北京奧運(yùn)場館：八度抗震保百年建筑

1、北京奧運(yùn)場館：八度抗震保百年建筑“鳥巢”和“水立方”的設(shè)計(jì)使用年限是100年，其間即便遭遇設(shè)計(jì)抗震烈度范圍內(nèi)的地震、雷擊等自然災(zāi)害，結(jié)構(gòu)、功能依然不變。憑的是什么？最關(guān)鍵的一點(diǎn)，就是這些建筑的設(shè)計(jì)抗震標(biāo)準(zhǔn)為8度。在“鳥巢”、“水立方”和五棵松體育館等三大場館的建設(shè)中，充分利用了傳統(tǒng)的抗震技術(shù)，俗稱“硬抗”，即通過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、加大構(gòu)件斷面、多配筋等途徑把房子建的結(jié)實(shí)一些，以此來抵抗地震的沖擊力。而在13個場館的改擴(kuò)建中，則利用了積極的抗震方法，俗稱“軟抗”，就是以結(jié)構(gòu)隔震、減震、制震為特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)震動控制方法。一系列抗震措施的合理采用，確保了北京奧運(yùn)場館即使遭遇8級強(qiáng)地震，也能傲然聳立。三大標(biāo)志建筑

2、抗震全靠自身“硬”“鳥巢”是目前世界上橫跨面積最長的體育場：“水立方”長寬各177米，沒使用一根鋼索、混凝土圓柱或建筑橫梁。這樣大跨度的建筑物，抗震難度無疑非常大，采用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)幾乎不可能。因此，“鳥巢”、“水立方”和五棵松體育館的設(shè)計(jì)者在結(jié)構(gòu)選型上都選擇了鋼結(jié)構(gòu)。因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的強(qiáng)度、韌性和延性，抗震性能好。震害調(diào)查表明，鋼結(jié)構(gòu)較少出現(xiàn)倒塌破壞情況。三大場館在抗震方面都是采用了傳統(tǒng)的“硬抗”技術(shù)，即通過增強(qiáng)建筑物自身的強(qiáng)度，來抵抗地震的沖擊。“鳥巢”所用鋼材強(qiáng)度是普通鋼的兩倍，是由我國自主創(chuàng)新研發(fā)的特種鋼材，集剛強(qiáng)、柔韌于一體，從而保證了“鳥巢”在承受最大460兆帕的外力后，依

3、然可以恢復(fù)到原有形狀，也就是說能抵抗當(dāng)年唐山大地震那樣的地震波。托起“鳥巢”最關(guān)鍵的是“肩部”結(jié)構(gòu)，這一部分所用的鋼材“Q46U在國內(nèi)建筑上使用尚屬首次。“Q46。鋼材以前在國內(nèi)從未生產(chǎn)過，而這次使用的鋼板厚度達(dá)到110毫米，也是史無前例的。在國家標(biāo)準(zhǔn)中，“Q46U的最大厚度只是100毫米。不僅在鋼材厚度和使用范圍都是前所未有的，而且它具有良好的抗震性、抗低溫性、可焊性等特點(diǎn)。為滿足抗震要求，鋼構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)部位特別作了加厚處理，桿件的聯(lián)結(jié)方式一律為焊接，以增加結(jié)構(gòu)整體的剛度和強(qiáng)度。“鳥巢”凌空的屋頂氣勢不凡，支撐它的24根巨大鋼柱腳更是壯觀雄偉。為保證建造在8度抗震設(shè)防的高烈度地震區(qū)的“鳥巢”能

4、站穩(wěn)腳跟，科研設(shè)計(jì)人員克服“鳥巢”柱腳集合尺寸大且構(gòu)造復(fù)雜、我國現(xiàn)行規(guī)范的計(jì)算假定與設(shè)計(jì)方法難以適用等情況，為這些鋼柱腳增加了底座和鉚釘，將柱腳牢牢鉚在了混凝土中。柱腳下的承臺厚度高達(dá)46米，24根巨大鋼柱分別與24個巨大的鋼筋混凝土墩子牢固地連在一起，共同擎起巨大的“鳥巢”。與“高大健壯”的“鳥巢”相比，晶瑩剔透的“水立方”，看起來似乎有點(diǎn)“柔弱”，人們不禁會問，它結(jié)實(shí)嗎？能抵抗8級地震嗎？其實(shí)，“水立方”是典型的外柔內(nèi)剛。外部只看到充氣薄膜，好像弱不禁風(fēng)，而支撐這些薄膜的是堅(jiān)實(shí)的鋼結(jié)構(gòu)，里面觀眾看臺和室內(nèi)建筑物為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)?！八⒎健钡膲Ρ诤吞旎ò逵?.2萬個承重節(jié)點(diǎn)連接起來的網(wǎng)狀細(xì)鋼

5、管組成，這些節(jié)點(diǎn)均勻地分擔(dān)著建筑物的重量，使其堅(jiān)固得足以經(jīng)受住最強(qiáng)的地震。“水立方”的地下部分是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在澆筑混凝土的時候，在每根鋼柱的位置都設(shè)置了預(yù)埋件（上部為鋼塊），鋼結(jié)構(gòu)的鋼柱與這些預(yù)埋件牢固地焊接在一起，使得地上部分的鋼結(jié)構(gòu)與地下部分的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形成一個牢固的整體。正是靠著優(yōu)越的結(jié)構(gòu)形式和良好的整體性，“水立方”才擁有了“過硬的身體”，達(dá)到了8度抗震的標(biāo)準(zhǔn)。五棵松體育館采用的也是傳統(tǒng)的“硬抗”技術(shù)。據(jù)北京市建筑設(shè)計(jì)研究院參與設(shè)計(jì)的工程師介紹，五棵松體育館首輪設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，屬復(fù)雜超限高層建筑，抗震設(shè)計(jì)難度很大。后進(jìn)行了較大的調(diào)整，主要是對場館進(jìn)行了“瘦身”，調(diào)整后的結(jié)

6、構(gòu)體系與首輪初步設(shè)計(jì)相比其復(fù)雜程度已大大降低，結(jié)構(gòu)體系更趨合理，已不再屬于復(fù)雜超限高層建筑，防震也相對好做一些。設(shè)計(jì)中按多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震三個標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行了驗(yàn)算，保證關(guān)鍵部位的構(gòu)件（周邊20根鋼柱、看臺挑梁、側(cè)向鋼支撐和屋頂?shù)龋┰谠O(shè)防地震作用下處于彈性狀態(tài)，罕遇地震作用下滿足變形要求的設(shè)防目標(biāo)。對主要承重柱的配筋構(gòu)造參照特一級的要求予以加強(qiáng)。體育館主體結(jié)構(gòu)在二層以下采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性和抗震性能。在二層以上至屋頂桁架的下弦這一高度范圍內(nèi)沿建筑周邊布置柱間支撐，通過支撐加強(qiáng)柱子之間的連接，形成現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻-鋼支撐結(jié)構(gòu)體系。奧運(yùn)

7、場館改造：“硬抗”與“軟抗”相結(jié)合2008年奧運(yùn)會北京32個比賽場館中，現(xiàn)有場館改擴(kuò)建13個。此外，還要改造59個訓(xùn)練場館，同時配套建設(shè)殘奧會專用設(shè)施。北京被歷代帝王視為風(fēng)水寶地，實(shí)際上這塊土地處于8度抗震設(shè)防的高烈度地震區(qū)。但由于歷史原因，現(xiàn)有場館大多數(shù)無抗震設(shè)防設(shè)施，防火標(biāo)準(zhǔn)很低。為了確保這些場館正常使用和抗震、防火安全，在對場館進(jìn)行改造以滿足奧運(yùn)會功能要求的同時，還需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固和防火改造。與三大場館的抗震技術(shù)不同，在現(xiàn)有體育場館加固改造中，在“強(qiáng)化”建筑自身的同時，還引入了“軟抗”技術(shù)。一方面“強(qiáng)化”結(jié)構(gòu)，采用粘鋼、碳纖維片和擴(kuò)大截面法，對鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行加固，采用粘鋼板和角

8、鋼對梁、柱節(jié)點(diǎn)加固，對工人體育館三層看臺斜梁采用高強(qiáng)鋼絞線-聚合物砂漿面層加固。另一方面“軟化”結(jié)構(gòu)，大量采用消能減震技術(shù)。結(jié)構(gòu)消能減震和阻尼減震體系是把結(jié)構(gòu)的某些非承重構(gòu)件設(shè)計(jì)成消能部件，或在結(jié)構(gòu)物的某些部位（如節(jié)點(diǎn)和連接處）裝設(shè)阻尼器，發(fā)生地震時，阻尼器大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震中不被破壞，不產(chǎn)生過大變形。與傳統(tǒng)抗震相比，結(jié)構(gòu)消能減震可使地震反應(yīng)減小40%60%因此，結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)是一.種非常安全可靠的抗震技術(shù)。由于使用需要，工人體育館屋面要增加20噸懸吊荷載，在原有輪輻式懸索屋面結(jié)構(gòu)與新增懸吊承載體系之間設(shè)置粘滯阻尼器，在首都體育館和奧體中心主體育場看臺部分設(shè)置軟鋼阻尼器，達(dá)到大震下抗倒塌要求?？傮w而言，奧運(yùn)三大標(biāo)志性建筑基本上都是采用了傳統(tǒng)的抗震技術(shù)，在結(jié)構(gòu)選型、材料應(yīng)用等方面有一些創(chuàng)新，尤其是“鳥巢”所使用的特種鋼材和“水立方”的空間結(jié)構(gòu)形式，將對未來大型場館建設(shè)起到很大的推動作用。相比之下，奧運(yùn)場館改造過程中采用的抗震加固的技術(shù)實(shí)用性和可操作性極強(qiáng)，會對民用建筑抗震安全起到立竿見影的促進(jìn)作用。據(jù)有關(guān)專家介紹，北京目前有30%的建筑物沒有設(shè)防或沒有達(dá)到新的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)其他城市更是如此。作為首都圈防震減災(zāi)示范區(qū)的地標(biāo)建筑，北京火車站、北京飯店、北京展覽館等建筑內(nèi)的人流密集，但這些建筑均未經(jīng)抗震設(shè)防或達(dá)不到北京地區(qū)8度抗震設(shè)防