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1、国家体育场（鸟巢）施工科技创新与总承包管理北京城建集团国家体育场工程总承包部 李久林国家体育场位于奥林匹克公园中心区南部，为北京2008奥运会的主会场，承担开幕式、闭幕式和田径比赛，奥运会期间可容纳观众9.1万人，其中临时坐席11 000个（赛后拆除）。工程占地面积20.4公顷，总建筑面积约25.8万，檐高69.21m，东西长280m ，南北长333m。体育场建筑呈椭圆的马鞍形，外壳由约4.2万吨钢结构有序编织成“鸟巢”状独特的建筑造型，体育场内部为上、中、下三层碗状看台，看台板为预制混凝土构件，观众座席下为4-7层混凝土框架结构，采用钻孔灌注桩基础。建设单位为国家体育场有限责任公司，设计单位
2、为瑞士赫尔佐格和德梅隆、中国建筑设计研究院、奥雅纳组成的设计联合体，总承包单位为北京城建集团。工程于2003年12月24日开工建设， 2008年6月27日竣工。1工程概况及建造难点国家体育场工程具有技术上挑战性、功能上综合性、管理的上复杂性、时间上的紧迫性等特点。作为一座设施先进、功能齐全、造型特异、科技含量高、充满了时代气息的智能建筑，国家体育场的建造是一个庞大而复杂的系统工程。由于建筑师追求的是浑然天成的鸟巢造型，在这一设计理念的主导下，国家体育场工程由外至内无不体现出“杂乱无序”的结构构造，外围钢结构由巨形弯扭构件编织而成，内部混凝土结构由倾斜、旋转角度各异的斜（扭）柱以及斜梁组成的异形
3、框架结构。将这种特异的设计造型变成建筑实体无疑是一个巨大的技术挑战，建设工期相对于庞大的体量而言十分紧迫。由于体育场为大跨空间结构，基础桩受力巨大且受力机理复杂，存在抗压桩、抗拔桩、抗水平力桩多种形式，质量标准要求很高，桩基施工难度很大；工程地下室外墙设计有200m长弧形墙，体育场基础底板为950m74m片筏基础，不设伸缩缝，钢结构承台砼厚达10m,对于如此超长超厚的现浇混凝土构件，抗裂问题非常突出，工程设计使用年限为100年，耐久性指标要求高；国家体育场混凝土框架结构存在大量异形构件，其中80%的砼柱为斜柱，最大倾斜达60，特别是124根跨3-4层超高斜（扭）柱，最大斜长21米，采用常规模架
4、形式极难实现，其钢筋骨架连接固定、混凝土浇筑难度极大；国家体育场工程各楼层结构外边线极不规则,且存在超长外斜柱、高空空间环梁等复杂的结构形式，采用常规的架体设计无法实现支撑及防护功效；工程14700块清水看台板，规格型号多，质量标准要求高。国家体育场钢结构为巨型空间桁架编织结构，国内外尚无先例，给钢结构施工带来了一系列前所未有的施工技术难题。为实现“鸟巢”独特造型，其肩部主次钢结构均采用无固定线形的空间箱型弯扭构件，总用钢量约14000t。设计只提供了弯扭构件控制点的三维坐标，弯扭构件建模及展平放样、构件加工制作国内外钢结构企业均无成熟经验可借鉴，需开发专用设计软件、加工设备及配套工艺；因结构
5、跨度大、体型复杂，整体安装方案的确定不仅决定钢结构的成败而且对整个工程能否按时竣工具有决定性作用；体型庞大、最重达360t的巨型复杂钢构件吊装其重心确定、吊耳设计、吊装方法等都需要进行针对性研究；42000t钢结构全部采用箱型截面，安装接口达4000个，特别是卸载后进行顶面及肩部次结构安装，如何保证对口质量，存在巨大的技术难题；要在194条件完成128个合拢口的整体合拢，采用何种合拢方式、合拢工艺措施、温度监测，特别是在北京地区8月份完成整体合拢，国内外施工企业均无成熟的经验可借鉴；14000t、6万m2大跨度马鞍型钢屋盖整体分级同步卸载国内外尚无先例，卸载方案的确定、支撑体系设计、卸载系统选
6、择、监控量测等直接决定卸载工作的成败，需要进行针对性研究；鸟巢钢结构为全焊接结构，焊缝长度达30万m，同时存在高强钢厚板焊接、大规模仰焊、低温焊接、多杆件交汇节点焊接等技术难题，如何保证焊接质量难度巨大；如何保证造型复杂、体型庞大鸟巢钢结构的安装精度和建筑效果，需要建立高精度的测量控制网和构件拼装、安装的高精度测控；特别是实时获取已安装构件的接口位形，以指导构件的地面拼装和高空安装，及时消纳各种误差对于保证安装质量和进度具有极为重要的作用，需要研究相应的测控技术。2施工科技创新组织针对鸟巢十分独特的设计而带来的极为复杂的施工技术，北京城建集团国家体育场工程总承包部进行了科技信息查新和检索，积极
7、组织工程技术人员，并联合冶金建筑研究院、中国建筑科学研究院以及清华大学、北京建工学院等科研院校开展科技攻关，进行科研项目的立项，并成立了18个课题组具体负责实施。为了实现对国家体育场工程科技攻关工作进行系统化管理，圆满地完成各级科技立项课题的研究工作，及时、有效地指导工程施工，国家体育工程总承包部统一制订科技攻关计划并下发至各课题组，将项目落实到课题负责人。国家体育场工程施工科技立项情况序号课题名称所属专业子课题名称1国家科技攻关课题国家体育场结构设计与施工的安全关键技术研究钢结构、砼结构(1)灌注桩基础工程施工技术研究；(2)超长结构混凝土裂缝控制技术研究；(3)双斜柱综合施工技术研究；(4
8、)空间弯扭箱型截面构件及多向微扭空间节点的加工制作技术研究；(5)高强钢Q460厚板（100mm）焊接性能试验、焊接工艺技术研究；(6)巨型马鞍型空间钢结构整体卸载技术研究。2国家科技攻关课题北京市科委配套课题国家体育场关键施工技术与安全研究钢结构、砼结构（1）高大空间综合支撑架体研究与应用；（2）超高矩形钢管永久模板钢筋砼斜（扭）柱施工工艺研究；（3）大型钢结构工程质量控制与管理信息系统的研究与开发；（4）国家体育场混凝土结构耐久性（100）年关键技术研究。3国家“十五”重点科技攻关项目建筑业信息化关键技术研究信息化（1）大型建筑安装工程总承包施工管理信息系统；（2）建筑工程多参与方协同施工
9、管理平台；（3）基于IFC标准的建筑工程4D施工管理系统。4北京市科委科研项目课题国家体育场钢结构设计与施工关键技术研究 钢结构、膜结构（1）国家体育场钢结构负温焊接试验研究应用；（2）国家体育场钢结构合拢技术的研究应用；（3）国家体育场钢结构顶面次结构安装技术研究应用；（4）国家体育场膜材及膜结构检验技术研究。508办“三大理念课题”测量（1）钢结构、膜结构施工三维激光测量技术研究与应用。3主要科技创新成果国家体育场施工科技成果鉴定情况序号项目名称完成单位鉴定单位鉴定时间成果水平获奖情况1国家体育场混凝土结构耐久性（100年）关键技术研究北京城建集团中国建筑设计研究院等北京市建委2007年6
10、月1日国际先进水平“国家体育场混凝土结构工程关键技术研究”获2007年北京市科技进步三等奖2国家体育场工程矩形钢管永久模板混凝土斜扭柱施工技术及应用研究北京城建集团等北京市科委2006年3月3日填补国内空白，国际领先水平3国家体育场钢结构工程Q460E-Z35厚板焊接技术及应用研究北京城建集团等北京市科委2006年1月19日填补国内空白，国际先进水平2006年北京市科技进步二等奖4国家体育场大跨度马鞍型钢结构支撑卸载技术研究及应用北京城建集团等北京市建委2007年2月1日填补国内空白，国际先进水平“国家体育场钢结构工程关键施工技术研究与应用”正在申报2008年北京市科技进步奖5国家体育场钢结构
11、工程箱型弯扭构件制作及多向微扭节点制作技术及应用研究北京城建集团等北京市建委2007年2月1日填补国内外空白，国际领先水平6建筑工程多参与方协同工作网络平台系统清华大学北京城建集团教育部2006年1月19日填补国内空白，国际先进水平7基于IFC标准的建筑工程4D施工管理系统清华大学北京城建集团教育部2006年12月15日填补国内空白，国际先进水平8国家体育场施工测量技术研究与实践 北京城建勘测设计院 北京城建集团 北京市建委 2007年12月18日 国际领先 此外，还申请专利13项，已获3项专利授权，2项软件著作权。完成了北京市级工法6项,国家级工法4项，10项新的技术标准，公开发表学术论文1
12、00多篇。针对国家体育场混凝土结构复杂特点，从设计、施工及检测全方位对国家体育场混凝土工程关键技术进行了研究，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，经济、社会效益重大；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；鉴于桩基受力复杂，特别是“鸟巢”钢结构基础承受极大的竖向力、水平力及弯矩，在充分研
13、究的基础上，确定了桩、土、承台共同作用的设计方案。通过24根试桩，取得了单桩承载力特征值、桩端桩侧阻力分布、后压浆效果、地基土水平抗力系数的比例系数m值、水平荷载作用下桩身内力分布状况、桩土承台共同工作效应等参数，为工程桩设计优化和施工质量控制提供了充分依据，保证了工程质量，节省工程造价20%以上；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14700块看台板的成型质量，达到清水混凝土效果。针对国家体育场钢结构工程建设各环节的特点难点，对箱型弯扭
14、构件制作、主体钢结构安装、整体钢结构合拢、安装支撑体系设计施工及其卸载的关键技术、施工测量测控技术、焊接综合技术等方面进行了系统研究，开发出弯扭构件制作的三维建模及展平放样软件。在现有构件加工设备基础上开发出多点无模成形加工设备，并根据设备控制的需求开发出无模成形计算机控制专用软件及无模成形工艺参数；经过方案遴选，确定了分段高空散装方法。通过大型吊机多种吊装工艺解决了异型复杂构件的吊装。针对构件对接口数量多，接口偏差处理难度大，通过仿真计算分析、地面整体拼装工艺、三维激光扫描等技术的应用以及开发了箱型构件对口工艺做法，保证了4000多个构件安装接口质量；研究了钢结构合拢方法、合拢工艺和钢结构本
15、体温度的监测技术，实现了鸟巢128个合拢口的整体合拢；通过仿真对比分析，确定了合理的卸载方案。采用计算机控制液压集群千斤顶实现了14000吨钢结构支撑整体卸载；应用工业三维测量系统集成式精密空间放样和三维激光扫描等先进测量技术，保证了国家体育场钢结构安装精度；通过206项焊接工艺试验，总结出一套高强钢厚板焊接、低温焊接、仰焊、焊接残余应力及变形控制等焊接技术，确保了工程质量。4总承包施工管理国家体育场（鸟巢）采取新型的项目融资模式-PPP模式，即政府与企业联合投资，参与投资的企业负责施工及奥运会后的运营，运营时间30年，然后交给国家。经北京市政府面向全世界公开招标项目法人，由北京城建集团和中信
16、集团、美国金州控股集团组成的中信联合体中标，联合体与北京市政府的出资人北京市国资公司共同组建项目公司“国家体育场有限公司”，该公司股东单位及出资比例为：北京国资公司58%、中信集团4.4%、中信国安岳强22.9%、北京城建12.6%、美国金州集团2.1%。2003年8月5日由相关方正式签定了国家体育场特许经营权等多个协议，同时明确了拥有特级资质的北京城建集团负责施工总承包及全部采购工作。以鸟巢等一批奥运工程的总承包施工为代表，北京城建集团探索了资本运作与施工相结合，以投融资带动工程总承包的新路子。4.1总承包项目管理体系4.2采购与合同管理总承包合同是国家体育场项目采购及合同管理的基础和前提，
17、全部采购及合同管理均围绕总承包合同开展，国家体育场施工总承包合同为固定总价合同形式，除赞助产品/服务和奥组委指定产品/服务以外的全部专业分包和材料设备采购均由总承包单位负责。根据法律法规的规定，依据总承包合同，结合国家体育场工程特点，国家体育场项目采购分为竞争性谈判、市场公开招标、内部比选、直接采购几种方式。根据总价包干的总承包合同特点，总承包部先就采购项目进行了分工，以便于明确采购责任，避免工作中出现扯皮现象，致使供货不及时，延误工期。为了规避造价风险，一般的常规材料由分包单位自行采购；需要集中批量采购的常规材料由总承包部物资部负责采购；对于性能要求高、技术指标非标、需厂家完成深化设计、潜在
18、投标人少、加工周期长的重要材料设备和专业分包项目由总承包部商务部负责采购；总承包合同中列明需联合招标的项目，由总承包部和业主联合招标采购。各采购部门根据分工，制定出项目的采购工作计划。为保证按质、按时、按量完成材料设备供应，计划包括采购项目、采购规格和数量、总包合同中的给定价格、采购方式、招标时间安排、合同签订、生产加工、交货期等。采购工作计划需经过总承包部各部门共同讨论后定稿执行，并根据工程进度计划按期调整。鉴于总承包合同为固定总价形式，为了最大化的规避造价风险，总承包部签订的合同有以下几种形式：对于能够采用固定价格包干的分包项目一律采用固定总价合同形式；对于采购细目明确，但工程量在合同签订
19、时无法确定的采购项目一律采用固定单价合同形式；工程内容和工程量均不具备确定条件的分包项目采用固定费率合同形式。4.3技术质量管理一是严把方案的编制、论证关。组织工程技术人员先后编制完成了国家体育场钢结构工程施工组织设计等106个施工方案，其中对23个重点方案，召开了50余次的专家论证会。同时，制定了钢结构施工测量管理规定、钢结构现场安装管理规定、钢结构现场焊接管理规定、钢结构工程低温焊接技术规定等13项技术、质量管理规定。累计完成钢结构详图13520张，完成焊接工艺评定206项，其中赴哈尔滨完成了14项低温焊接评定。二是严把操作质量关。“鸟巢”工程为全焊接钢结构，焊工的技术水平、人员素质是工程
20、质量的重要基础保证，工程施工前，制定了严格的焊工管理制度和焊工培训考试制度，规定钢结构焊工必须具有冶金、化工、电力、造船、压力容器之一的资格证书，并通过“鸟巢”工程总承包部委托国家冶金焊考委的验证考试，取得“鸟巢”钢结构焊工上岗证方能进入焊接作业。对进行仰焊、立焊及Q460E钢焊接的焊工，又进行了强化培训，累计完成焊工验证考试合格911名，强化培训250名焊工。同时建立了完整的焊缝可追溯性记录，每道焊缝都能够追踪到对应的每一位焊工、焊接时间、质量情况等相应信息。三是严把质量验收关。总承包部会同项目公司、监理公司、共同选定了冶金建筑工程质量监督总站检测中心作为“鸟巢”钢结构第三方探伤单位，由其对
21、工厂构件加工、现场拼装和安装焊接质量进行探伤检测。由检测单位派人驻厂，按比例进行全过程的焊接第三方跟踪探伤检测。按照北京市建委和工程建设指挥部关于加强钢结构试验检测工作的要求，对现场拼装和安装部分，将第三方探伤比例提高到。同时，对于合拢口进行了100的第三方探伤,监督部门还委托北京市检测二所进行了政府监督抽查,抽查比例为20%。“鸟巢”钢结构累计完成焊缝长度达310公里,使用焊材2000吨,自检探伤一次报验合格率达到99.5%以上,第三方探伤合格率达到了100%,确保了焊口质量的可靠性.四是针对部分项目国内没有标准或者现有标准不能满足工程质量验收的需要，根据工程需要编制了钢结构、膜结构、屋面安
22、防、异型金属格栅吊顶、自然面石材铺砌、大口径空调水管道沟槽连接等10项专项质量标准，通过专家论证并在政府主管部门备案，作为工程质量管理和验收的依据。五是通过开展全面质量管理活动实现持续改进，共有13项QC成果获国家和北京市优秀成果。此外，还应用信息化管理工具进行数据挖掘，辅助质量管理。4.4信息化管理4.4.1国家体育场工程总承包信息化管理平台本系统主要是根据总承包部信息化的整体部署建立的、由城建总承包部和中国建筑科学研究院共同研究建设的，通过该平台实现了项目的办公自动化和对施工部分业务内容的网上管理。增强对项目的四控（成本控制、质量控制、安全控制、环境控制）四管（信息管理、合同管理、现场管理
23、、生产要素管理）一协调（协调各方工作）的能力。提高项目管理的能动性，改善总承包单位的管理水平；总承包单位在局域网内建立起自己的应用平台，充分发挥B/S构架的特点，操作人员可以方便快捷的将现场信息录入系统，完成数据的集中化管理；领导可以利用浏览器在任何时间、任何地点对项目进行监控、管理；同时本系统可以和internet相连，使有关人员可以远程登录到本系统进行远程办公；在整个设计过程中充分考虑施工管理的特点，严格遵循软件设计的相应规范，以项目管理中的各项业务为核心内容，以施工过程管理的业务处理为主线，遵循国家施工项目管理规范的要求，达到施工管理的规范化、先进性和实用性。该项目是十五国家重点科技攻关
24、项目建筑业信息化关键技术研究的子课题之一，已经通过建设部验收。4.4.2工程资料协同管理系统ePIMS+是以万维网技术、数据库技术、XML技术为支撑，以工程项目管理各业务应用和决策支持为目标，用于项目多参与方之间的信息化管理系统。该系统是由城建总承包部与清华大学联合研究应用的，系统通过对工程资料的管理和再利用，实现工程项目各参建方之间的协同工作，将工程资料文档、图档和视档进行统一管理，为工程管理人员决策提供信息检索、深度分析和辅助决策。在教育部组织的科技成果专家鉴定会上，专家组认为：该项目填补了国内空白，达到国际先进水平。4.4.3视频监控、红外安防系统建立了一个基本覆盖全部场区和主要出入口的
25、视频监控系统。该系统由13个射象点和两套视频服务器系统组成。13个射象点分别布置于四个场区大门、和工地9个塔吊之上，对现场实现了有效的覆盖。四个布置于场区出入口的摄像机进行车辆和行人出入的监控，采用有线连接至专用的视频服务器，可存储20天的摄像资料，供检索和查询之用；九个塔吊之上布置的摄像机，用于现场安全、文明施工等的监控，采用无线方式，连接至专用的施工监控视频服务器。服务器上可存储15天的摄像资料，供检索和查询之用。摄象系统采用的是模拟系统，视频信号经视频服务器编码处理后，通过通讯电缆连接至总承包部，接入视频服务器，转换成数字码流。视频服务器端具有控制台，可以对各摄象机进行控制，包括镜头的转
26、动、角度、变焦倍数等的控制。视频信号通过数模转换，通过视频服务器系统的处理，进入到总承包信息平台，提供了桌面级的视频监控功能，总承包领导和相关部门可以在终端上对现场情况进行监控，可以对视频信息进行检索，可以对摄像机镜头进行控制。根据现场实际情况，在北部生活区采用红外监控布防350m的长度范围。采用红外监控设备和报警主机，布设8对对射点，有效的覆盖了生活区安全保卫的盲点。当有非法人员进入的时候，红外对射器会及时发现目标，并将信号传递到报警主机，同时打开该部位的报警照明灯。报警主机会将报警信号发送到保卫人员的对讲机上，报警器同时会发出声音警报，保卫人员会迅速到达报警区域；系统预留了与总承包网络系统
27、的接口，可以将报警信号接入到总承包信息平台。4.4.4 4D施工管理系统4D-GCPSU 2006综合应用4D-CAD、工程数据库、人工智能、虚拟现实、网络通讯以及计算机软件集成技术，该系统是由城建总承包部和清华大学联合研究应用的，引入建筑业国际标准IFC（Industry Foundation Classes），通过建立基于IFC的4D施工管理扩展模型4DSMM+（4D Site Management Model+），将建筑物及其施工现场3D模型与施工进度相链接，并与施工资源和场地布置信息集成一体，提供了基于网络环境的4D进度管理、4D资源动态管理、4D施工场地管理和4D施工过程可视化模拟等
28、功能，实现了施工进度、人力、材料、设备、成本和场地布置的4D动态集成管理以及施工过程的4D可视化模拟。遵循IFC标准，系统实现了建筑设计与施工管理的数据交换和共享，可以直接导入设计阶段定义的建筑物三维模型，并用于4D施工管理，在很大程度上减少了数据的重复输入，提高了数据的利用效率，减少了人为产生的信息歧义和错误。为提高施工水平、确保工程质量，提供了科学、有效的管理手段。本系统于2006年11月3日通过了教育部组织的专家鉴定，专家鉴定委员会评价该系统的研制成功和实际应用属国内首创，填补了国内空白，达到了国际先进水平。4.4.5钢结构信息化系统本系统的实施目标为实现国家体育场总承包部钢结构分部在钢
29、结构施工过程中，利用信息化手段实现对施工过程的网络化、流程化、科学化管理，全面提高施工管理水平。通过本系统的实施，实现总承包部对钢结构施工过程从制图、下料到安装、质量验收等的全过程的监控，并通过系统实现各参与方的网上业务协同。5结束语作为2008年奥运会的主会场国家体育场（鸟巢）造型新颖独特、结构复杂。其巨大的施工技术难度和管理复杂程度使科技创新成为决定工程成败的关键。通过近5年的科技攻关和技术创新、管理创新，解决了施工关键技术难题，于2008年6月27日顺利竣工，获得了北京市长城杯金杯和中国建筑钢结构金奖。鸟巢已经过了奥运会开闭幕式和全部47项田径赛事的考验，向世人呈现了精彩绝伦的开闭幕式，产生了15项新的世界纪录和奥运会记录。同时，鸟巢的成功建造也必将推动我国建筑技术水平的提高。