鸟巢：三大奥运理念的结晶
2022年北京冬季奥运会正在积极筹办之中，鸟巢将承担冬奥会开闭幕式，鸟巢又一次映入大家的视野，鸟巢都有哪些科技亮点？鸟巢的科技创新又如何体现了当年承办时向国际奥委会作出的奥运三大理念呢？我作为当年全程参与鸟巢工程建设负责设计和技术管理工作的参与者，回想当年的创新之路，有必要再一次展现给世人鸟巢的科技创新亮点，让这个代表当代中国国家发展水平和中国建筑技术发展水平的鸟巢在冬奥的筹办中再一次成为世人的关注焦点。
如果说水立方（国家游泳中心）是仪态万方的水，那么鸟巢（国家体育场简称，下同）就是一团激情的火。从远处看鸟巢，让人感到她是一个孕育生命的载体，充满了生命力。它将与水立方在北京市中轴线北端的两侧形成一圆一方，一动一静，一刚一柔，一火一冰的均衡对称，成为迎接奥运会的第一大标志性建筑，在2008年奥运会期同，鸟巢承担了开幕式、闭幕式、田径比赛、男子足球决赛等主要赛事活动。
鸟巢与水立方
绿色奥运、科技奥运、人文奥运这三大奥运理念是北京市政府申办2008年夏季奥运会的时候向世界所做的承诺，体现在筹办奥运会的方方面面，在鸟巢项目建设方方面面实现了奥运三大理念。在国家体育场工程奥运设计大纲中有落实三大理念的相关设计内容，在工程实施过程中又进一步提出了相关要求，在新理念、新材料、新技术、新施工方法等方面来落实三大理念。在鸟巢的建设中，无处不存在着科技创新，以科技创新实现绿色奥运、人文奥运、科技奥运三大理念。
科技创新诠释科技奥运
国家体育场规划占地面积是20.4万平方米，建筑面积是25.8万平方米，观众坐席共9.1万个，其中永久坐席是8万个，临时坐席1.1万个，设计使用年限为100年。国家体育场造型呈双曲面马鞍形，东西向结构高度为69.2米，南北向结构高度为40.1米，钢结构最大跨度长轴333米，短轴297米、由24榀门式桁架围绕体育场内部碗状看台旋转而成。钢结构组件相互支撑，形成网格状构架，组成体育场整个的“鸟巢”造型。整个鸟巢是大跨度的钢结构、大量采用由钢板焊接而成的箱型结构。看起来是杂乱无章，但实际上结构体系是很有规律的。
24榀主桁架
针对鸟巢钢结构工程技术含量高、挑战性强、施工难度大的特点，确立了7项科技攻关课题。鸟巢由于主体钢结构规模大，在受力最大的柱脚需要一种特种高性能钢材，这种特殊钢就是Q460-Z35，厚度达到110毫米，国内在民用钢结构建筑上还是第一次应用，为特殊研制。河南舞阳钢铁厂的科研人员经过2个月的攻关就拿出了样品，经北京市科委组织的专家鉴定，可以应用于鸟巢钢结构建筑上。这一技术填补了国内建筑钢结构设计规范中此种材料强度取值的空白，达到了国际先进水平，为今后在国内大型建筑和国防工业领域的应用开辟了新路。
采用传统成型工艺创新及有针对性研制的多点无模成型技术在鸟巢钢构件弯扭型钢箱梁构件加工中的应用、有效解决了鸟巢钢结构扭曲钢构件加工工艺和技术精度难题，成为鸟巢钢结构制作技术创新的一大亮点，也是国内首次应用，填补了复杂钢构件制作的空白。针对鸟巢钢结构工程为全焊接结构，焊接是施工主线的特点，同时又使用了Q460-Z35等国内从未生产过的高强钢等情况，组织各参建单位采取内外结合联合攻关，组织完成焊接工艺评定206项，其成果覆盖了国家体育场焊接工程中的所有材质、板厚、焊接方法、焊接位置和焊接环境，为钢结构的施工焊接提供了准确的工艺参数，为确保钢结构施工质量和按期完工起到了重要作用。
弯扭构件制作
另外在异性钢结构构件的设计方法、大体量钢结构温度场分析方法、复杂多杆件节点性能研究等都是国内首次应用，经过大量试验及分析经过专家论证，确保了钢结构设计的可实现性，保障了鸟巢的顺利建设。除了在钢结构领域创新攻关诸多课题外，在其他各专业也有很多科技创新亮点。
钢结构立面安装
节能环保体现绿色奥运
在鸟巢的建设和以后的运营中，通过选择先进可行的环保技术和环保建材来体现绿色奥运。在节省能源和资源、固体废弃物处理、保护热能和回收热能，利用太阳能、节水技术等方面实现绿色奥运。在施工和运营上，对污染源有效地进行控制，在运营管理体系建立的基础上，要通过功能和性能的改变，降低功能成本，达到绿色环保的要求，在空气的处理上，通过相关的设计软件，使体育场内达到自然通风，充分利用自然通风来减少能源的使用。由于鸟巢建筑造型的需要，不能设计很多光能板，为了充分利用太阳能源，体育场设计了光电系统，把太阳能变成电能，用于安检系统的光源，共设计了130千瓦的太阳能光电系统。”
为了充分利用可再生能源，鸟巢设计的雨洪利用系统成为节约能源的亮点工程。该系统利用分布在鸟巢钢结构屋面和地面草坪等处的近千个雨水收集口将雨水收集起来，通过电脑控制的管道网络进入地下蓄水池，经过过滤净化后再次利用。包括体育场内、场外6个蓄水池的雨洪利用系统年处理雨水能力为5.8万吨。如果遇到大雨，鸟巢膜结构上的积水将沿着天沟，有序地排到隐藏在钢结构桁架中的120个大水槽里，这时再利用已经安装好的虹吸排水系统，让雨水通过40多根预先藏到钢梁里的雨水立管流进排水柱，再进入地下蓄水池过滤净化后再次利用。这些雨水将被用于景观灌溉，冲厕、道路清洗等九大方面。
雨虹利用系统
另外，地源热泵冷热源系统也是鸟巢充分利用可再生能源的亮点。在体育场建设时，利用场地中间面积约为8000平方米的足球场草皮下130米深的土壤资源，为国家体育场的冬季采暖和夏季制冷提供了空调系统的冷热源，节约了常规能源，该系统采用2台螺杆机，每台制冷量750KW.刮热量940KW，补充了冬季供暖和夏季制冷的能源问题。
以人为本落实人文奥运
在鸟巢的建设中，充分考虑了各类人员的需求，不仅包括普通观众、运动员，媒体记者，还有残疾人和有行动障碍人员的要求，总体上，既要符合中国人的习惯，还要相应符合国际上的情况。
针对特殊人群，鸟巢设置了助听器及比赛解说无线广播系统。对于运动员，入场的时候不能与观众进行交叉，要有独立通道，同时还要考虑运动员接受媒体的采访，并可方便地接受兴奋剂检测。奥运会要开好，媒体是关键。对于媒体，要有专用的通道，有很好的工作环境，网络信号、基础设施等办公条件都要考虑。以卫生间为例，国内国外在男女卫生间的比例上有不同的要求，标准不一致，要综合考虑设置男女卫生间的数量比例，还有蹲坑和站坑的比例等。
设想一下，2008年的8月，天气炎热，9.1万人坐在一个体育场里看比赛，怎么能增加其舒适度? 经过多次论证，采用流体力学设计中CFD模拟方法，对“鸟巢”的观众席进行了热舒适度，风舒适度的模拟分析。精确模拟出“鸟巢”的钢结构和膜结构，模拟出9.1万人同时观赛时的场内自然通风状况，并计算出不同区域的观众能感受到的温度和湿度气流速度，优化“鸟巢”所有的通风设施，无论观众坐在上层看台还是下层看台，普通座位还是VIP席，都能享受到自然光和自然风，都有较好的温度湿度，达到较好的舒适度。
另外，国家体育场的观众席等处充分利用自然通风和自然采光，尽量减少人工的机械通风和人工光源。鸟巢屋顶部还铺设了11万平方米的ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）膜和PTFE（聚四氟乙烯）膜，外层是用来挡雨的ETFE膜，ETFE膜下12米的位置，铺设用于吸音和吊顶双层作用的PTFE膜，PTFE是吸声膜材，能起到声学吊顶的作用，配合钢结构屋顶上设置的一些吸声材料，以及场内布置的电声扩音系统，使“鸟巢”内部的语音清晰度指标达到0.6，这个数字完全能保证坐在任何角落的观众都能清晰地收听到场内广播。
鸟巢膜结构
“鸟巢”的看台，设计得像个边缘高低起伏的“碗”，是环抱着赛场的收拢结构，而且上下层看台之间有一部分交错。这样一来，无论观众坐在“鸟巢”的哪个位置，和比赛场地中心点之间的视线距离都在140米左右，保证有最好的视线。
鸟巢无处不体现科技亮点，相信到2022年鸟巢将会再次以全新的姿态迎接八方来客，展现中国的科技成果。
“9.1万人8分钟疏散”：
问：在比赛时下雨了怎么办？
袁泉：我们屋顶的两层膜结构设计就是为了观众在场内不被淋雨，是完全能够覆盖住的，屋顶雨水通过钢结构屋面有序组织通过排水系统有序排下去。能够保证观众席淋不到雨。
问：刚开始设计的时候鸟巢屋顶上面有一个活动屋盖，这个盖子为什么取消了呢？
袁泉：概念设计的时候要求鸟巢有一个活动的屋盖，2004年为了响应节俭办奥运的号召，也为了减少屋顶重量，钢结构做了设计优化。主要涉及去掉开启式屋盖，并将中间的开口扩大，活动屋盖盖子原来设计是需要7000吨钢结构，为了减少钢材节约办奥运，后来就取消了。
问：如果北京发生地震鸟巢会受影响吗？
袁泉：鸟巢在结构设计的时候已经考虑了，结构设计是按八级烈度设防设计的，就是说地震大震不倒、中震不坏、小震没事儿。
问：九万多人参加的大型体育活动遇到突发情况如何疏散人群呢？
袁泉：9.1万观众分为三层看台。每层看台都是独立的，遇到紧急情况下，理论上八分钟就能够全部疏散观众，这是经过模拟的，现在大家如果有机会在鸟巢观看大型比赛或者演出，结束的时候大家可以观察到，我们实际上也观察到确实在确实在八分钟之内，观众大部分人已经疏散完毕。
鸟巢疏散分析
问：鸟巢最大的特点在哪里？建成之后最能吸引世人眼球的特点在哪里？
袁泉：一是最具特点最有亮点的地方的建筑造型是独一无二的，建设期间所有国外知名人士访问北京，一定都要到鸟巢参观访问。第二是功能上有很多亮点，比如太阳能，地源热泵技术，比以往的奥运会主会场优越很多，像鸟巢的特殊结构，在场内会给人民很壮观的感觉会留下很深刻的印象。
问：2008年奥运会之后，鸟巢的使用规划是什么？
袁泉：关于赛后运营，在建设之初就考虑了赛后的运营问题。我想大家也能看到奥运会后十多年鸟巢不断的举办有一些大型的活动，赛后运营已经在国内和国际上有了很高的荣誉，就是说奥运会后的我们的场馆没有浪费，赛后运营做的非常好，得到国际上很多同行的认可。
鸟巢演唱会
鸟巢版图兰朵
意大利杯
文章来源：袁泉
袁泉简介：教授级高级工程师，国家一级注册结构工程师，原国家体育场（鸟巢）有限责任公司副总经理，中国钢结构协会专家委员会委员，中国钢混凝土组合结构协会常务理事，建筑专业委员会副主任委员，北京市评标专家。
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