以呈曲線狀。前者稱為平板網架，常簡稱為網架；后者稱為曲面網架或殼形網架結構，常簡稱為網殼。1.2張力結構以現代高強度金屬材料（或復合材料）作為結構主要受力構件，以張力作為構件主要受力形式的一種新型結構體系。）張力的結構的特點是索和膜是結構的主要受力構件；結構建造過程中需要引入初始預張力；結構自重很輕，因而可以跨越很大跨度。優點是建筑造型新穎，富于美感，突破了傳統的以直線條為主基調的建筑造型束縛，代之以更加流暢的曲線輪廓曲線輪廓；充分利用材料強度，結構效率高，經濟性明顯；施工方便、快捷；結構抗震性能好；一旦結構發生破壞也不會造成重大人員傷亡，一旦結構發生破壞也不會造成重大人員傷亡，而且便于修復。然而缺點也不容忽視，張力結構材料耐久性有待提高，在使用期間需要定期維護；下部支承構件的材料消耗較大。屬風敏感結構，抗風設計問題突出。圖4獨特的索膜結構2鳥巢的結構分析2.1鳥巢的結構鳥巢是一個大跨度的曲線結構，有大量的曲線箱形結構，設計和安裝均有很大挑戰性，在施工過程中處處離不開科技支持。"鳥巢"采用了當今先進的建筑科技，全部工程共有二三十項技術難題，其中，鋼結構是世界上獨一無二的。"鳥巢"鋼結構總重4.2萬噸，最大跨度343米，而且結構相當復雜，其三維扭曲像麻花一樣的加工，在建造后的沉降、變形、吊裝等問題正在逐步解決，相關施工技術難題還被列為科技部重點攻關圖5“鳥巢”夜景圖項目?！傍B巢”外形結構主要由巨大的門式鋼架組成，共有24根桁架柱。國家體育場建筑頂面呈鞍形，長軸為332.3米，短軸為296.4米，最高點高度為68.5米，最低點高度為42.8米。在保持“鳥巢”建筑風格不變的前提下，新設計方案對結構布局、構建截面形式、材料利用率等問題進行了較大幅度的調整與優化。原設計方案中的可開啟屋頂被取消，屋頂開口擴大，并通過鋼結構的優化大大減少了用鋼量，如圖2所示。大跨度屋蓋支撐在24根桁架柱之上，柱距為37.96米。主桁架圍繞屋蓋中間的開口放射形布置，有22榀主桁架直通或接近直通。為了避免出現過于復雜的節點，少量主桁架在內環附近截斷。鋼結構大量采用由鋼板焊接而成的箱形構件，交叉布置的主桁架與屋面及立面的次結構一起形成了“鳥巢”的特殊建筑造型。主看臺部分采用鋼筋混凝土框架一剪力墻結構體系，與大跨度鋼結構完全脫開。整個建筑通過巨型網狀結構聯系，由結構的組件相互支撐，如圖1所示圖6“鳥巢”主結構布置圖圖7“鳥巢”看臺俯視圖2.2鳥巢的設計理念“鳥巢”設計之初和深化設計的過程中，一直貫穿著節儉辦奧運和可持續發展的理念，在滿足奧運使用功能的前提下，充分考慮永久設施和臨時設施的平衡。

在此基礎上，設計中將“鳥巢”的功能與周圍地區日后定位乃至整個城市的中長

遠發展規劃結合起來考慮。根據已確定的規劃方案，“鳥巢”所在的奧林匹克公

園中心區賽后將成為一個集體育競賽、會議展覽、文化娛樂、商務和休閑購物于

一體的市民公共活動中心。作為北京奧運會主體育場，“鳥巢”將成為北京的標

志性建筑之一，在相當長時期內，也將成為參觀旅游的熱點地區。同時，“鳥巢”

在設計建設中，還在場地和空間的多功能上下了很大功夫，以提高場館利用效率，

除能夠承擔開幕、閉幕和體育比賽外，還將滿足健身、商務、展覽、演出等多種

需求，為成功實施“后奧運開發”奠定堅實基礎。很多人都猜想過鳥巢的理念從何而來。但鳥巢的中方總設計師李興鋼卻告訴大家，鳥巢的設計“是從內到外的一個設計過程”。

鳥巢是從一個體育場的核心部分———看臺———開始設計的。李興鋼說：“人們建一個體育場是因為一些人在那兒進行競技，而另外一些人在周圍捧場，我們是基于這樣的一個出發點來進行設計的，我們的設計就是一個從內到外的設計。這個‘內’就是看臺以及賽場，所以我們設計的看臺是碗形的看臺?？磁_的設計是很古典的，它就像古羅馬的競技場一樣，蘊涵了比賽和觀賽這兩種運動場最重要活動的完美的結合。在設計上，也是本著東西高、南北低的布局，為的是便于觀賞比賽?！?/p>

在把看臺和賽場確定下來后，才有了第二步，就是給看臺加上外罩。最初設計師確定了一個比較簡單、扁平的外罩，但在李興鋼看來，確實有點像中國人眼中的“馬桶蓋”。考慮到這一顧慮，設計團隊又把原來的方案推倒重來?！白詈笪覀冋业搅诉@樣一種編織式的結構，它有點像自行車輻條的編織情況，48根大梁沿著中間的開口相切，然后向后編織起來。這樣鳥巢的設計基本就完成了，一步步按照它的功能邏輯、結構邏輯、美學邏輯，達到一個由內到外的設計結構。并不是開始先看到一個鳥巢，然后決定做一個鳥巢的。”如圖3~7所示圖8“鳥巢”一層平面圖圖9“鳥巢”五層平面圖圖10“鳥巢”東立面圖圖11“鳥巢”西立面圖從形式上講：鋼結構形成整體的巨型空間馬鞍形鋼桁架編織式“鳥巢”結構。

從材料上講：看臺地下1層為混凝土結構，地上7層為鋼筋混凝土框架

，體育館的外部為鋼結構，體育館屋頂鋼結構上覆蓋了雙層膜結構。

從結構體系上講：體育館的混凝土看臺為剪力墻結構。（是用鋼筋混凝土墻板來代替框架結構中的梁柱，能承擔各類荷載引起的內力，并能有效控制結構的水平力，這

種用鋼筋混凝土墻板來承受豎向和水平力的結構稱為剪力墻結構）。如圖8和9所示

圖12

“鳥巢”看臺—鋼筋混凝土結構圖13“鳥巢”外形--鋼結構圖14整體結構的主桁架立面展開圖圖15“鳥巢”頂部主結構平面圖3鳥巢設計的獨到之處3.1原方案可開啟屋頂的取消原設計方案中的可開啟屋頂被取消，屋頂開口擴大，并通過鋼結構的優化大大減少了用鋼量。大跨度屋蓋支撐在24根桁架柱之上，桁架柱間距為37.96米。主桁架圍繞屋蓋中間的開口呈放射形布置，有22榀主桁架直通或接近直通。為了避免出現過于復雜的節點，少量主桁架在內環附近被截斷。鋼結構大量采用由鋼板焊接而成的箱形構件，交叉布置的主桁架與屋面及立面的次結構一起形成了“鳥巢”的特殊建筑造型。3.2Q460鋼材的創新使用搭建“鳥巢”鋼結構的Q460特殊鋼是一種低合金高強度鋼，它在受力強度達到460兆帕時才會發生塑性變形，這個強度要比一般鋼材大，因此生產難度很大。這是國內在建筑結構上首次使用Q460規格的鋼材，而這次使用的鋼板厚度達到110毫米，這是前所未有的，在國際標準中，Q460的最大厚度也只是100毫米。以前這種鋼一般從盧森堡、韓國、日本進口。為了給“鳥巢”提供“合身”的Q460，從2004年9月開始，我國科研人員開始了長達半年多的科技攻關，前后3次試制，終于獲得成功。如今，為“鳥巢”準備的Q460鋼材已經開始批量生產。2008年，400噸自主創新、具有知識產權的國產Q460鋼材，將撐起“鳥巢”的鐵骨鋼筋。3.3ETFE膜（乙烯-四氟乙烯共聚物）的優選在“鳥巢”頂部的網架結構處表面還貼上了一層半透明的名為ETFE的膜。使用這種膜后，體育場內的光線不是直射進來的，而是通過漫反射，使光線更柔和，由此形成的漫射光還可以解決場內草坪的維護問題；同時這種膜還有為座席遮風擋雨的功能。更為匠心獨具的是，讓“鳥巢”整個體育場室外地形微微隆起，將很多附屬設施置于地形下面，這樣就避免了下挖土方的巨大投資。4總結鳥巢為2008年奧運會樹立了一座獨特的歷史性的標志性建筑，而且在世界建筑史上也將具有開創性意義，將為21世紀的中國和世界建筑發展提供歷史見證。參與這項創舉的中方設計師李興剛稱：“設計不僅回歸了體育場的本質,還達到了返瀵歸真的效果”。隨著奧運會的發展，奧運主體育館的建筑設計理念也在不斷發展，而鳥巢的設計理念則打破了20世紀建筑界流行的夸張風格，回歸到體育場的本質上。參考文獻

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