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編者按

難忘的“鳥巢”焊接工程

2008年，被稱為“鳥巢”的中國國家體育場逐漸揭開神秘的面紗，終于在8月8月晚驚艷亮相(圖1)。

“鳥巢”本身自然也是一個奇跡。尚未正式竣工時，它便在世界上獲得了諸多榮譽：《泰晤士報》評出全球建設中的“最強悍”工程，“鳥巢”躋身全球十強；美國《時代》周刊選出世界2007年100個最具影響力的設計，“鳥巢”奪得建筑類最具影響力設計的桂冠。

這個工程，凝聚中華民族百年夢想，承載中國人變富變強自立于世界民族之林的激情，可以毫不夸大地說：百年夢園、舉世矚目的奧運主會場“鳥巢”鋼結構焊接工程是目前世界上最難的工程，是“空前和基本絕后的”工程；

“鳥巢”鋼結構焊接工程除同瑞典合作建筑設計外，從結構設計、深化設計、制作、安裝、焊接全部由中國人自行完成，所有鋼材全部國產，“鳥巢”是地地道道的中國制造。

國家體育場“鳥巢”舉世無雙的編織鋼結構，不僅僅有強烈的視覺沖擊和挑戰性，而且、她的成長過程還給人們帶來無窮無盡的好奇和思考。

 “鳥巢”鋼結構旋轉對稱、看似無序的超大跨度編織顯得分外復雜，具有十分強烈的挑戰性和視覺沖擊；“鳥巢”獨到采用彎扭構件、特殊采用全世界首次使用厚度為110mm的Q460E-Z35高強鋼的重型鋼構、高空大跨度馬鞍型設計造型，不僅使結構變為十分復雜，而且帶來難以控制的應力應變狀態， “鳥巢”全焊鋼結構，整個系統沒有一顆鏍絲和鉚釘，鋼結構所有作用力全部由31萬米焊縫承擔，作為影響結構體系安全運營的焊接工序質量要求之高是顯而易見的；很顯然、其專業排序應為：“一焊、二吊、三卸載”；因此、確立了焊接在鋼結構工程中各專業的統帥地位，決定了 “鳥巢”鋼結構焊接工程是一場攻堅戰，真可謂：“成也焊接、敗也焊接”，令世人矚目。

“鳥巢”所在地是北京紫禁城中軸線東側，種種跡象證明，所占的22公頃土地絕對是一塊福地，承受“龍脈”的滋潤，紫氣東來，肯定造福于中國人；

2003年，當中國國家體育場設計模型首次與世人見面時，那個形象，幾乎所有人腦子里同時閃出“鳥巢”兩個字。從此，一個用鋼鐵編織的巨型建筑被賦予了一個親昵而又形象的稱號——“鳥巢”。

 “鳥巢”從設計創意來說，看臺設計東西高、南北低，為了貼合看臺設計，外表的鋼結構造型也成了東西高、南北低，遠遠望去，像極了“鳥巢”。 整個“鳥巢”建筑通過巨型網狀結構聯系，內部沒有一根立柱，看臺也是一個完整的沒有任何遮擋的碗狀造型，賦予體育場無與倫比的震撼力。 鳥巢是鳥兒銜來一根又一根樹枝搭建而成，北京奧運“鳥巢”亦是如此。先進的設計理念背后，需要強大技術和工程來支撐，需要數以千計的建筑工人們日以繼日的工作來完成了這一個浩大的工程（見圖2）。

圖2. 2004.～2006.2“鳥巢”成長圖示

“鳥巢”在建設過程中誕生了太多的奇跡；往往在不經意中帶來驚喜；在“鳥巢”建設過程中，工人行走的鋼板網通道上，人們發現了用廢鐵絲、焊條頭、小樹枝等材料搭成的真鳥巢。這絕不是神話，也沒有瞎編，這是實實在在的、真實的大自然的恩賜、這是天人合一的無價之寶（見圖3）。

圖3. 小鳥搭成的真鳥巢

真實的鳥巢一岀現，人們奔走相告，整個工地都傳開了，大家覺得新奇：小鳥居然不怕電弧的閃爍，吊機的轟鳴，工人們堅實的步履，把家建在一般人想不到的地方，並且就地取材、堅固異常；人們更多的是驚喜、是欣慰，小鳥巢網狀編織的主脈絡和鋼鐵“鳥巢”主結構的走向、何其相似仍爾！

人與自然的和諧，預示“鳥巢”工程的成功；這難道不是紫氣東來的又一印證嗎！這件事也引起了媒體的性趣，中央電視臺為此專門作了報道。

的確，“鳥巢”鋼結構安裝工程，對我國的安裝技術是一次大撿閱，帶來了技術上的大突破。

由于現場焊接焊縫都為受力焊縫，根據設計要求均為一級全熔透焊縫，施工難度大，施工質量要求相當高，政治影響也很大。

Q460E-Z35 δ＝110mm為建筑鋼結構首次使用，Q345GJD國內應用單位也不多，對上述鋼材的熱加工技術，焊接工藝無成熟經驗可借鑒；Q460E-Z35厚板焊接技術應用研究（可焊性研究），目的是為Q460E-Z35鋼材焊接工藝的合理選擇與評定提供科學的依據，以指導鋼結構工程Q460E-Z35的焊接施工；這項工作存在極大的風險和難度。

鋼結構安裝（拼裝）工程采用的焊接技術有SMAW、GMAW、FCAW-G(H、F、V)；部分采用了GMAW-A(實心CO2氣體全自動焊)，FCAW-GA(藥芯CO2氣體全自動焊)。

工程中首先進行了Q460E-Z35焊接性試驗及焊接技術的應用研究。主要進行了SH-CCT圖的試驗研究，Q460E-Z35熱切割試驗；Q460E-Z35熱矯正試驗；Q460E-Z35焊接冷裂紋試驗研究，Q460E-Z35剛性焊接試驗研究，然后進行了以及Q460E+Q460E(O、H、V、δ＝110mm)、Q460E+Q345GJD(O、H、V、δ＝110mm,100 mm)、Q460E+GS20Mn5V(O、H、V、δ＝110mm)的焊接工藝評定13項；其余Q345GJD、Q345、GS20Mn5V等鋼材，分別進行焊接技術、焊接位置、材料規格、以及異種鋼材的組合按JGJ81-2002《建筑鋼結構焊接技術規程》進行焊接工藝評定184項，同時進行了GMAW、FCAW-G大流量防風模擬試驗。為了適應冬季施工，進行了Q460E、Q345GJD鋼的冬季焊接試驗共24項。所有實驗全部按預期目標完成；這些試驗的結果準確可靠，成為了國家體育場（鳥巢）鋼結構工程焊接技術規程有力的技術支持。在技術路線的制定過程中起到了決定性的作用。

“鳥巢”是由眾多構件組拼而成的網狀結構，鋼構件呈不規則布置。在施工的準備階段和施工過程中，研究了對大型鋼結構安裝實施空間三維測量控制方法，確保了整個結構的安裝精度；采用了計算機仿真技術，進行了大型履帶吊的吊裝設計與管理，異形構件的吊裝技術的開發研討與應用；經過了大跨度空間結構安裝過程的工況分析，確立了臨時支撐的設計和應用技術的開發研討與應用；開展了鋼結構柱的現場拼裝、運輸、整體（或分段）拼裝技術，空間次構件的安裝技術的研究應用。

除在前期的施工準備過程對各種因素進行充分的分析和研究，在各個環節控制構件的精度和適量預留量外，還進行了對接口的詳細工藝研究，克服了雙向扭曲的截面形式、焊接累積變形、制作精度的差異、長期溫度、短期溫度變化的影響、支撐的不均勻沉降、吊裝形態與設計狀態的差異、構件在對接安裝時存在很大的難度等因素的客觀困難，保證了構件的順利對接，確保構件在實際安裝過程中的精確對接。

“鳥巢”人俠肝義膽、用鋼鐵的意志馴服了鋼鐵的“鳥巢” 。2006年9月17日定為國家體育場“鳥巢”的生日，因為在這天“鳥巢”鋼結構臨時支撐塔架卸載成功，標志著這項世界上最復雜鋼結構的世紀工程提前建成。

“鳥巢”鋼結構安裝工程于2005年10月28日開始，2006年11月全部結束，歷時12個月。

“鳥巢”鋼結構工程有兩個重要工序，兩個重要節點。兩個重要工序是：“焊接”、“吊裝”；兩個重要節點是：“合龍”、“卸載”。 由于合龍是焊接的最后工序，所以“鳥巢”鋼結構工程之初，在專業排序上就明確提出了：“一焊、二吊、三卸載”戰略思想，這種瑯瑯上口，極易理解和記憶的專業排序，迅速得到了“鳥巢”人的承認和推廣，因此、樹立了焊接技術在“鳥巢”鋼結構工程各專業中不可動搖的統帥地位。

（一）

焊接是“鳥巢”鋼結構工程的靈魂

應當承認，焊接是“鳥巢”鋼結構工程的靈魂，焊接技術應用理論貫穿了“鳥巢”鋼結構工程的全過程：從鋼結構的深化設計開始，焊接位置（特別是仰焊）的確定；焊接坡口形狀的設計；鋼結構構件的切斷方式；鋼結構吊裝單元的組裝焊接；Q460E-Z35新鋼種焊接性試驗研究；焊接工藝評定；（PQR）；編制《國家體育場鋼結構施工組織設計》（WPS）；根據（WPS）培訓厚板焊特別是仰焊焊工；焊接接頭厚板層狀撕裂的防止；焊縫熱裂紋、冷裂紋的控制；厚板多層多道錯位焊接技術的開發研究；鋼結構焊接采用遠紅外電加熱、后熱技術；焊接設備、材料的選用復檢；鋼材性能的復檢；鋼結構的合龍及卸載無一不涉及到焊接應用技術理論和實踐經驗。“鳥巢”鋼結構為全焊鋼結構，整個工程沒有一顆螺絲釘和鉚釘，鋼結構的全部重量和外界各種因素所引發的各種內力（比如：溫差、風載、雪載、地震等）的疊加，全都由焊縫來吸收和承擔；焊接質量的重要性可想而知，所以說：“鳥巢”鋼結構工程“成也焊接、敗也焊接”。

由于“鳥巢”鋼結構獨特的編織體系和特殊厚板、厚110mm、Q460-Z35鋼的采用，使焊接形成了許多難關，對此、 “鳥巢”人自強不息，摸著石頭過河，“鳥巢”人秉承了中國5000年的文化內涵，應用現代科技手段，進行了艱苦卓絕的攻關，克服了目前建筑鋼結構難以想象的困難，開展全面質量管理，集我國工程界智慧之大成，終于奪得了“鳥巢”鋼結構焊接工程的最后勝利。人間奇跡屹立京城，奇光異彩讓人稱贊。

從焊接應用技術的角度忠實地記載破解“鳥巢”焊接難關的全過程；總結、分析和提高了攻關采用的經典技術；具體對“鳥巢”鋼結構焊接工程而言，概括為：“七大難關、十四項技術、八個鮮明特點”。

圖4. 劉景鳳指導模擬強化培訓

圖5. 大面積采用仰焊技術

（二）

吊裝是“鳥巢”鋼結構工程的焦點

“鳥巢”鋼結構的吊裝也是人們關注的一個焦點；現場安裝的構件最大重量達到420噸，而且100噸以上的構件吊次達到150多吊，因此對此類超大構件的吊裝，除需要編制詳細的施工組織設計外，還必須對大型設備的超起工作性能、運行道路的處理、吊裝索具詳細設計等做必要的優化設計，以提供整個吊裝過程的工作效率和安全。  “鳥巢”鋼結構體系新穎，經過多種施工方案反復比較、多次多層次的專家論證最終確定鋼結構總體安裝方案采用分塊高空散裝方法。主體鋼結構的安裝順序遵循對稱同步、盡早形成安裝區域局部穩定的原則，總體上分為三個階段八個區域，主體鋼結構共劃分230個安裝單元，其中：桁架柱48個安裝單元；平面主桁架166個安裝單元；立體桁架16個安裝單元。外環布置2臺800t履帶吊負責吊裝24根桁架柱和外圈主桁架，4臺150t履帶吊負責立面次結構的安裝；內環布置2臺600t履帶吊負責吊裝內圈和中圈主桁架；頂面次結構安裝階段，外環采用2臺300t履帶吊負責吊裝外圈肩部及頂面次結構，內環采用2臺150t履帶吊負責吊裝內圈頂面次結構，在立柱全部裝完的前提下，安裝鳥巢鋼結構主結構。

在吊裝工序的具體環節中；采用了計算機仿真，單機脫模、起板、運輸、吊裝就位；雙機抬吊脫模、板直、運輸、安裝就位；和“三維測量定位高空散裝”工藝，開拓了我國建筑鋼結構大型、不規則復雜重型鋼構件吊裝的先河，為我國建筑鋼結構工程技術進步提出了成功的經驗和技術支持（見圖6、圖7.圖8.圖9）。

圖6. 單機起板、雙機抬吊工況

圖7. 三角形巨型立柱下部、上部構件吊裝

圖8. 800t吊車吊裝吊裝外環上柱

圖9. 600t吊車吊裝吊裝內環主結構

（三）

合龍、卸載是“鳥巢”鋼結構工程的關鍵

“鳥巢”鋼結構首次提出建筑鋼結構“合龍”的概念，豐富和發展了建筑鋼結構焊接技術應用理論。

“合龍”是焊接工程的收官之作，是焊接工序的最終階段，是“鳥巢”鋼結構支撐塔架卸載的前提條件：

“鳥巢”鋼結構焊接工程中頂面主結構和立面次結構各有四條均勻分布的合龍線；通俗地說；這八條線上所有的焊口在施工過程中是不準焊接的，施工過程中允許相對運動，因為焊口中的相對間隙隨溫度的變化而變化，有人對此形象的比喻為：“會呼吸的焊縫”；

這是因為“鳥巢”這時的鋼結構是分散的、帶有臨對支撐的不穩定體系，很容易受到溫度變化的影響，焊縫隨溫度的升高和降低，焊口表現出“一張一合”的動作，很象“呼吸”；理論上分析：這些是：溫差應力載荷引起相對運動的焊縫；這些焊縫，在最后鋼結構形成封閉穩定的系統時才進行焊接，所以焊接殘余應力很大，嚴格地講；合龍焊縫的焊接是屬于焊接工序中，不采取有效措施是不允許進行施焊的帶載焊接的范圍。

帶載焊接也就是我們劃定的焊接“禁區”之一；可想而知、在焊接禁區進行施焊合龍，無論對工人的技術、焊接專項方案的制定都有極高的要求，所以具有很大的難度和風險(見圖10)；

圖10. “鳥巢”合龍

無論是否對建筑鋼結構合龍有所認識，也無論是否承認：建筑鋼結構凡是形成封閉穩定體系的焊縫都是合龍焊縫，都是帶有負載的焊縫；這是不以人們意志為轉移的客觀規律；可以肯定地說：合龍焊縫存在于所有的鋼結構工程，只不過表現形式上的不同而已。據此、對“合龍”焊縫進行如下定義：

帶臨時支撐的分散的不穩定鋼結構轉換成為封閉穩定系統的過程叫合龍，使之成為封閉穩定體系的焊縫叫合龍焊縫。

合龍有廣義和狹義之分；“鳥巢”的合龍是狹義合龍，即技術要求特別高的合龍。在有的工程中，由于人們對合龍概念模糊，往往在工程中出現偏差而不得其解?！傍B巢”合龍觀念的提出并成功實施，無疑為建筑鋼結構正本清源，使建筑鋼結構焊接技術的發展趨勢符合客觀規律。

合龍完成之后，鋼結構體系形成了一次初始應力，而“鳥巢”鋼結構體系中真正的初始應力是在鋼結構體系卸載后進行應力重新分配形成，從順序上講：叫鋼結構的二次初始應力；根據以上闡述，我們對“卸載”進行如下定義：

鋼結構帶臨時的封閉穩定體系轉換成鋼結構自承重體系的過程叫卸載。

“鳥巢”鋼結構安裝完成后的卸載過程一直是鋼結構施工過程中最受關注的問題，卸載是對“鳥巢”鋼結構工程整體質量特別是焊接質量的最終檢驗。

從理論上分析：卸載嚴格地檢驗焊接殘余應力的分布，鋼結構體系在形成自承重體系的過程中，會對焊縫的應力集中點（應力接近成超過屈服極限時）產生沖擊甚至破壞，假如焊接質量不好，有一條焊縫開裂，這條焊縫所承擔的應力迅速分配到其他焊縫，當某焊縫增加值超過極限時開裂，其應力又向外分配，如此循環往返，承受應力的焊接接頭在減少，而所分配的應力在增大；最終形成“多米諾骨牌效應”，其結果是“鳥巢”的垮塌！可見焊接質量對“鳥巢”是多么重要。  

另外、不合理的卸載過程將對系統產生強大的沖擊，有可能使所有的工作前功盡棄，而獲得一個破壞的或者不安全的結構體系，這對民族和單位以及個人來說都將是災難，特別是“鳥巢”鋼結構的重要地位和復雜性，因此專門課題的卸載分析和卸載過程中實測研究非常有必要。

對“鳥巢”鋼結構而言：“卸載”的本質是對其加載，而真正卸載的是臨時的鋼結構支撐塔架，而鋼結構要靠自己的能力站穩腳跟，成為自承重系統。

“鳥巢”人采用了“七大步三十五小步，循環等比卸載” 的方案，像呵護嬰兒一樣，經過一周左右的時間艱苦工作，于2006年9月17日而獲得成功(見圖11)。

圖11. 北京市委書記劉淇（中）在卸載成功后工地同“鳥巢”人合影

首當其沖的焊接工程，其結果燦爛輝煌： 設計要求幾乎全部焊縫為全熔透一級焊縫，焊縫的總長超過了31萬米?，F場焊縫超過6萬米（不含角焊縫），100%超聲波探傷，一次合格率高達99.5%以上，質量指標之好為全國之最。最典型的是不同的三天三夜焊完的400多條合龍焊縫，在高空焊接成功，一次合格率為99.9%。為工程焊接界中最輝煌的典范。

據不完全統計，整個“鳥巢”所消耗的焊材2100噸以上，在當時，同樣也是國內之最。

所有記載、總結、分析均證實：國家體育場“鳥巢”鋼結構焊接質量在全國乃至全世界鋼結構工程中都是最好的， 完全可以十分自豪地說： 我們成功地破解了“鳥巢”焊接難關，贏得了工程的最后勝利（見圖12）。

圖12. “鳥巢”2008.8.8夜景