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科技支撑 精品工程 一、场馆建筑设计创新 北京为第29届奥运会修建了31个场馆，其中有12个是新建的。杰出的建筑师和工程师们将建筑的科技、艺术和环保三者合一，很多建筑科技水平都获得了新的飞跃。大规模钢结构建筑创新设计、建筑施工新技术与新材料等大量科技新成果打造出的诸多建筑精品，成为奉献给北京奥运的一份厚礼。这一座座集合了实用、科技、美观的现代化体育场馆，以其先进的技术、环保的理念、人文的关怀，牢牢锁定世人的目光。这些建筑精品将成为宝贵的奥运遗产，长久矗立在北京的大地上。
第29届北京奥运会场馆的设计中，设计师们运用了许多先进的理念和技术，设计出结构形式多样的钢结构体系，结构跨度大、造型复杂，其设计和施工是一种极大的挑战。
国家体育场（“鸟巢”）钢结构创新设计国家体育场（“鸟巢”）钢结构顶面呈马鞍形，长轴为330米，短轴为296米，最高点高度为69.2米，最低点高度为40.1米。体育场结构组件相互支撑，交叉布置的主结构与屋面及立面次结构一起形成了新颖独特的“鸟巢”建筑造型。在钢结构设计过程中，采用了大跨度结构温度场计算方法、扭曲构件空间坐标表示法等32项新技术，多数为国内外首创，为中国建筑水平的提高做出了重要贡献。 大跨度结构温度场计算方法
大跨度结构温度场计算方法国家体育场大跨度钢结构的平面尺寸大，温度变化将引起很大的内力和变形，如何计算和分析钢结构因温度变化而产生的变形而导致的内力是关键技术。通过对钢结构所处环境的温度场分析，并以最不利温度场下的钢结构进行了计算，确定了钢结构合龙的最佳温度环境，保证了国家体育场钢结构的安全性。 焊接薄壁箱形构件设计方法为了有效地减少用钢量，在焊接箱形截面构件设计时尽量采用较小的壁厚，但薄壁箱形构件板件的宽厚比较大，在受压时板件容易发生局部失稳。为此，在设计过程中提出了焊接薄壁箱形构件有效截面的计算方法，填补了国内现行钢结构设计规范在薄壁箱形构件设计方面的空白，并为今后《钢结构设计规范》的修订提供了可靠依据。 扭曲构件设计方法国家体育场屋盖肩部次结构扭曲构件受力非常复杂，设计过程中对其受力机理与设计方法进行了深入的研究，并通过试验研究，验证了设计方法的可靠性。 扭曲构件空间坐标表示法针对国家体育场屋盖结构的空间几何构型，提出了一套适合于复杂空间扭曲构件的节点坐标表示法，满足了钢结构详图设计、现场安装定位和检验的要求。 箱形截面桁架节点、桁架柱复杂节点、异型柱脚等复杂节点设计方法研究在国家体育场钢结构设计中，提出了复杂节点的几何构型方法，改善其受力的合理性，提高节点承载力，并指导构件加工。设计中采用的节点安全储备大，多数为国内外首创。 CATIA三维设计软件 国家体育场建筑造型复杂，对构件的空间定位和尺寸精度提出了前所未有的要求，传统的三维设计软件已经无法满足工程的需求。国家体育场设计，在我国建筑工程中首次采用目前功能最为强大的CATIA三维设计软件，成功解决了国家体育场复杂空间结构、扭曲构件与特殊节点等三维建模问题，填补国内空白。 国家游泳中心（“水立方”）钢结构、膜结构创新设计 国家游泳中心有一个别致的名字——“水立方”。这是一个关于水的建筑，“水”是这个建筑的灵魂，“方”来自中国文化“天圆地方”的观念。这个摹写水的建筑，“方”中有着纷繁自由的结构形态，所蕴涵的传统建筑哲学将“水”的优雅与灵动完美地呈现出来。国家游泳中心以独特的设计理念和外形吸引着世人的目光。 国家游泳中心（“水立方”）多面体空间刚架结构 国家游泳中心钢结构几何构成的理论基础是“气泡理论”，首先生成一个比“水立方”建筑大的、改良的多面体阵列，再把这个阵列围绕矢量轴旋转60度，在多面体阵列中切出176.5米×176.5米×29.4米立方体的建筑外形，然后在立方体内挖去比赛厅、热身厅等内部使用空间，这样就形成了建筑的屋面和墙体结构。
国家游泳中心（“水立方”）膜结构设计 国家游泳中心屋顶和墙面由ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）充气气枕构成，并由主体钢结构进行支撑，总面积达10万平方米，是世界上建筑面积最大、功能要求最复杂的膜结构系统。根据不同部位的热工和自然采光要求，屋面和吊顶天花板采用四层膜气枕结构，内外墙面采用三层膜气枕结构，通过渡点涂层实现一定程度的热能和日光控制，既实现了游泳中心室内光热的平衡，又起到隔离、反射光线的作用。ETFE膜材料具有很高的耐用性和抗老化性，使用寿命在30年以上。
图2：ETFE膜材料
国家体育馆钢结构创新设计 国家体育馆是奥运会三大主场馆之一，是目前国内规模最大的室内体育馆，总建筑面积约为8.09万平方米，可容纳观众约2万名。2008年奥运会的体操比赛（不含艺术体操）和手球决赛将在这里举行。
图1 国家体育馆效果图 图2 国家体育馆大跨度双向张弦桁架结构 北京工业大学体育馆钢结构创新设计 2008年北京奥运会羽毛球、艺术体操比赛场馆——北京工业大学体育馆为大跨度的预应力弦支穹顶结构，跨度达93米。钢屋盖的弦支穹顶结构融入预应力体系，使得屋面竖向荷载转为拉力，能够承受设计载荷3.2倍的重量，从而以“轻”取胜，实现了造型与结构的完满统一。
2008年北京奥运会乒乓球比赛场馆——北京大学体育馆的钢屋盖为钢桁架结构，跨度为64米，檐口高21.9米。钢屋盖采用了自平衡的预应力桁架壳体，该壳体由32榀辐射桁架支撑在下部混凝土框架柱顶，辐射桁架的内端的通过标高26.3米，直径26米的菱形受压刚性环连接成整体，进而形成中央网壳的支撑结构。
老山自行车馆巨大的碟型屋顶为自行车赛车手头盔的抽象演绎，凌驾于南北贯穿的群房平台之上，气势恢宏，充分表现出体育建筑特有的性格特点和结构美感。体育馆建筑面积33320平方米，地上分3层，建筑高度为33.80米，赛时可容纳观众6000人。
《绿色奥运建筑评估体系》是我国第一部全面、系统化的绿色建筑评估体系，该成果提出了Q（quality，建筑环境质量和服务水平）L（load，能源资源和环境负荷）评估体系，及在消耗较小L而获得较大Q的建筑“绿色”程度评估方法，填补了我国在绿色建筑评估方面的空白。该系统已经对国家体育馆、国家体育场、奥运村等12个北京奥运场馆进行了评估。 二、建筑施工新技术与新材料 奥运场馆的设计中，设计师们运用了许多先进的理念和技术，给建筑施工提出了技术挑战难题。奥运场馆结构形式非常多样，涵盖了多种钢结构体系，结构跨度大、造型复杂。以国家体育场、国家游泳中心为代表的场馆和相关设施总用钢量就达10万余吨，高水平的设计、大型钢结构的技术细节处理都依靠了大量的施工技术攻关，克服了重大技术安全风险。 国家体育场（“鸟巢”）建筑施工技术
根据国家体育场工程总体进度安排，约16000吨钢结构需要进行冬季焊接施工。为了保证工程的顺利进行，分别对Q345D、Q345GJD两种材质进行了14项负温焊接试验，总结出成套15℃以上负温焊接施工技术，成功解决了国家体育场钢结构大体量、大面积、形式复杂的冬季施工难题，为保证总体工期打下了基础。
国家体育场钢结构因结构跨度大、受力复杂等因素，局部采用100/110mm厚的Q460E-Z35级钢材，该种钢材是目前国内外应用建筑钢结构领域强度级别最高的钢材。鉴于国内外施工单位均无成熟焊接经验可借鉴，通过上百组焊接性试验及热加工试验，总结出一套Q460E-Z35厚板焊接技术，成功指导了国家体育场工程Q460E-Z35厚板焊接施工。这项焊接技术填补了国内外低合金高强钢特厚板焊接领域的空白，达到国际先进水平。
图1-2：国家体育场钢结构温度测量及合拢技术  国家体育场巨型马鞍型空间钢结构的卸载技术
 图3：卸载成功后的钢结构体系完全腾空
国家体育场混凝土结构耐久性100年技术 国家体育场工程设计使用年限100年，对混凝土结构的耐久性要求非常高，对于大体积混凝土裂缝控制和保证混凝土结构的耐久性是一个重要的技术难点。在国内民用建筑领域首次针对混凝土结构高耐久性要求，从耐久性设计、高性能混凝土研制、结构施工以及结构检测评估四方面开展了系统的研究工作，解决了超长、大体积混凝土结构抗裂等技术难题。该项成果达到国际先进水平，满足了国家体育场100年的使用要求。 国家体育场非预应力薄壁预制清水混凝土看台板施工 针对预制看台板为非预应力薄壁构件，造型复杂、观感要求高的特点，从模板设计、抗裂混凝土配制、养护及构件安装等全过程进行研究，确定了看台板台座法生产及立打、反打的混凝土浇筑、浅池蒸汽养护工艺，保证了1.5万块看台板的成型质量，达到清水混凝土效果。
为实现“鸟巢”的建筑效果，国家体育场混凝土结构设计采用了异型结构形式，施工中针对工程斜柱、斜梁及不规则边梁等异型结构，通过模架试验、有限元分析、实体试验柱制作和测试分析等多项研究，研发了斜柱、斜梁专用模架体系，超高混凝土斜柱泵送顶升技术以及高大空间组合脚手架技术等，成功解决了施工难题，并填补了国内外该类施工技术的空白。
“鸟巢”外型奇特，结构、节点复杂，是目前体育场馆中施工难度最大、拥有多项世界顶级施工技术难题的大型钢结构工程。“鸟巢”的钢结构件最大单体重量372吨，在进行构件起吊直立（高度70多米）、吊装就位、高空稳定及安装精度控制均难度极大。经过技术人员在选择吊点和支撑点，吊臂旋转角度、缆绳、配重等的精确计算，研制出12根立柱的吊装实施方案，一次成功完成立柱上部的吊装和与下部的准确对接，保证场馆施工的顺利进行。
图1－2：“鸟巢”钢结构大件吊装施工 国家体育场（“鸟巢”）Q460钢国家体育场钢结构工程首次采用我国自主研制的Q460E-Z35钢材，打破了这种钢材依赖国外进口的历史。Q460E高强度钢既满足了“鸟巢”设计、施工的特殊需要，又大大节约了建设成本，成为我国建筑行业技术创新的亮点工程。 奥运工程用纳米改性涂料 随着我国房地产业、汽车业和装饰装修行业的迅猛发展，室内空气污染问题变得日益严重。采用纳米复合催化净化材料技术（健康钛）开发生产出的纳米改性涂料，具有全面高效、快速祛除甲醛等有害物及抗菌防霉驱虫等功能，已经应用于国家体育场、国家游泳中心、奥林匹克网球中心、奥运工程展示中心、国家大剧院等重点工程。 国家游泳中心（“水立方”）建筑施工技术国家游泳中心钢结构施工技术国家游泳中心钢结构采用“单杆单球小拼、高空散装”的方法进行安装，即在加工厂制作好球形、半球形和相惯节点，以及圆形、方形杆件，在现场安装中先在地面安装平台上将一个杆件和一个节点小拼组合，再在空间散拼定位。通过对结构模型往复加载试验、钢结构工程施工过程模拟分析，以及国内外首次对基于气泡理论的多面体空间刚架结构模型进行抗震试验等进行了科学研究，成果用于指导钢结构施工组织计划的编制，为国家游泳中心钢结构体系的顺利施工提供了科学保障。
 图1：国家游泳中心钢结构施工过程
国家游泳中心ETFE充气气枕加工技术
国家游泳中心的外围护结构采用的乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）膜材料标准宽度为1.5米，为使其达到设计要求，需要通过热熔机将单片ETFE膜焊接形成宽幅膜材，然后通过多层ETFE气枕宽幅膜材边缘焊接。设计中核心的问题是应力水平的控制及内压水平的控制。每个气枕都有充气管道连接，充气的启动和停止可以通过将安装在各立面、屋面和天花气枕内部安装气压传感器连接到中央控制计算机的方式实现。 图1－3 ETFE充气气枕加工过程
钢结构整体滑移施工技术高空累积滑移施工方法，是一种针对高空大跨度钢结构安装的施工方法。首先在地面完成钢桁架的分段组装，然后在高空拼装平台组装成滑移的单元，最后逐步滑移就位。这种施工方法效率高，一次性成功完成钢结构的安装，同时不占用地面空间，可以实现地面、屋架安装同步施工。 五棵松篮球馆钢结构整体滑移五棵松篮球馆的正交空间钢桁架采用高空累积滑移施工方法，利用计算机模拟计算手段对大跨度重型空间钢桁架高空累积滑移过程进行模拟研究，探求最佳施工工艺；同时在关键受力部件设置应力应变监测点，加强对施工过程的监测，保证钢结构施工中构件的应力、应变控制在安全允许范围内。该施工技术是国内首次应用于100米以上跨度的双向正交桁架。
图：五棵松篮球馆高空累积滑移施工过程图 国家体育馆钢结构整体滑移 国家体育馆采用双向张弦空间网格结构，钢屋架的安装采用纵向张拉后携带双向索进行整体滑移的安装技术，使屋顶的钢结构与结构看台板同时施工，提高整个工程在施工过程中的安全性，并对以后体育馆的健康维护起着显著作用，填补了国内空白。
图1－2：国家体育馆钢结构整体滑移技术施工
整体提升安装技术，俗称“拔秆法”，是一种中国比较传统的施工工艺，该工艺的特点就是节约常规资源、效率高，结合高空散拼技术，主要用于整体钢屋架的安装。这一技术在国家会议中心、老山自行车馆、北京科技大学等场馆的施工中发挥了巨大的作用，得到了良好的推广应用。
国际新型ADG模块式脚手架 ADG模块式脚手架是国际主流的脚手架结构形式，具有大跨度、重荷载、异型悬挑的特点，以及施工便捷、环保节能、安全性高的优势。已经应用于国家体育场、国家游泳中心、国家会议中心、北京科技大学、北京航空航天大学等场馆建设脚手架支撑工程。在北京奥运会期间，ADG模块式脚手架将提供近8万席临时看台，同时提供奥运场馆残疾人看台、残疾人坡道、LED大屏幕支撑、摄像机平台、线缆桥架等奥运临时设施工程。 奥运场馆电磁环境测试北京奥组委提出的110千伏变电站用地与奥林匹克会议中心相距55米，其电磁辐射环境比较复杂，可能会产生电磁波辐射干扰通讯设备和电视转播的正常工作的情况。通过对北京市四个变电站进行了模拟测试，为场馆主场管变电站的设计建设提供了准确可靠的测试数据，为场馆和电力系统设施建立提供必要的科学依据。 可再生木塑复合材料 木塑复合材料是通过用塑料和木纤维（或稻壳、麦秸、玉米秆、花生壳等天然纤维）加入少量的化学添加剂和填料，经过专用配混设备加工制成的一种复合材料。木塑复合材料最优秀的特质在于对环境的保护作用和对资源的再生循环利用，可以在许多场合替代塑料和木材，这对木材资源缺乏的我国来说，具有重大的意义。奥林匹克森林公园通过在木平台、百叶窗、廊架、生态廊道、栏杆等处采用木塑复合材料，节省约390方原木材。
图1：木塑复合材料的应用 透水砖 生态沙基透水砖是采用沙漠中的风积沙为原料，经过特殊工艺加工而成的一种新型生态环保材料，具有节能、节水、节地、节材等特点。一块两寸见方的透水砖能吸收1.7千克的水分，雨水直接渗到地下，补充地下水。透水砖已经在奥运村和一些其他奥运场馆的示范性工程中应用，开创了建筑材料史上的国际先例。 展板1个 图1：丰台垒球场的透水砖铺装道路 常温固化纳米自洁玻璃 纳米自洁玻璃是常温常压条件下在玻璃表面喷涂一层透明的纳米级的光催化超亲水薄膜，该薄膜利用紫外光和雨水的作用有效清除积聚在玻璃表面的灰尘污垢，从而使玻璃不再通过传统的人工擦洗方法而达到清洁效果的玻璃。该玻璃已经广泛应用在国家大剧院、北京五棵松体育馆、沈阳百合塔、首都机场新塔台等室外建材表面。
图1原理图 图2：五棵松体育馆 纳米防护液在奥运工程中的应用纳米防护液是一种采用纳米仿生学原理，含有特殊纳米结构物质的水溶性液体，涂覆在石材及玻璃品表面，能自组装成具有荷叶表面结构的涂层，赋予表面防水、防油和防污自洁效果，成功解决了国家体育馆玻璃幕墙和石材清洁养护问题。
奥运工程遥感监测与虚拟仿真技术 利用航天、航空遥感数据，对北京奥运主场馆区工程建设过程中环境、交通、场馆、绿地等焦点问题的改善和变化指标，进行立体的连续观测与年报信息发布，开发了奥运主场馆区工程环境监测虚拟仿真示范系统、具自主版权基于网络的虚拟奥运场景发布与浏览系统。 中巴地球资源卫星数据产品 结合各场馆所在城市的GPS数据，利用中巴地球资源卫星2号（CBERS-02B）搭载的高分辨率相机及CCD相机对奥运场馆及周边地区进行成像；根据中巴地球资源卫星2号轨道特性，结合气象部门的天气预报，安排制定奥运场馆的成像计划，并有针对性地成像，以满足北京奥组委及奥运安保部门的需要。截止目前，已有效地获取了北京、天津、上海等城市全区域数据。
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图：奥运场馆分布示意图
图：奥运场馆分布示意图
图1：“鸟巢”设计图 图2：“鸟巢”设计示意图 
图1：在ANSYS软件平台上开发大跨度结构设计与优化功能 
图1-4：“水立方”应用泡沫理论的设计示意图 
图1：“水立方”ETFE膜铺装
国家体育馆钢屋架的上层采用正交正放的空间桁架结构体系，使屋盖在壳面内、外均有很好的刚度；钢屋盖结构形式为单曲面、双向张拉空间索网，结构形式新颖，双向跨度大，为世界首创。 
图1：大跨度的预应力弦支穹顶结构图2：北京工业大学体育馆
图1：北京大学体育馆设计效果图
图2：钢桁架结构计算模型实体
图1：老山自行车馆设计效果图 
图2：老山自行车馆建成图 
图：“鸟巢”施工过程图 
图1-2：“鸟巢”钢结构负温焊接施工图 
图1：高强Q460厚板
图1：卸载模拟模型图 图2：抽取垫
图1：“鸟巢”看台
图2：混凝土看台板 
图1－2国家体育场异型混凝土结构施工
图1：全球室内环境健康标志 
图1：国家会议中心192米超长大跨度巨型钢桁架整体提升，是目前国内一次整体提升中最长的 
图3：北京科技大学钢屋架整体提升 
图1：北京丰台体育中心奥运垒球场临时看台
图3－4：国家游泳中心内、外膜安装支撑工程
