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国家体育场钢结构工程箱形弯扭构件制作技术及应用研究国家体育场（“鸟巢”）钢结构工程作为北京奥运会标志性建筑之一，其复杂的箱形弯扭构件制作技术是确保结构安全与美观的关键。该研究主要围绕箱形弯扭构件的制作工艺、精度控制及应用展开。
首先，针对箱形弯扭构件的复杂几何形状，研究开发了高精度三维建模与数控加工技术。通过先进的CAD/CAM系统，实现了从设计到加工的无缝衔接，有效解决了传统加工方法难以满足精度要求的问题。
其次，研究重点攻克了材料变形控制难题。在热加工过程中，采用有限元分析模拟温度场和应力场分布，优化加热和冷却工艺参数，减少了构件残余应力和变形量，保证了构件尺寸的精准性。
此外0053 保沧高速公路施工组织设计封面，研究还引入了先进的焊接技术和质量检测手段，如机器人焊接和超声波无损探伤，确保焊缝质量和构件整体性能。同时，通过对材料力学性能的研究，选取适合大跨度、高承载力需求的高强度钢材，进一步提升了结构的安全性和耐久性。
该技术的成功应用不仅为“鸟巢”钢结构的高质量建设提供了保障，还推动了我国大型复杂钢结构工程的技术进步，为后续类似项目积累了宝贵经验。
国家体育场工程是北京2008奥运会主会场，其钢 结构与混凝土看台结构完全分离。其中，主钢结构由24 根桁架柱与48主桁架围绕着体育场内部碗状看台区 旋转而成，与顶面和立面次结构交织形成体育场整体 的“鸟巢”造型，令世人瞩目。 为了编织“鸟巢”独特的建筑造型，设计时在连接 屋面结构与立面结构部位（即肩部)全部采用了弯扭构 件；其截面尺寸主要为1200mmx1200mm、材质涉及 Q345C、Q345D、Q345GJD，板厚涉及10~60mm，总用钢 量12000多t（图1)。 国内外钢结构制作厂均无箱形弯扭构件制作的成 熟施工经验。而且，国内外钢结构绘图软件无一同时具 备箱型空间弯扭构件三维建模及展平放样功能。且本 工程的弯扭构件形状复杂多变、无确定的构形方程，工 期紧张。因此，如何制备满足设计要求的合格的箱型弯 扭构件及多向微扭节点成为国家体育场钢结构工程成 败的关键。 鉴于上述情况，考虑到箱形弯扭构件是由四块空
间弯板钢板焊接组装而成，本文主要从以下几方面进 行研究： (1）弯扭构件三维建模及壁板展平放样软件开发； （2）弯扭板件成形技术研究； （3）工程应用
箱型弯扭构件三维建模及壁板展平放样软
在进行弯扭构件三维建模及壁板展平放样软件开 发时，分别从箱型弯扭构件成形原理、软件架构分析 三维建模及展平放样软件开发等方面进行了研究。 软件的整体架构如图2所示。 在进行三维建模软件开发时，根据箱型弯扭构件
的成型特征，采用三次B样条函数来拟合弯扭构件的 四条棱线。三次B样条在一个片断上的B样条的表达式 3 k=0 拟合形成的这四条棱线与设计院提供的CATIA中 的原始曲线相比较，在10m长的曲线上，最大相差距离 不到0.2mm，可以认为完全吻合。 在进行箱形弯扭构件壁板展平放样软件开发时， 利用“单参数平面族包络曲面必可展的原理”和“可展 面保角保长原理”，在面积保持不变的前提下，对弯扭 曲面在短方向进行划分，然后再对展开后的曲面再进 行拼装，最终得到原始弯扭曲面的展平放样。
在进行弯扭板成形工艺技术研究时，考虑到其对 国家体育场钢结构工程施工的重要性，坚持两条腿走 路：一方面进行弯扭板件无模成形工艺研究，另一方面 进行三辊卷板成形工艺研究，确保国家体育场钢结构 工程箱形弯扭构件加工制作零风险。
2.1弯扭板件无模成形技术
根据国家体育场箱形弯扭构件及多向微扭节点制 作需要，在现有加工设备的基础上开发出大吨位、大厚 板、异形件的多点无模成形设备，并根据设备控制的需 求开发出无模成形计算机控制专用软件。 为了保证不同厚度弯扭板件的加工精度，按照国 家体育场钢结构工程弯扭构件的厚板规格共进行了12 组多点无模成型工艺参数试验。根据试验结果，总结出 套满足国家体育场工程需要的弯扭板件的无模成型 工艺参数。
2.2三辊卷板成形技术
根据国家体育场工程箱型弯扭构件及多向微扭节 点的特点.结合现有设备情况，本课题从三辊卷板机配
高树栋，等：国家体育场钢结构工程箱形弯扭构件制作技术及应用研究
套软件开发、三辊卷板机卷制成型工艺及油压机整形 弯扭板件成形质量检查等方面进行了深入研究，总结 出一套针对三辊卷板成型工艺压制的箱形弯扭构件及 多向微扭节点的制作工艺技术。
2.3弯扭板件成形质量检查技术
为了检验弯扭板件的无模成形质量，在深入研究 的基础上将MetroIn工业三维测量系统首次引人建筑 钢结构加工质量检查过程中，开发出国家体育场钢结 构工程弯扭板件成品质量检查的三维坐标测量系统 该技术也可用于弯扭构件成形质量检查。表1是对其典 型弯扭板件的三维坐标测量的实测数据与理论数据的 对比结果。 由表1可知，无模成形工艺压制的弯扭钢板实测数 据与理论数据的最大误差为2mm，符合国家体育场验 收标准对弯扭构件外形尺寸的允许偏差中关于构件扭 曲允许偏差5mm的要求。
国家体育场钢结构工程弯扭构件应用部位有：屋 面结构与立面结构连接部位(即肩部)全部采用了弯扭 构件（图3）；截面尺寸主要为1200mmx1200mm，总用 钢量12000多t。
国家体育场钢结构工程箱型弯扭构件制作工艺流 程如图4所示
根据图纸要求制作胎架，胎架模板的设置必须保 证模板上口线形与构件表面外形的一致性，并有效的 增加构件焊接过程中抗焊接变形的临时刚度；整个胎
图3弯扭构件分布范围
表1某典型弯扭板件实测数据与理论数据比较
图4弯扭构件制作工艺流程
架制作完成后既要便于构件拼装，又要便于在制作过 程中对构件变形及精度的监控、测量。 胎架制作时，根据平面投影尺寸划出地脚线外形 及模板位置线并设置模板，模板两端高度尺寸根据主 视图上的尺寸量取。
3.3.2弯扭构件组装
（1）将成形加工好的箱体下翼缘板吊上组装胎 架进行定位，箱体壁板应与胎架模板上口紧贴，其间隙
(2）下翼缘板定位后，然后吊上箱体内部的加劲 肋板和腹板，与下翼缘进行固定，加劲肋、腹板安装定 位时必须正对下翼缘上的位置线，并检查与壁板的安 装间隙，定位后提交检查员验收，验收合格后先进行箱 体内部的焊接，焊接时先焊箱体加劲肋的立焊焊缝，后 焊平焊焊缝，再焊壁板间的纵向焊缝，焊接采用CO2气 保焊进行对称焊接，从箱体中部向两端退步焊接。 (3）箱体内部焊接并检验合格后，进行封板（即 装上翼缘板），封板同样必须保证与加劲肋的安装间 隙.进行翻身后再焊.焊后校正测量（图5）。
由于现行国家规范、标准及规程对弯扭构件及多 向微扭节点验收均无相关规定，在充分调研基础上，制 定出国家体育场钢结构工程弯扭构件及多向微扭节点
图5典型弯扭构件实物图片
第38卷第7期2007年7月 Vol.38No.7 Jul.2007
建 筑 术 ArchitectureTechnology
国家体育场钢结构合拢施工技术研究
高树栋，李久林!，邱德隆！，陈桥生2，魏义进3，郝彤途
北京；2.上海宝冶建设有限公司，200941上海 北京：4.国家体育场有限责任公司，100101北京）
GAOShudong，LIJulin,QIUDelong,CHENGQiaosheng²WEIYijin3,HAOTongtu4
(1.Beijing Urban Construction National Stadium General Contracting Department,100101,Beijing，China;2. Shanghai Baoye Construction Co.,Ltd.,200941,shanghai,China;3.Beijing Chengjian Jinggong Steel Structure Co.,Ltd.,100012,Beijing,China; 4. National Stadium Co.,Ltd.,100101,Beijing,China)
国家体育场钢结构工程由24根桁架柱与48主 桁架围绕着体育场内部碗状看台区旋转而成。钢结构 屋面呈双曲面马鞍型，最高点高度为68.5m4项目全员安全责任管理指导办法(终稿），最低点高 度为40.1m；平面上呈椭圆形，长轴最大尺寸约332.3
国家体育场钢结构工程弯扭构件加工完成后，由 监理单位组织相关单位进行检查。检查结果表明，弯扭 构件的成形质量均满足上述要求
利用本文研究成果，国家体育场钢结构工程箱形 弯扭构件加工详图设计工作历时约五个月，出图约 6000张：弯扭构件制作工作历时约四个月，加工总量
m、短轴最大尺寸约297.3m；屋盖中部的内环开口呈 椭圆形，长轴约185.3m，短轴约为127.5m；桁架柱柱 距为38.0m。屋盖总覆盖面积约60000mf，钢结构设计 用钢约42000t。 48主桁架的上弦杆截面1200x1200~1000x1000 (mm），下弦杆截面1000x1200~800x800（mm），腹杆 截面基本为600x600（mm）.钢桁架矢高12.0m：24根
表2 弯扭构件外形尺寸的允许偏差
约12000t，很好保证了工程的整体进度。 实践表明，本文的研究成果成功的指导了国家体 育场工程箱形弯扭构件的制作施工。
本文在编写过程中得到路克宽等国内钢结构专家 的悉心指导新12j03 外装修，在此表示诚挚的谢意