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自主创新铸就科技奥运
2006年6月9日     点击数:986

                                        京报集团记者 唐铮 周健森

    5月17日10时10分,国家体育场建设工地,构成“鸟巢”的最后一根主桁架柱正式吊装完毕,两台近四十层楼高的吊车把靛青色的钢柱稳稳地放在了底座上。
    距离“鸟巢”一公里之外,“水立方”钢结构工程已于一个月前正式封顶。阳光下,正在喷涂防锈漆的 “水立方”反射着白色柔光,与辉映着钢铁色泽的“鸟巢”交相映衬。一个秀气,一个宏伟。
    依靠着自主创新的力量,以“鸟巢”、“水立方”为代表的奥运场馆建设正在全面、顺利地推进,中国人正在创造奇迹。   
自主创新领跑场馆招标
    “奥运场馆的原始创意虽然大多来自中外联合设计,但他们只给了我们一份初步设计。”北京市“2008”工程建设指挥部顾问万嗣铨说,“从完善设计方案、进行结构计算、再到形成创新的施工工艺和质量标准,所有方面都主要是中国人自主完成的。”
    为了保证科技奥运结出更多自主创新的硕果,从设计方案的招、投标阶段开始,北京就从制度设计上为科研创新留出了一片足够开阔的天空。
    2002年10月,受北京市政府和奥组委授权,北京市规划委员会面向全球公开征集奥运会主体育场的建筑概念设计方案,全球44家著名设计单位报名参加投标。最终,由瑞士赫尔佐格和德梅隆设计公司与中国建筑设计研究院组成的联合体设计完成的“鸟巢”方案脱颖而出。
    三个月之后,由中国建筑工程总公司、澳大利亚PTW公司、澳大利亚ARUP公司组成的联合体设计的“水立方”被确定为国家游泳中心的设计方案。
    椭圆形的“鸟巢”完全由保持钢铁原色的钢结构编织而成,充满阳刚气息,“水立方”则呈现宁静、祥和、诗意的气氛。“鸟巢”将是全世界跨度最大的钢结构建筑,“水立方”的膜结构也堪称世界之最。两座奥运场馆相映成辉。
    奥林匹克公园、五棵松文化体育中心、奥林匹克公园网球中心、奥林匹克公园曲棍球场……11座新建奥运场馆的设计方案陆续敲定。所有方案都是中方独立提出设计方案或是中外公司联合设计,其中中方独立设计7座,中外联合设计4座。
    尽量采用中国人自主设计的场馆方案,或者通过中外联合体共同设计的方式。“自己的场馆自己建”,这正是奥运工程招、投标时的苦心所在,也为日后的自主创新留下了更广阔的挥洒空间。
靠中国人自己的力量
把图纸立起来
    由于设计理念的先进以至“超前”,奥运场馆在施工中有很多难题是独一无二的,在国际上没有现成的参考答案,只有依靠自己的科技创新独立解决。
    “鸟巢”的外罩由不规则的钢结构构件编织而成,里面的混凝土结构与钢结构相互独立,建筑师在混凝土看台和钢结构外罩之间的空间里,设计了很多倾斜的混凝土柱子来支撑建筑。
    如何既保证这些混凝土柱子的结构要求,又能不影响鸟巢的整体美观?
    国内工程师几经论证,一个两全其美的方案诞生了。先像其他混凝土结构一样绑扎好钢筋笼,然后再从上面一节一节套上方钢管,钢管连接好后再在钢管里浇筑混凝土,形成与钢管一体的混凝土柱。这样一来看不到混凝土柱,既安全又美观,却加大了施工难度。
    边长一米的方钢管被连接成120多根长短不同、倾斜角度多样的钢柱,70%以上都是双斜柱——一根柱子在垂直面上扭转两次。最高的钢柱全长21米,横跨体育场一至四层;最倾斜的钢柱和地面的夹角达到59度,钢柱的最大自转角度超过45度……
    要在这些高大倾斜看似杂乱的异型钢管里浇筑混凝土,已经是个不小的挑战。何况钢管内部还密布着钢筋网格——纵向排列着32根钢筋,横向每十厘米一排密集的钢筋。这样密密麻麻的钢筋网,最多只能伸进三根手指。要在里面瓷瓷实实地灌满混凝土并使之与钢管贴密,谈何容易?
    起初,施工单位只能试着从上口往钢管里浇筑,每天从早到晚只能浇筑四五米。国家体育场工程总承包部经过自主研究,提出了一个新方案:混凝土顶升、从钢管底部注入混凝土,由底向上逐步填充。
    这是一个从来没有人用过的方法,结果却非常理想。顶升混凝土不仅进度快,而且质量好,不分层。完工时,比预定的工期缩短了两个月零两天。
    2006年1月20日,这项工艺被命名为“超高矩形钢管永久模板钢筋混凝土斜扭柱施工工艺”,正式向国家知识产权局申请发明专利。这是奥运工程结出的一颗自主创新的成熟果实。
    截止到现在,奥运场馆建设中已经完成了一百多项关键科研课题,涵盖设计、施工的各个领域。 
结构钢材全部
由中国人自己制造
    去年3月12日,一次特殊的会议在北京举行。会议成员是北京市委、市政府领导和宝钢、首钢、鞍钢、武钢和舞钢等国内7家钢铁巨头的老总。
    会议的原因,来自“鸟巢”特殊的结构要求。
    “鸟巢” 结构设计奇特新颖,钢结构最大跨度达到343米。如果使用普通钢材,厚度至少要达到220毫米。这样一来,“鸟巢”钢材重量将超过8万吨。而且钢板太厚,焊接起来更难。
    从工程的实际需求出发,Q460是最好的选择。这是一种低合金高强度钢,比通常的建筑用钢材强度超出一倍。但是,以前这种钢只用在机械方面,如大型挖掘机等,从来没有在建筑中使用过。国内也没有厂家生产,一般从卢森堡、韩国或日本进口。
    “特殊的高强度钢能不能实现国产?办奥运就是要拉动自主创新,填补空白,只要能在国内生产,就坚决不进口!”市委书记刘淇的态度非常坚决。
    “奥运工程什么时候要,我们就什么时候供!”舞钢党委书记顾强圻当场立下了军令状。他说,奥运工程是提升企业科技含量和科研能力的一个好机会,绝对不能放过。
    舞钢的信心来自于事先长达半年的科技攻关。从2004年9月开始,舞钢的科研人员就开始着手研制Q460,并专门为用在建筑结构上的110毫米Q460厚钢板加强了抗震性能和可焊性,得出了适当的合金元素配比,实现了110毫米厚建筑用Q460的突破性国产化。
    2005年7月,为“鸟巢”准备的110毫米厚的Q460开始批量生产。400吨Q460,成为了“鸟巢”钢筋铁骨中最坚硬的一部分。同时,首钢、鞍钢等企业也接下了GJ345D、345C、420C等高强度钢材的生产订单。在奥运工程中,所有钢材全部实现国产。
    大到上万吨的钢材,小到微不足道的一粒沙。在奥运场馆建设中,自主研发的新型材料无处不见。
    仁创集团董事长秦升益蹲在奥运村工地停车场上,拿着一瓶水不断地往地上浇,一瞬间,水消失得无影无踪。
    这不是什么魔法,而是仁创集团生产的生泰沙基透水砖,原材料97%以上来自内蒙古沙漠。沙子被做成了实用美观的方砖,却还保留着沙子吸水渗水的特性。一块两寸见方的透水砖能吸收1.7公斤的水分。
    据秦升益介绍,传统透水砖依靠表面缝隙透水,一旦缝隙被灰尘堵死就失去了效用。沙基透水砖是通过破坏水滴的表面张力来透水,透水性更持久。而且能使雨水直接渗到地下,补充地下水。
    采用沙子作原材料,生泰沙基透水砖开创了建筑材料史上的国际先例。现在,生泰沙基透水砖已经拥有20多项专利技术和30多项专有技术。从下月初开始,丰台垒球场将率先铺上生泰沙基透水砖。沙特阿拉伯、新加坡等国的订单也纷至沓来。
绽放自主创新之花
    在市场竞争中,得“标准”者得天下。自主创新的最高层次,在于以开创性的工作建立为后来者广泛遵循的标准。
    没有专项技术标准,是很多奥运场馆施工时面临的最大问题。奥运场馆使用的钢材超过20种,厚度超过100种。其中,110毫米Q460钢板焊接技术标准,是众多空白中最核心的难点。
    “鸟巢”钢结构动工之前,施工单位对全世界150多个钢铁焊接的大型数据库进行了详细的检索,结果发现根本找不到任何记录。应该预热多久,用什么温度焊接最合适?相关规范全是空白的。
    几个主要奥运场馆的科研人员兵分多路,在100多种钢材之间反复进行可焊性实验。有的北上哈尔滨,实验不同钢材在零下十几摄氏度下的焊接要求;有的埋头在实验室里,测算出了室外一级至五级风下进行焊接的不同技术参数。有的对焊好的钢材进行压展、冲击实验……实验一直持续了五个多月,最终制定出了准确科学的施工质量验收规范。
    厚钢板焊接技术及应用研究,成了奥运工程中又一项重大的自主创新突破。今后在建筑中如果再遇到同类的焊接要求,无论中国还是外国,都可以奉这套标准为圭臬。
    “水立方”的创意来自细胞组织单元的基本排列形式以及水泡、肥皂泡的天然构造。这种在自然界常见的形态从来没有在建筑结构中出现过,作为世界上第一个敢于实现这一结构体系的建筑,“水立方”为国内外建筑界填补了一项项空白。
    从截面上看,“水立方”墙面和屋顶都分为内外三层,9803个球型节点、20870根钢质杆件中,几乎没有一个零件是在空间定位上完全平行的,传统的二维图纸在“水立方”项目上不好用了。
    短短半个月的时间里,中建国际(深圳)设计顾问有限公司联合国内四家顶级研究单位,把“水立方”的所有工件在三维空间上一一标出了坐标。
    30513个工件,91539个坐标值,堆成了两尺多高的施工图纸。作为自主创新成果,《新型多面体空间钢架结构设计理论》填补了世界建筑业上的空白。
    类似的标准不胜枚举。随着奥运工程进度的不断推进,新标准、新工艺相继浮出水面——
    《国家体育场结构设计和施工关键技术研究》,其中包括大跨度结构温度场研究、钢结构复杂节点研究、弯扭构件设计理论研究和复杂焊接薄壁箱形构件设计理论研究等核心技术;
    《国家游泳中心钢结构施工质量验收规定》,补充完善了国家相关技术规范空白;
    《国家游泳中心膜结构技术及施工质量验收标准》,作为国内第一部有关ETFE膜技术及施工的项目标准,填补了国内ETFE膜结构应用的空白……
“走出奥运工地,
个个都能当总工。”
    年轻,是奥运工地科研人员的一个共同标志。
    清早,国家体育场工程总承包部技术部部长杨庆德走进办公室,一路上不断有同事和他打着招呼:“老干部,早啊。”腰间系着一条红腰带的杨庆德笑:“今年本命年,36了,在工程部里得算老头子。”
    奥运场馆的工程技术人员平均年龄在30岁上下。陈蕾,35岁,作为副总工程师统管“水立方”工程的施工技术;封叶剑,29岁,参与了“鸟巢”钢结构施工科技攻关的全过程……为了帮助年轻的技术人员更好地完成攻关,奥科委组织了来自十四个单位的446名专家,为科技奥运出谋划策。
    通过奥运场馆建设的历练,年轻的科技人员幸运地拥有了年龄和经验的双重优势。奥运工程结束之后,他们将带着丰厚的技术创新知识和实践经验,成为国内建筑工程界的骨干和支柱。
    在“鸟巢”总承包部钢结构分部,工程师戴为志向记者展示了一张施工流程图。仅一道焊接的工序,就画满了整整一张对开的大图纸。每一道工序都要经过工程管理者、专家顾问、技术部和焊接工程师的焊接实验、工艺评定和验收评定,全部合格后才能进入实际安装程序。在实际安装之前,要向焊工进行专门的技术交底和强化培训,并按照严格的规范在焊中和焊后进行检查。
    通过这个流程,“鸟巢”的每个工件都能够追溯到钢材的生产厂家、加工地、焊接工和焊接时间,每一条焊缝都能追溯到人。验收一次合格率在99%以上。
    合理的工程流程大大节省了人力支出,“鸟巢”工地的验收一次合格率达到了99%以上。
    “从奥运工地上出去的每个工程技术人员,都绝对有能力当总工。”看着年轻的科技人员,年届花甲的戴为志满意地点了点头。
    人才,是进行技术攻关的关键,是实现自主创新的灵魂。在奥运建设中培养的年轻技术骨干,为日后的科技创新铺就了一条宽阔的道路。  
    截止到2005年年底,北京市已经设立科技攻关计划43项,全方位挖掘自主创新潜力,提升科技含量。
    凭借自主创新的力量,2008年奥运会将成为北京提升自主创新能力、促进科技进步和产业发展,并惠及社会的发展平台。届时的北京将以创新型城市的全新面貌,成为中国高新技术和创新实力的应用和展示窗口。 

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