奥运十年|亲历者讲述水立方建设经历的九曲十八弯(中)

2018-04-02 16:46 千龙网

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【编者按】

2018年8月8日,是北京奥运会成功举办10周年纪念日。10年来,北京2008年奥运会对中国的经济和人民的生产、生活带来的巨大影响仍在继续。从今日开始,“奥运十年”栏目将不定期与您见面,让我们和奥运人一同回望北京奥运的光辉岁月,眺望冬奥,只为宝贵的北京2008奥运精神得以延续。

文、图|夏波光 顾静 

从2003年12月24日到2008年1月28日,1000多个日日夜夜,见证了水立方这个传奇从无到有的过程。人们见到的是美轮美奂的梦幻场馆,见不到的却是无数为之付诸心血的团队和建设、设计者。4年的工期里,一个又一个难题被攻克,一道又一道阻碍被克服,留下了一个让所有人为之惊叹的“水的传奇”。

初步建成的水立方

“差钱”的膜工程招标

“这种膜白天的效果如何?会不会像塑料大棚?如何维护?你们有没有宏观的、白天的效果图?”

2003年7月15日,北京民族饭店11层会议室,国家游泳中心建筑设计方案技术专家论证会。国资公司董事长李爱庆一连串关于膜结构的问题让水立方的中方总设计师赵小钧印象深刻。10年时间过去了,当赵小钧惬意地在悉地国际上海总部讲起这件往事的时候,憨厚地笑了:“李董事长有句话我记得非常清楚:建筑的实际效果非常重要,设计方应高度重视,这不是一个简单问题,而是一个政治问题。”

受访者赵小钧。2013年夏天,赵小钧在他上海的公司总部接受笔者采访

自20世纪80年代以来,采用PTFE和PVC的膜结构在我国得到迅猛发展,其技术已经非常成熟。但在2003年海南的设计方案评审时,被称为“四氟乙烯共聚物”的“ETFE”的膜建筑材料第一次闯入很多人的视野。不论是评审的专家,还是业主国资公司普遍存在怀疑:围护材料ETFE在白天时的效果到底会怎样?这种像塑料似的东西能否成为建筑的承重和维护构件?它的造价究竟是多少?

膜结构真正安装好后,让很多人长长地舒了一口气

ETFE作为特殊材料最初投入应用的时候是一种航空材料,后来才被慕尼黑的安联球场和英国的伊甸园采用作为建筑材料。虽然它的厚度很薄,但ETFE膜具有很好的延展性和抗压性,1米长的膜可被拉伸至3.5米长,熔点高达275摄氏度,即使用火去烧都不会燃烧,另外由于“ETFE”膜本身的摩擦系数很小,灰尘、污垢在这滑溜溜的表面上根本“站不住脚”,即使沾上灰尘,自然降水也足以使之清洁如新。耐腐蚀性、保温性俱佳、自清洁能力强的多重特点使ETFE薄膜拥有“塑料王”的美誉。

阳光照射下,水立方独特的钢膜外围护结构美轮美奂

尽管拥有诸多优点,但是在世界范围内也没有一个完全封闭的大型膜结构建筑,特别是在国内ETFE薄膜的使用尚属首次,专家论证水立方方案的时候,很多时间都是针对膜结构的。中国工程院院士、2008年奥运场馆建设工程指挥部顾问沈世钊回忆当时的专家论证会时候说:“当时一共有十个方案,大家讨论的最多的是这个水立方的方案,觉得本身很有特点,又能和鸟巢相呼应,能成为奥运会留给北京的一批有特点的建筑遗产。但是关于膜结构的应用大家当时也比较担忧,讨论的比较多。用膜结构作为维护部分效果很好,透光又保温,但是要想有一个很好的效果,就要对膜结构进行充气,但是经过一段时间就瘪了,因此需要定期加气。这个气怎么打是一个需要前置考虑的。”其实专家担忧的只是水立方建设者们遇到的众多问题之一,水立方是世界上规模最大的膜结构工程,也是惟一一个完全由膜结构进行全封闭的大型公共建筑。可以说,水立方幕墙工程是目前世界上技术难度最大、最复杂的膜结构工程项目。

“在膜结构诞生的欧洲,已经有了27年膜结构历史。欧洲有超过600个建筑都用了这种材料,可以说首次尝试膜结构的中国人,就挑战了这个世界上最复杂的结构。”参与水立方膜结构工程的杨艳博士如是说。

2003年11月21日,北京市国资公司成立ETFE攻关小组。2003年11月24日,发出国家游泳中心ETFE第一次调查问卷。问卷涵盖了技术和商务问题。

“水立方的这个方案中标之后,国资公司开始着手研究ETFE,从2003年年底开始,我们去了很多地方考察,包括已经使用了充气膜结构的英国伊甸园植物园,还有德国的安联体育场,但是经过不断的考察发现,具有ETFE膜工程深化设计、施工业绩和施工能力的承包商基本集中在德国。在国内,从生产到加工、安装,完全是一片空白。”当年参与了ETFE调研的夏海峰说,国资公司的考察小组与德国实力最强的四家公司都进行了接触,但发现最大的公司也不过20多人,厂房也非常小,不论是委托给哪一家,估计都无法满足水立方的需求。毕竟水立方的膜结构是当时世界上最大的膜结构工程,膜结构气枕覆盖面积达到了10万平方米,单层膜材的使用量达到了40万平方米。国产化的念头开始出现在国资公司领导层的脑海里。

受访者夏海峰

国资公司开始调研膜工程的时候,国内的很多幕墙企业在招标还没有开始的时候也开始了“自费”摸索。沈阳远大铝业工程有限公司就是其中的一家。

“2003年水立方确定设计方案后,我本人非常感兴趣,公司老总康宝华那时候也要求员工多关注奥运场馆项目。”沈阳远大铝业工程有限公司总裁王双军回忆说,作为当时国内最大的玻璃幕墙企业,感觉只有参与了奥运会,才感觉为国家和民族做了贡献,经济效益是放在最后面考虑的。

王双军从2004年三四月份的时候,开始收集膜结构资料,学习泡沫理论,并在当年夏天去了一趟德国,一方面是学习技术,另一方面是物色合作伙伴。

受访者王双军

以沈阳远大为代表的国内企业也许并没有过多地考虑钱的问题,而是把参与奥运工程作为一种荣光。但作为业主的国资公司却不得不考虑。因为在招标的时候,就有一位外国专家按照德国安联体育场的造价估算出了一个令业主无法承受的数字:水立方仅仅用于膜结构的钱就要6亿人民币,如果果真如此,这基本上占了工程建安费用的3/4。所以膜结构国产化几乎是不二选择。只有这样,造价才有可能降下来。

“通过考察,基本确定了具备水立方ETFE系统制安能力的专业公司,而全球只有四家,分别是Hightex、Foiltec、Covertex和Skyspan。全部在德国。”赵志雄是2003年年底经猎头公司介绍,被国资公司“挖”到的“建筑行家”,因其曾经在华北设计院工作,此前又在一家房地产公司做总经理,很快被国资公司委任负责科技攻关的组织工作。

受访者赵志雄

“ETFE行业上整个链条大概可分为母粒制造、轧制成膜、剪裁焊接、现场安装等几个关键环节。ETFE攻关小组经过反复研究,最后决定国产化从成品材料的加工和安装下手,并在国际竞争性谈判时,在比选文件中设置了一系列条件:外方必须和国内玻璃幕墙企业联合投标、膜结构加工厂必须设在国内。”赵志雄说,而这一规定正是为“国产化”在做铺垫。

出于成本的控制,防止德国这几家公司“围标”,联起手来抬高价格,国资公司与这些企业的商务谈判地点也费劲了脑筋,时而德国,时而北京。夏海峰回忆说,由于有联合投标的规定,当时国内较有影响的幕墙企业沈阳远大、江河幕墙、三鑫幕墙分别与一家德国公司组建了投标联合体。

“招标之前,设计联合体通过去德国与这几家公司交流,制作出了一个概念图纸,投标联合体在投标的时候需要出深化设计。而这就是国资公司的聪明之处。”王双军回忆说,沈阳远大和Foiltec组成招标联合体后进行了认真细致的准备,并做了很多动画来阐述如何施工。制作的投标样本从膜材的选材到制作工艺还有外观效果都是不错的。

为了能够一举拿下“水立方”工程,沈阳远大和Foiltec做足了功课,先期制作了现场视觉测试样件、淋水样件、展厅样件,甚至搭建了试安装样件等,因为充分的准备,从开始投标到最后中标,投标方案一字未动,获得了20位业主的一致认可。

2005年1月30日,“国家游泳中心工程ETFE膜结构签约仪式”在中建一局大会议室进行。沈阳远大和Foiltec成功中标水立方的幕墙工程项目。而这是2005年的第一个专业分包工程的签约,那时候距ETFE膜工程真正开始实施尚有11个月的时间,水立方最大分包工程总算有了足够科技攻关的时间。

膜签约仪式

“Foiltec专门在北京顺义建了制膜厂,根据具体的曲率、热合参数来制作与加工气枕。我们则要开始铝合金夹具和屋面排水天沟施工。因为天沟以及气枕的转接件是要随钢结构的安装而同步进行的。”王双军说,Foiltec曾为英国的伊甸园提供膜产品,在水立方之前,伊甸园是世界上最大的ETFE膜结构工程。我们的联手,意味着这个世界之最将归属水立方。

“为水立方做这件气泡外衣,我们花的时间并不长,但是做实验却花了2005年整整一年的时间。”时任沈阳远大“水立方”工程项目经理于兰松对于如何攻克“水立方”膜结构的一个个难题记忆犹新。他说:“水立方看起来美轮美奂,但是膜结构也面临着隔热、增温、隔音等诸多难题。举例来说,比如室外一旦下雨,雨滴声很有可能会大过泳池的声音,再比如,假如风沙很大,膜结构是否具备抗压能力,从而发生危险……等等。”

2006年2月 沈阳远大铝业工程有限公司水立方项目经理于兰松(左)向国资公司董事长李爱庆介绍铝型材加工情况

为了解决这一系列难题,2005年,国资公司通过组织清华大学、中国建筑科学研究院物理所等科研机构,完成膜结构声、光、热等建筑物理性能原型测试。

在成败边缘徘徊的钢结构安装

关于ETFE的各种科研与实验进行的同时,水立方迎来了钢结构安装的时刻。

很多人都意识到了钢结构施工的难度,方案评选委员会早在评选时就提出:因结构单元模式具有较强的重复性,具有可实施性,但加工制作周期长、投资大,作为一种新的结构设计概念,如实施,尚应进行深入论证。但谁也没有想到,这个困难从钢材采购就开始了。

水立方在接受了超限抗震审查后,悄然地修改了一个规定:钢结构用材不仅要选用尚未批量生产的高标号钢材,而且在此基础上又提出了1.2倍延展率的高标准要求。

整个水立方工程使用的焊接球9843个,杆件20670根,构件总数30513个,但由于多数是细长的杆件,设计总重量才6700吨(不含埋件和加强板),钢材订货量远低于其他同样规模的钢结构工程项目。另外,由于每个“气泡”所在位置的受力情况不同,把具体杆件和球的材质、厚度等参数考虑进去之后,这一项目的钢材订货采购品种达到59种。虽然考虑了钢材损耗率之后,项目组对钢材的总订货量达到近9600吨,但国内对这单生意感兴趣的钢厂寥寥无几。

水立方的钢结构钢材“与众不同”

在采购进展并不顺利的情况下,2005年春节,国资公司还在和有关专家、中国钢结构协会开会。2005年国内钢材价格一路飞涨,钢材在那一年是不折不扣的卖方市场,而更难办的是,市场上的高强度钢材Q345、Q420达不到抗震建筑标准。水立方要的是生产难度更高的Q345C、Q420C钢材,代号虽然只多了个C,则意味着这些高强度钢材不但要“硬”还要“韧”。但正常的情形是:钢的硬度越大,也会变得相对更脆。

在各大钢厂生产档期均已排满的情况下,还要他们来做试验并生产数量有限的特殊钢材,的确是个难题。

“我们的钢材订货量很小,但品种规格很多,钢厂就不愿意生产,因为他形不成规模,成本就高。”水立方总经理、当年负责钢结构安装的项目经理杨奇勇回首往事,依然非常理解钢厂的不积极:“Q420C这样的钢材各个钢厂普遍生产经验少,有畏难情绪也属正常。钢厂的钢材起订量一般是30吨,而水立方所需钢材品种里小于这个数的就有16种,甚至有2种的订货量仅为2吨。何况这些订货量本来就少的钢材还要分成300多个规格定尺。国资公司在没有办法的情况下只好向市委市政府求援。”

受访者杨奇勇

水立方这样的奥运工程,有时候仅仅靠市场手段是解决不了所有问题的,而换一个角度,譬如“奉献精神”、“大局意识”,问题便迎刃而解了。2005年4月12日,曾担任过冶金部部长的北京市委书记刘淇亲自宴请了国内知名钢铁企业领导,鼓励钢厂为奥运工程做贡献,解决水立方的高标准钢材供应问题。

在各方努力之下,鞍钢和舞阳钢厂接下了“水立方”约8000吨的合同,其中包括最难“啃”的用作支撑梁柱的2600吨抗层断撕裂建筑结构用钢。这种钢板除具备建筑结构用钢的高强度、高抗震性外,对垂直方向上的力学性能有较高要求,而且所需规格最大厚度达到60毫米,之前在国内从未有钢铁企业生产过。

钢材解决了,那么钢结构的制作和安装则是下一个挑战。国资公司通过考察国内9家钢结构制造厂家,并最终选择了浙江东南网架集团公司。这个做过空间网架结构工程较多,管与管相贯节点做的也较多的企业这一次遇上了大麻烦。安装之初,工作人员采用了小单元组装的方式,速度非常慢。2005年6月至7月间,两个月过去了,只安装了二十多个杆件。照这样的进度进行下去,钢结构工程恐怕到2008年也无法完工。

钢结构最初的安装并不得法,进展缓慢

“最开始,水立方借鉴了鸟巢的做法,在地面操作台上焊接一部分,再吊装进行整体焊接。但试验了几次以后发现,要把钢梁拼成气泡形状、找到钢梁在空中的准确位置非常困难。大家集思广益又陆续在现场尝试采用GPS定位、激光定位等多种办法,但效果不大,工程进度非常缓慢。”监理单位北京帕克国际工程咨询有限公司副总经理韩涛回忆说。

受访者韩涛

“工程的难度超乎了所有人的想象,由于水立方钢结构安装的很多技术都是前所未有的,工作量是其他同等工程的2到3倍。虽然都是非常有经验的工程人员,但是面临这座创多项世界第一的建筑,我们很多的课题都是从头学起。” 工程总包单位中建一局的项目执行总工程师陈蕾,虽然有国贸二期钢结构施工技术部经理的履历,但由于年龄较小,自2004年7月25日进入水立方工地,建设各方都对其有些不放心。尤其是施工方并不买账。钢结构安装进度缓慢让陈蕾承受了巨大压力,晚上加班已成“惯例”,回家躺在床上也是经常辗转反侧,脑子里依然翻腾着安装难题。

“那会儿为了空间定位问题急得吃不下,睡不着,当时天天看那几根杆发愁。工程师们和焊接高手们采取了各种尝试,经过反复试验、摸索,大家在火柴棍上找到了灵感。”陈蕾说,大家发现中学几何里的“一条直线和线外一个点确定一个平面”定理可以用于杆件定位:火柴棍是一个圆脑袋加一个杆,搭建钢结构也是一个球加一个杆。一条直线和线外一个点确定一个平面———这个简单的几何定理给“水立方”钢结构的施工帮了大忙。在施工前,用杆和节点形状相似的火柴棍拼出形状,就可以定位杆件了,新方法顿时让工程进度猛增了3倍。

受访者陈蕾

长江三峡工程开发总公司水立方项目负责人曾国顺在办公室的墙上挂着每天的钢结构日安装曲线图。而这个曲线图也记录了这个可喜的变化:钢结构从最初的一天拼几根,然后到十几根、几十根,“火柴棍”方法的运用加上工人焊工技艺越发的熟练,工地高峰时每天杆件的焊接速度最高提到200多根。

因为“火柴棍”的散拼的方法可以在许多作业面上同时展开,大大加快了工程的进度。不过大家还没有满足,建设者们又发明了一种“东拼西凑”的焊接方法:在一个作业面区域内,不是按顺序地焊接“火柴棍”,而是“跳”着焊,东焊一根,西焊一根,最后逐渐形成一个整体,这样的施工方法很好地解决了焊缝收缩造成变形的问题。

“由于焊缝收缩是有规律的,不管什么焊缝,都是沿着垂直于焊缝的方向收缩,焊缝越缩越窄,使焊接的两个构件连接越来越紧。假如按照顺序规律的焊,每个焊缝都会收缩,最后累积形成一个大的误差。”三峡公司奥运项目部负责人曾国顺介绍说,“东拼西凑”的焊法,简单地说,就是先焊好最外面两端的杆件,然后再焊中间的杆件。由于外面两端的杆件焊缝已收缩完毕,当中间的杆件焊缝开始收缩时,就再也无法拉动它们,由此使中间杆件的焊缝无法收缩。这样收缩产生的误差仅仅发生在前几个焊接的杆件上,而后面的杆件就都避免了这个问题。

为了保证施工进度,施工单位把原计划中施工队的电焊机80台、焊工100多人增加到了200多台和300多人。随之也增加了脚手架、焊点和供火点等看护人员的数量,整个施工现场施工人数最多达到800多人。

“2006年春节快来临的时候,钢结构工程的日安装量开始呈上升状态,为了赶进度,建设各方都在动员农民工能够在北京过春节。1月28日是大年除夕,工地依然有200名工人在作业,为了水立方的建设,这些农民工放弃了与家人团聚,这就是最朴实的奉献精神吧!”三峡总公司的奥运项目负责人曾国顺说,水立方的建设不能遗忘这些农民工。

2005年11月20日,水立方的钢结构施工紧张进行中

南侧钢结构墙体施工

空间定位顺利解决了,但随着钢结构安装速度的加快,施工团队又面临了威胁施工进度的另一大难题:到钢结构施工后期,大量脚手架的使用使国内市场上的租赁公司都感到货源紧张,项目部转而使用法国公司提供的插口式脚手架。

“当时的北京有太多的工程在施工,造成传统脚手架资源短缺,现场出现了停工待料的状况,影响到了水立方的正常施工。这时,一种采用法国技术,在国外应用广泛的新型模块式脚手架进入我的视野。它不仅质量轻,而且强度高,搭拆速度快,十分适合水立方。然而,因为它在国内没有相关技术及验收标准,和大量应用的先例,更重要的是当时北京刚刚发生一起脚手架坍塌的重大事故,所以反对的力量非常强大。”陈蕾说,在 “用”和“不用”之间,她决定一方面通过大量的理论计算来复核法国的标准,一方面在实验室和施工现场进行多次的反复实验,同时又请来北京市的顶级专家进行多次专题论证。在计算数据和实验结果面前,她冲破重重阻力,说服参建各方,毅然决定使用。

水立方钢结构安装在2005年冬天进入了加速期,一度让脚手架紧缺。

钢结构密不透风的脚手架

曾经让所有建设者无法入睡的钢结构安装,最后提前一个多月封顶。水立方钢结构施工中工程师和工人们共同创立的众多施工理论不仅为水立方的建设奠定了坚实的基础,通过理论加实践共同打磨的这套施工方法还被写进了《多面体延性钢架结构施工管理技术规程》,而这对于我国甚至世界建筑行业的钢结构施工搭建都具有重大意义,也成为世界钢结构泡沫理论的教科书。

2006年6月16日,水立方主体钢结构支撑体系将在这一天进行第二次130m(大跨屋面)卸载。在长达三个半小时的卸载过程中,陈蕾绷紧了身体每一处的神经,一颗心也仿佛提到了嗓子眼。当最后一个千斤顶退出工作,水分子的钢筋铁骨成功屹立时,半年多的担心、犹豫、怀疑和忐忑在霎那间烟消云散,工地上是一片欢声雷动。坚强的陈蕾抑制不住内心的喜悦,留下了激动的眼泪。

2006年6月,水立方钢结构进行卸载

时任国资公司李爱庆董事长在国家游泳中心钢结构封顶仪式上讲话

然而,水立方建设的难题后面还有……

方钢结构封顶仪式

来源于《北京奥林匹克公园》 千龙网综合

责任编辑:李继业(QF0004)

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