關(guān)于鳥巢工程設(shè)計(jì)中的物理學(xué)知識(shí)
國(guó)家體育場(chǎng)建筑頂面呈鞍形，長(zhǎng)軸為332.3米，短軸為296.4米，最高點(diǎn)高度為68.5米，最低點(diǎn)高度為42.8米。在保持“鳥巢”建筑風(fēng)格不變的前提下，新設(shè)計(jì)方案對(duì)結(jié)構(gòu)布局、構(gòu)建截面形式、材料利用率等問題進(jìn)行了較大幅度的調(diào)整與優(yōu)化。原設(shè)計(jì)方案中的可開啟屋頂被取消，屋頂開口擴(kuò)大，并通過鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化大大減少了用鋼量。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(xiàn)過于復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)，少量主桁架在內(nèi)環(huán)附近截?cái)�。鋼結(jié)構(gòu)大量采用由鋼板焊接而成的箱形構(gòu)件，交叉布置的主桁架與屋面及立面的次結(jié)構(gòu)一起形成了“鳥巢”的特殊建筑造型。主看臺(tái)部分采用鋼筋混凝土框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系，與大跨度鋼結(jié)構(gòu)完全脫開。
“鳥巢”是2008年北京奧運(yùn)會(huì)主體育場(chǎng)。由2001年普利茨克獎(jiǎng)獲得者赫爾佐格、德梅隆與中國(guó)建筑師合作完成的巨型體育場(chǎng)設(shè)計(jì)，形態(tài)如同孕育生命的“巢”，它更像一個(gè)搖籃，寄托著人類對(duì)未來(lái)的希望。設(shè)計(jì)者們對(duì)這個(gè)國(guó)家體育場(chǎng)沒有做任何多余的處理，只是坦率地把結(jié)構(gòu)暴露在外，因而自然形成了建筑的外觀。
“鳥巢”以巨大的鋼網(wǎng)圍合、覆蓋著9.1萬(wàn)人的體育場(chǎng)；觀光樓梯自然地成為結(jié)構(gòu)的延伸；立柱消失了，均勻受力的網(wǎng)如樹枝般沒有明確的指向，讓人感到每一個(gè)座位都是平等的，置身其中如同回到森林；把陽(yáng)光濾成漫射狀的充氣膜，使體育場(chǎng)告別了日照陰影；整個(gè)地形隆起4米，內(nèi)部作附屬設(shè)施，避免了下挖土方所耗的巨大投資。
鳥巢是一個(gè)大跨度的曲線結(jié)構(gòu)，有大量的曲線箱形結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和安裝均有很大挑戰(zhàn)性，在施工過程中處處離不開科技支持�！傍B巢”采用了當(dāng)今先進(jìn)的.建筑科技，全部工程共有二三十項(xiàng)技術(shù)難題，其中，鋼結(jié)構(gòu)是世界上獨(dú)一無(wú)二的�！傍B巢”鋼結(jié)構(gòu)總重4.2萬(wàn)噸，最大跨度343米，而且結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)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(guān)施工技術(shù)難題還被列為科技部重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目。
說(shuō)起Q460鋼材，大多數(shù)人可能都不了解�！傍B巢”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奇特新穎，而這次搭建它的鋼結(jié)構(gòu)的Q460也有很多獨(dú)到之處：Q460是一種低合金高強(qiáng)度鋼，它在受力強(qiáng)度達(dá)到460兆帕?xí)r才會(huì)發(fā)生塑性變形，這個(gè)強(qiáng)度要比一般鋼材大，因此生產(chǎn)難度很大。這是國(guó)內(nèi)在建筑結(jié)構(gòu)上首次使用Q460規(guī)格的鋼材；而這次使用的鋼板厚度達(dá)到110毫米，是以前絕無(wú)僅有的，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(guó)、日本進(jìn)口。為了給“鳥巢”提供“合身”的Q460，從2004年9月開始，河南舞陽(yáng)特種鋼廠的科研人員開始了長(zhǎng)達(dá)半年多的科技攻關(guān)，前后3次試制終于獲得成功。如今，為“鳥巢”準(zhǔn)備的Q460鋼材已經(jīng)開始批量生產(chǎn)。2008年，400噸自主創(chuàng)新、具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)Q460鋼材，將撐起“鳥巢”的鐵骨鋼筋。
——小鳥筑巢
從東剛果至南非州熱帶稀樹干草原，常常可以見到有一種叫蒼頭燕雀的織布鳥。它們用草和許多不同柔韌度的纖維織成的巢，象一粒粒奇異的果實(shí)一樣懸掛在樹枝上�？棽鉴B選擇結(jié)實(shí)的動(dòng)物毛發(fā)——最常見的是斑馬或羚羊身上的毛，將巢牢牢地系在樹枝上，還用嘴將毛發(fā)纏成總是一個(gè)式樣的結(jié)子作為記號(hào)。這樣的鳥巢能承受在里面棲身的一對(duì)成年雀鳥和幾只幼鳥的全部重量，任憑風(fēng)吹雨打也不會(huì)脫落下來(lái)。
本世紀(jì)初，自然科學(xué)愛好者矣熱恩·瑪雷發(fā)現(xiàn)年輕的雀鳥在筑巢時(shí)并未仿效它們的年長(zhǎng)伙伴。為了排除年輕雀鳥受訓(xùn)的可能，矣熱恩從織布鳥巢取走幾粒卵，把它們偷偷地放到他家哺養(yǎng)的金絲雀的巢里去孵化。當(dāng)雛鳥破殼而出逐漸長(zhǎng)大后，又把它們轉(zhuǎn)移到另一個(gè)特定的地方， 讓它們?cè)谀抢锝Y(jié)成“伴侶”，生兒育女，同時(shí)不讓它們獲得可供筑巢的任何合適材料，而是讓它們直接把卵產(chǎn)在籠底。產(chǎn)下的卵又取走，再讓金絲雀孵化……就這樣反復(fù)試驗(yàn)，使得第四代的織布鳥不僅斷絕了與前輩和自然界的聯(lián)系，而且完全被人工所馴化。
現(xiàn)在，他在鳥籠里放進(jìn)一小撮草，一些纖細(xì)樹枝和纖維物�？棽鉴B就在籠里利用這些材料開始工作。很快，鳥兒就編好了懸掛在籠子里的巢，而且其式樣與它們自由自在的上幾代所營(yíng)造的巢毫無(wú)二致。它們熟諳營(yíng)造技術(shù)，這方面的知識(shí)絕不比它們的曾祖、高祖遜色。它們也懂得用松軟但不夠結(jié)實(shí)的馬的毛墊在籠子底部，而決不會(huì)將它錯(cuò)織到巢壁上。如材料有剩，它們就會(huì)用剩料來(lái)加固巢與籠上樹條的聯(lián)接，用它扎成帶“商標(biāo)”的特別的結(jié)子。
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