“鳥巢”建設(shè)片段回顧

戴為志　孟延風(fēng)

我作為中國國家體育場鋼結(jié)構(gòu)分部副總工程師和主管焊接的高級顧問，全程參與了國家體育場“鳥巢”建筑施工的競標(biāo)、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工工作。20年過去了，“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)尤其是焊接工程一直令我難以忘懷。

“鳥巢”的得名

中國國家體育場的建設(shè)，先后經(jīng)歷了建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計和制作、施工五個階段。除了建筑設(shè)計是由中外工程師合作完成以外，其他部分都是中國自主完成，“鳥巢”是地地道道的“中國制造”。

中國國家體育場的建筑模型設(shè)計，由中外建筑師共同完成。外方設(shè)計師是國際知名的建筑師赫爾佐格和德梅隆，中方的總設(shè)計師是中國建筑設(shè)計研究院年輕的副總建筑師李興鋼。

2003年，當(dāng)中國國家體育場建筑設(shè)計模型擺在中外專家面前時，幾乎所有人腦子里同時閃出“鳥巢”兩個字。這是因為體育場從設(shè)計創(chuàng)意來說，看臺設(shè)計東西高、南北低。為了貼合看臺設(shè)計，外表的鋼結(jié)構(gòu)造型也是東西高、南北低。遠遠望去，像個大鳥巢。鳥巢是鳥兒銜來一根又一根樹枝搭建而成，而北京奧運會主體育場則是中國工人把一根又一根鋼構(gòu)件焊接吊裝而成的。

“鳥巢”的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

“鳥巢”建筑模型設(shè)計通過之后，就進入結(jié)構(gòu)設(shè)計階段。

瑞（瑞士）中聯(lián)合設(shè)計體給出的“鳥巢”造價概算是38.9億元人民幣，用鋼量13.6萬噸。這是一個驚世的用鋼量。參加討論的專家們一致認為，過于沉重的鋼外殼，不僅造價昂貴，也會給“鳥巢”帶來結(jié)構(gòu)安全的風(fēng)險。

2004年7月4日，中國工程院土木、水利、建筑工程學(xué)部再次召開奧運建筑專題研討會。院士們在討論中認為，如果“鳥巢”的外形不改變，要減少結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險，主要辦法在取消移動屋頂。這樣做還可以減少一萬多噸用鋼量，節(jié)約四億至六億元。這或許是當(dāng)時的情境下可做的唯一選擇。世界上許多事物都難以兩全，這個選擇也代表我們失去了擁有一個世界上獨一無二的活動屋頂?shù)膰殷w育場的機會。

“鳥巢”的建設(shè)施工競標(biāo)

“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)的建設(shè)施工招標(biāo)是面向全世界的。當(dāng)時大概有13個國家和地區(qū)的施工單位參與投標(biāo)和競標(biāo)。最后城建、中信集團、精工集團和中冶集團的標(biāo)書評估位于前列。“鳥巢”建設(shè)施工的任務(wù)，基本確定落在這幾家頭上。在中國的施工單位是否有能力完成“鳥巢”建設(shè)施工的問題上，有些領(lǐng)導(dǎo)同志舉棋不定。得知消息，我作為中冶集團的代表，寫了一份建言書。核心內(nèi)容有三點：一就技術(shù)層面來講，“鳥巢”施工放眼全世界也是一個全新的嘗試，中國和外國處于同一起跑線上。而且從某些方面來看，中國還有技術(shù)優(yōu)勢。二就經(jīng)濟層面來講，中國施工單位的標(biāo)的價格低，工人的工資低、成本低。三從民族感情層面來講，中國第一次舉辦奧運會，場館建設(shè)理應(yīng)由中國人自己完成。不知道我的建議是否起到作用。最后“鳥巢”建設(shè)施工的任務(wù)，落到了我們中國人自己頭上。

“鳥巢”建設(shè)用鋼全部實現(xiàn)國產(chǎn)化

“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)工程有兩個重要工序，兩個重要節(jié)點。兩個重要工序是“焊接”和“吊裝”；兩個重要節(jié)點是“合龍”和“卸載”。由于“合龍”是焊接的最后工序，所以在“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)工程之初，在專業(yè)排序上就明確提出了“一焊、二吊、三卸載”的戰(zhàn)略思想。這就樹立了焊接技術(shù)在“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)工程各專業(yè)中不可動搖的統(tǒng)帥地位。

焊接雖然極其重要，但如果沒有好的鋼材料，也是無米之炊、無源之水。時任北京市委書記、北京奧運會組委會主席劉淇對“鳥巢”用鋼的國產(chǎn)化，起了重要的推動作用。

2005年3月12日，正值全國兩會期間，劉淇請來國內(nèi)七家鋼鐵巨頭的老總，在北京的菖蒲河公園共同商討“鳥巢”的用鋼問題。

劉淇是冶金行業(yè)出身，他問：“‘鳥巢基礎(chǔ)樁用的鋼是哪里生產(chǎn)的？”

時任北京城建集團總經(jīng)理徐賤云回答：“鋼筋都是國產(chǎn)的，首鋼、寶鋼、承鋼這幾個大鋼鐵廠供應(yīng)的?！?/p>

劉淇又問：“鋼結(jié)構(gòu)用的鋼是哪里生產(chǎn)的？”

徐賤云邊思索邊回答：“鋼結(jié)構(gòu)我們現(xiàn)在還在規(guī)劃、做方案……據(jù)我們分析，有百分之幾的鋼板，大約5個百分點吧，可能需要進口?！?/p>

“為什么要進口？”劉淇追問。

徐賤云坦誠道：“國產(chǎn)的高強度厚鋼板，它的Z方向、力學(xué)性能和抗變形能力滿足不了‘鳥巢的設(shè)計要求。目前國內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)如果用到這種鋼，都是進口?！?/p>

“那么，這是個很大的問題呀?！眲空f，“‘鳥巢要用這個鋼，不利用這個機會通過研發(fā)、攻關(guān)實現(xiàn)國產(chǎn)化，什么時候還有機會??？！”

劉淇再一次問這些國營大廠的當(dāng)家人：“特殊的高強度鋼能不能實現(xiàn)國產(chǎn)？”他告訴大家：“辦奧運就是要拉動民族的自主創(chuàng)新、填補空白！”

舞陽鋼廠負責(zé)人當(dāng)即表態(tài)：“‘鳥巢用的特種鋼材，我們可以自主生產(chǎn)，什么時候需要，我們什么時候供貨！”“自主生產(chǎn)”這四個字，這位負責(zé)人說得豪情滿懷、擲地有聲。

短短一個多月的時間，舞鋼就軋出100毫米厚的Q460E-Z5試驗鋼板。不久，又軋出110毫米厚的Q460E-Z35試驗鋼板。

攻克“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)焊接工程技術(shù)難關(guān)

有了好的鋼材料，還得把一根根、一塊塊鋼材料對接安裝起來。攻克“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)焊接工程技術(shù)難關(guān)，擺在了我面前。

“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)焊接工程可以用“七大難關(guān)、十四項技術(shù)、八個鮮明特點”來概括。由于它的專業(yè)性太強，只講幾件事情。

一是攻克“鳥巢”用鋼的焊接性試驗難關(guān)。11厘米厚的鋼第一次被我們自己生產(chǎn)出來。它能不能用？好不好用？它的焊接技術(shù)參數(shù)和工藝怎樣？都需要通過試驗取得。舞陽鋼廠打破常規(guī)和慣例，無私地把3塊長約9米、寬約1.3米、重13噸多，當(dāng)時總價值四五十萬元的Q460E鋼板送給了施工單位，大大降低了試驗成本。

我從舞鋼回到北京后不久，就拿出了一套Q460E鋼試驗方案。時任“鳥巢”建設(shè)鋼結(jié)構(gòu)分部總工程師周文瑛和其他焊接專家看了，完全同意。本來準(zhǔn)備把試驗?zāi)玫侥戏揭患液附友芯苛α啃酆竦难芯克プ?，可這家研究所看了試驗內(nèi)容，沒敢接。因為這種鋼，這樣的厚度，這樣大規(guī)模使用，在世界上都是第一次。原有的鋼材可焊性的試驗方法，要重新進行組合修改，連評定的標(biāo)準(zhǔn)都要重新制定。

中冶集團焊接研究所最終承接了這項光榮而艱巨的試驗任務(wù)。

在此后幾個月的時間里，鋼焊接性試驗團隊，廢寢忘食、苦心鉆研，經(jīng)過100多項次試驗，梳理出上萬個數(shù)據(jù)后，最終攻克了Q460E鋼焊接的技術(shù)難題。

二是突破柱腳拼裝焊接難關(guān)?！傍B巢”鋼結(jié)構(gòu)安裝焊接過程中，最復(fù)雜的階段是柱腳的拼裝焊接。在研究“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)桁架柱柱腳的焊接順序時，曾經(jīng)發(fā)生過這樣一件事情。

鳥巢主結(jié)構(gòu)焊接順序

一群專家和技術(shù)人員聚集在會議室，我提出自己的方案，同時闡述理由。首席焊接專家周文瑛則針對我的方案找出問題，提出質(zhì)疑，我作出解答。然后周文瑛提出他的方案和思想，再由我反駁。其他人員做裁判員。他們中有學(xué)焊接的，也有學(xué)結(jié)構(gòu)的，這樣就可以從不同角度提出問題并對回答作出評判，直到全體取得一致意見。每一條焊縫都是這樣一個過程。

就這樣，一個柱腳的焊接順序，就排了三個下午。而經(jīng)過這樣縝密過程做出的方案，每一盤焊絲，每一根焊條，每一個技術(shù)參數(shù)，都和工程實際連接了起來。

三是征服低溫焊接難關(guān)。“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)之所以要搞低溫焊接，是總工期安排“逼”出來的。

按照總工期要求，“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)安裝工程于2005年10月28日開始，必須在2006年6月份之前完成。這就要求我們必須在2005—2006年的冬季，實施鋼結(jié)構(gòu)低溫焊接工程施工。

本來，對于冬季鋼結(jié)構(gòu)焊接施工，施工單位具有豐富的經(jīng)驗，他們原本想設(shè)置保溫棚，采用電加熱，全部實現(xiàn)正溫焊接，避免低溫（負溫）焊接。這種想法立即遭到焊接界專家和技術(shù)人員的反對。因為僅憑經(jīng)驗而沒有充分的理論依據(jù)、試驗數(shù)據(jù)，是“鳥巢”這么一個事關(guān)國家形象的標(biāo)志性建筑物施工所不允許的。

于是，2005年12月中旬，根據(jù)時任國家體育場工程總工程師李久林的指示，我?guī)ьI(lǐng)一支15人的隊伍，到哈爾濱做負溫焊接的試驗。

剛下火車，只在露天站了一會兒，我就覺得頭被凍得發(fā)疼。這一天，哈爾濱的最低氣溫是零下15攝氏度。

隨后的3天里，一共做了15組試驗，平焊、橫焊、立焊、仰焊都做了。這是何等嚴酷的試驗環(huán)境！一塊試板，一個不變的焊接姿勢，在零下十幾攝氏度左右的室外一焊就是四五個小時。一塊試板焊完，焊工們也凍僵在原地，要人把他們拉起來。

把試件運回北京測試，根據(jù)得出的結(jié)論，確定了“鳥巢”負溫焊接的極限溫度是零下15攝氏度。這是一個綜合的指標(biāo)，不僅是鋼材承受的極限，還有設(shè)備承受的極限。最重要的，是人的承受極限。同時，還確定了“鳥巢”從零攝氏度到零下15攝氏度焊接的一系列工藝規(guī)程。

組建思想過硬、技術(shù)過硬的焊工隊伍

合格的鋼材料有了，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和工藝規(guī)程有了，算是“萬事俱備”。那“東風(fēng)”在哪里？“東風(fēng)”就是一支思想過硬、技術(shù)過硬的焊工隊伍。

“鳥巢”焊工隊伍的組建，可謂一波三折。最初，絕大多數(shù)人并沒有意識到焊工危機的存在，直到工程進展中發(fā)現(xiàn)了制約工程進度、影響工程質(zhì)量的軟肋—焊工隊伍的數(shù)量和質(zhì)量。然而，到哪里去找至少500名合格乃至優(yōu)秀的焊工呢？

“鳥巢”指揮部派出精干人員，到北京、天津、上海、包頭去挑選和考核焊工。本以為，“鳥巢”厚板、超強鋼、全位置焊接（重點是仰焊）以及100%UT-BI的要求，會嚇跑不少焊接高手。但沒有想到的是，不少優(yōu)秀焊工懷著為國家建功立業(yè)的夢想，加入這個隊伍。據(jù)不完全統(tǒng)計，有911名焊工參加了初選，最終錄取832名，再從中挑選265人進行強化培訓(xùn)。

令人意外的是，第一期培訓(xùn)班就出師不利—在對40名焊工進行的入學(xué)摸底考試中，竟無一件合格作品！首戰(zhàn)即全軍覆沒，怎么辦？“鳥巢”人的回答是：“三從一大”（從嚴、從難、從實際工程出發(fā)，模擬現(xiàn)場風(fēng)速、濕度等條件進行大工作量訓(xùn)練半軍事化的魔鬼訓(xùn)練）。在長達12天的培訓(xùn)期里，焊工們早上7點起床，出操、接受戰(zhàn)前動員，然后每天必須完成2組50毫米—60毫米厚的試板焊接，這個工作強度可以把幾乎所有焊工的體力消耗殆盡。晚飯后，教練和指導(dǎo)老師會對每個焊工的試件進行點評，有的被批評了的焊工，會在點評結(jié)束后含淚加班操練。這還沒完，還有緊接著的俯臥撐、下蹲等體力訓(xùn)練，直至晚10點才能休息。前后一共進行了7期培訓(xùn)。

毫不夸張地講，焊工們是拿生命在灌筑“鳥巢”。比如有條柱腳的焊接，是在寬420毫米、深220毫米、長1700毫米左右的深坑進行。焊縫不僅位置奇怪，而且其部位稱得上是焊接“禁區(qū)”。更危險的是，焊縫采用的是二氧化碳氣體保護焊技術(shù)。二氧化碳的比重比空氣大，容易在深坑底部存留而讓人窒息。沒有豪言壯語，也沒有進行戰(zhàn)地動員，“鳥巢”焊工們爭先恐后要求參加這條特殊焊縫的焊接。現(xiàn)場就像戰(zhàn)爭時期共產(chǎn)黨員主動請纓斬關(guān)奪隘一樣，令人感動和唏噓！《北京青年報》著名記者楊菊芳在長篇通訊《筑巢》中這樣描寫：“……這種焊接活，只有中國的工人階級才能干！”

還有一根立柱和柱腳的焊縫，再次出現(xiàn)焊接“禁區(qū)”。18名焊工連續(xù)倒班工作58個小時，焊縫的一次合格率100%，終于啃下了這塊硬骨頭。

到2006年1月25日止，各單位共完成焊縫53868米。經(jīng)專家驗收，“鳥巢”整個焊接工程的焊縫一次合格率高達99.7%，少量第一次探傷有缺陷的焊縫經(jīng)返修和二次探傷，全部合格?？梢则湴恋卣f，“鳥巢”的焊縫，沒有一條裂紋。這不僅是中國建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接的頂峰，也是世界鋼結(jié)構(gòu)焊接的奇跡！

“鳥巢”的建成，極大地提升了我國的鋼結(jié)構(gòu)焊接水平。經(jīng)過“鳥巢”實戰(zhàn)，我國的鋼焊接技術(shù)一躍成為世界領(lǐng)先。我本人也作為主要研發(fā)人員之一，獲得國際焊接學(xué)會頒發(fā)的國際焊接最高獎—“Ugo Guerrera Prize”獎。

“鳥巢”建設(shè)還有力地推動了我國冶金工業(yè)的發(fā)展。以前，很多特殊鋼材、鋼板我們都要從外國進口。現(xiàn)在，我們自己也能大批量生產(chǎn)大厚度、高強度的鋼材料，甚至開始出口。

在“鳥巢”施工過程中，我們培養(yǎng)了一大批焊接骨干?！傍B巢”的焊工，當(dāng)年不管是持A證還是B證，現(xiàn)在都成了全國焊接行業(yè)最受重視的一批人，至今仍在國家建設(shè)的各個角落，發(fā)揮他們應(yīng)有的作用。

（責(zé)任編輯 楊琳）