编者按

难忘的“鸟巢”焊接工程

2008年，被称为“鸟巢”的中国国家体育场逐渐揭开神秘的面纱，终于在8月8月晚惊艳亮相(图1)。

“鸟巢”本身自然也是一个奇迹。尚未正式竣工时，它便在世界上获得了诸多荣誉：《泰晤士报》评出全球建设中的“最强悍”工程，“鸟巢”跻身全球十强；美国《时代》周刊选出世界2007年100个最具影响力的设计，“鸟巢”夺得建筑类最具影响力设计的桂冠。

这个工程，凝聚中华民族百年梦想，承载中国人变富变强自立于世界民族之林的激情，可以毫不夸大地说：百年梦园、举世瞩目的奥运主会场“鸟巢”钢结构焊接工程是目前世界上最难的工程，是“空前和基本绝后的”工程；

“鸟巢”钢结构焊接工程除同瑞典合作建筑设计外，从结构设计、深化设计、制作、安装、焊接全部由中国人自行完成，所有钢材全部国产，“鸟巢”是地地道道的中国制造。

国家体育场“鸟巢”举世无双的编织钢结构，不仅仅有强烈的视觉冲击和挑战性，而且、她的成长过程还给人们带来无穷无尽的好奇和思考。

 “鸟巢”钢结构旋转对称、看似无序的超大跨度编织显得分外复杂，具有十分强烈的挑战性和视觉冲击；“鸟巢”独到采用弯扭构件、特殊采用全世界首次使用厚度为110mm的Q460E-Z35高强钢的重型钢构、高空大跨度马鞍型设计造型，不仅使结构变为十分复杂，而且带来难以控制的应力应变状态， “鸟巢”全焊钢结构，整个系统没有一颗镙丝和铆钉，钢结构所有作用力全部由31万米焊缝承担，作为影响结构体系安全运营的焊接工序质量要求之高是显而易见的；很显然、其专业排序应为：“一焊、二吊、三卸载”；因此、确立了焊接在钢结构工程中各专业的统帅地位，决定了 “鸟巢”钢结构焊接工程是一场攻坚战，真可谓：“成也焊接、败也焊接”，令世人瞩目。

“鸟巢”所在地是北京紫禁城中轴线东侧，种种迹象证明，所占的22公顷土地绝对是一块福地，承受“龙脉”的滋润，紫气东来，肯定造福于中国人；

2003年，当中国国家体育场设计模型首次与世人见面时，那个形象，几乎所有人脑子里同时闪出“鸟巢”两个字。从此，一个用钢铁编织的巨型建筑被赋予了一个亲昵而又形象的称号——“鸟巢”。

 “鸟巢”从设计创意来说，看台设计东西高、南北低，为了贴合看台设计，外表的钢结构造型也成了东西高、南北低，远远望去，像极了“鸟巢”。 整个“鸟巢”建筑通过巨型网状结构联系，内部没有一根立柱，看台也是一个完整的没有任何遮挡的碗状造型，赋予体育场无与伦比的震撼力。 鸟巢是鸟儿衔来一根又一根树枝搭建而成，北京奥运“鸟巢”亦是如此。先进的设计理念背后，需要强大技术和工程来支撑，需要数以千计的建筑工人们日以继日的工作来完成了这一个浩大的工程（见图2）。

图2. 2004.～2006.2“鸟巢”成长图示

“鸟巢”在建设过程中诞生了太多的奇迹；往往在不经意中带来惊喜；在“鸟巢”建设过程中，工人行走的钢板网通道上，人们发现了用废铁丝、焊条头、小树枝等材料搭成的真鸟巢。这绝不是神话，也没有瞎编，这是实实在在的、真实的大自然的恩赐、这是天人合一的无价之宝（见图3）。

图3. 小鸟搭成的真鸟巢

真实的鸟巢一岀现，人们奔走相告，整个工地都传开了，大家觉得新奇：小鸟居然不怕电弧的闪烁，吊机的轰鸣，工人们坚实的步履，把家建在一般人想不到的地方，並且就地取材、坚固异常；人们更多的是惊喜、是欣慰，小鸟巢网状编织的主脉络和钢铁“鸟巢”主结构的走向、何其相似仍尔！

人与自然的和谐，预示“鸟巢”工程的成功；这难道不是紫气东来的又一印证吗！这件事也引起了媒体的性趣，中央电视台为此专门作了报道。

的确，“鸟巢”钢结构安装工程，对我国的安装技术是一次大捡阅，带来了技术上的大突破。

由于现场焊接焊缝都为受力焊缝，根据设计要求均为一级全熔透焊缝，施工难度大，施工质量要求相当高，政治影响也很大。

Q460E-Z35 δ＝110mm为建筑钢结构首次使用，Q345GJD国内应用单位也不多，对上述钢材的热加工技术，焊接工艺无成熟经验可借鉴；Q460E-Z35厚板焊接技术应用研究（可焊性研究），目的是为Q460E-Z35钢材焊接工艺的合理选择与评定提供科学的依据，以指导钢结构工程Q460E-Z35的焊接施工；这项工作存在极大的风险和难度。

钢结构安装（拼装）工程采用的焊接技术有SMAW、GMAW、FCAW-G(H、F、V)；部分采用了GMAW-A(实心CO2气体全自动焊)，FCAW-GA(药芯CO2气体全自动焊)。

工程中首先进行了Q460E-Z35焊接性试验及焊接技术的应用研究。主要进行了SH-CCT图的试验研究，Q460E-Z35热切割试验；Q460E-Z35热矫正试验；Q460E-Z35焊接冷裂纹试验研究，Q460E-Z35刚性焊接试验研究，然后进行了以及Q460E+Q460E(O、H、V、δ＝110mm)、Q460E+Q345GJD(O、H、V、δ＝110mm,100 mm)、Q460E+GS20Mn5V(O、H、V、δ＝110mm)的焊接工艺评定13项；其余Q345GJD、Q345、GS20Mn5V等钢材，分别进行焊接技术、焊接位置、材料规格、以及异种钢材的组合按JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》进行焊接工艺评定184项，同时进行了GMAW、FCAW-G大流量防风模拟试验。为了适应冬季施工，进行了Q460E、Q345GJD钢的冬季焊接试验共24项。所有实验全部按预期目标完成；这些试验的结果准确可靠，成为了国家体育场（鸟巢）钢结构工程焊接技术规程有力的技术支持。在技术路线的制定过程中起到了决定性的作用。

“鸟巢”是由众多构件组拼而成的网状结构，钢构件呈不规则布置。在施工的准备阶段和施工过程中，研究了对大型钢结构安装实施空间三维测量控制方法，确保了整个结构的安装精度；采用了计算机仿真技术，进行了大型履带吊的吊装设计与管理，异形构件的吊装技术的开发研讨与应用；经过了大跨度空间结构安装过程的工况分析，确立了临时支撑的设计和应用技术的开发研讨与应用；开展了钢结构柱的现场拼装、运输、整体（或分段）拼装技术，空间次构件的安装技术的研究应用。

除在前期的施工准备过程对各种因素进行充分的分析和研究，在各个环节控制构件的精度和适量预留量外，还进行了对接口的详细工艺研究，克服了双向扭曲的截面形式、焊接累积变形、制作精度的差异、长期温度、短期温度变化的影响、支撑的不均匀沉降、吊装形态与设计状态的差异、构件在对接安装时存在很大的难度等因素的客观困难，保证了构件的顺利对接，确保构件在实际安装过程中的精确对接。

“鸟巢”人侠肝义胆、用钢铁的意志驯服了钢铁的“鸟巢” 。2006年9月17日定为国家体育场“鸟巢”的生日，因为在这天“鸟巢”钢结构临时支撑塔架卸载成功，标志着这项世界上最复杂钢结构的世纪工程提前建成。

“鸟巢”钢结构安装工程于2005年10月28日开始，2006年11月全部结束，历时12个月。

“鸟巢”钢结构工程有两个重要工序，两个重要节点。两个重要工序是：“焊接”、“吊装”；两个重要节点是：“合龙”、“卸载”。 由于合龙是焊接的最后工序，所以“鸟巢”钢结构工程之初，在专业排序上就明确提出了：“一焊、二吊、三卸载”战略思想，这种琅琅上口，极易理解和记忆的专业排序，迅速得到了“鸟巢”人的承认和推广，因此、树立了焊接技术在“鸟巢”钢结构工程各专业中不可动摇的统帅地位。

（一）

焊接是“鸟巢”钢结构工程的灵魂

应当承认，焊接是“鸟巢”钢结构工程的灵魂，焊接技术应用理论贯穿了“鸟巢”钢结构工程的全过程：从钢结构的深化设计开始，焊接位置（特别是仰焊）的确定；焊接坡口形状的设计；钢结构构件的切断方式；钢结构吊装单元的组装焊接；Q460E-Z35新钢种焊接性试验研究；焊接工艺评定；（PQR）；编制《国家体育场钢结构施工组织设计》（WPS）；根据（WPS）培训厚板焊特别是仰焊焊工；焊接接头厚板层状撕裂的防止；焊缝热裂纹、冷裂纹的控制；厚板多层多道错位焊接技术的开发研究；钢结构焊接采用远红外电加热、后热技术；焊接设备、材料的选用复检；钢材性能的复检；钢结构的合龙及卸载无一不涉及到焊接应用技术理论和实践经验。“鸟巢”钢结构为全焊钢结构，整个工程没有一颗螺丝钉和铆钉，钢结构的全部重量和外界各种因素所引发的各种内力（比如：温差、风载、雪载、地震等）的叠加，全都由焊缝来吸收和承担；焊接质量的重要性可想而知，所以说：“鸟巢”钢结构工程“成也焊接、败也焊接”。

由于“鸟巢”钢结构独特的编织体系和特殊厚板、厚110mm、Q460-Z35钢的采用，使焊接形成了许多难关，对此、 “鸟巢”人自强不息，摸着石头过河，“鸟巢”人秉承了中国5000年的文化内涵，应用现代科技手段，进行了艰苦卓绝的攻关，克服了目前建筑钢结构难以想象的困难，开展全面质量管理，集我国工程界智慧之大成，终于夺得了“鸟巢”钢结构焊接工程的最后胜利。人间奇迹屹立京城，奇光异彩让人称赞。

从焊接应用技术的角度忠实地记载破解“鸟巢”焊接难关的全过程；总结、分析和提高了攻关采用的经典技术；具体对“鸟巢”钢结构焊接工程而言，概括为：“七大难关、十四项技术、八个鲜明特点”。

图4. 刘景凤指导模拟强化培训

图5. 大面积采用仰焊技术

（二）

吊装是“鸟巢”钢结构工程的焦点

“鸟巢”钢结构的吊装也是人们关注的一个焦点；现场安装的构件最大重量达到420吨，而且100吨以上的构件吊次达到150多吊，因此对此类超大构件的吊装，除需要编制详细的施工组织设计外，还必须对大型设备的超起工作性能、运行道路的处理、吊装索具详细设计等做必要的优化设计，以提供整个吊装过程的工作效率和安全。  “鸟巢”钢结构体系新颖，经过多种施工方案反复比较、多次多层次的专家论证最终确定钢结构总体安装方案采用分块高空散装方法。主体钢结构的安装顺序遵循对称同步、尽早形成安装区域局部稳定的原则，总体上分为三个阶段八个区域，主体钢结构共划分230个安装单元，其中：桁架柱48个安装单元；平面主桁架166个安装单元；立体桁架16个安装单元。外环布置2台800t履带吊负责吊装24根桁架柱和外圈主桁架，4台150t履带吊负责立面次结构的安装；内环布置2台600t履带吊负责吊装内圈和中圈主桁架；顶面次结构安装阶段，外环采用2台300t履带吊负责吊装外圈肩部及顶面次结构，内环采用2台150t履带吊负责吊装内圈顶面次结构，在立柱全部装完的前提下，安装鸟巢钢结构主结构。

在吊装工序的具体环节中；采用了计算机仿真，单机脱模、起板、运输、吊装就位；双机抬吊脱模、板直、运输、安装就位；和“三维测量定位高空散装”工艺，开拓了我国建筑钢结构大型、不规则复杂重型钢构件吊装的先河，为我国建筑钢结构工程技术进步提出了成功的经验和技术支持（见图6、图7.图8.图9）。

图6. 单机起板、双机抬吊工况

图7. 三角形巨型立柱下部、上部构件吊装

图8. 800t吊车吊装吊装外环上柱

图9. 600t吊车吊装吊装内环主结构

（三）

合龙、卸载是“鸟巢”钢结构工程的关键

“鸟巢”钢结构首次提出建筑钢结构“合龙”的概念，丰富和发展了建筑钢结构焊接技术应用理论。

“合龙”是焊接工程的收官之作，是焊接工序的最终阶段，是“鸟巢”钢结构支撑塔架卸载的前提条件：

“鸟巢”钢结构焊接工程中顶面主结构和立面次结构各有四条均匀分布的合龙线；通俗地说；这八条线上所有的焊口在施工过程中是不准焊接的，施工过程中允许相对运动，因为焊口中的相对间隙随温度的变化而变化，有人对此形象的比喻为：“会呼吸的焊缝”；

这是因为“鸟巢”这时的钢结构是分散的、带有临对支撑的不稳定体系，很容易受到温度变化的影响，焊缝随温度的升高和降低，焊口表现出“一张一合”的动作，很象“呼吸”；理论上分析：这些是：温差应力载荷引起相对运动的焊缝；这些焊缝，在最后钢结构形成封闭稳定的系统时才进行焊接，所以焊接残余应力很大，严格地讲；合龙焊缝的焊接是属于焊接工序中，不采取有效措施是不允许进行施焊的带载焊接的范围。

带载焊接也就是我们划定的焊接“禁区”之一；可想而知、在焊接禁区进行施焊合龙，无论对工人的技术、焊接专项方案的制定都有极高的要求，所以具有很大的难度和风险(见图10)；

图10. “鸟巢”合龙

无论是否对建筑钢结构合龙有所认识，也无论是否承认：建筑钢结构凡是形成封闭稳定体系的焊缝都是合龙焊缝，都是带有负载的焊缝；这是不以人们意志为转移的客观规律；可以肯定地说：合龙焊缝存在于所有的钢结构工程，只不过表现形式上的不同而已。据此、对“合龙”焊缝进行如下定义：

带临时支撑的分散的不稳定钢结构转换成为封闭稳定系统的过程叫合龙，使之成为封闭稳定体系的焊缝叫合龙焊缝。

合龙有广义和狭义之分；“鸟巢”的合龙是狭义合龙，即技术要求特别高的合龙。在有的工程中，由于人们对合龙概念模糊，往往在工程中出现偏差而不得其解。“鸟巢”合龙观念的提出并成功实施，无疑为建筑钢结构正本清源，使建筑钢结构焊接技术的发展趋势符合客观规律。

合龙完成之后，钢结构体系形成了一次初始应力，而“鸟巢”钢结构体系中真正的初始应力是在钢结构体系卸载后进行应力重新分配形成，从顺序上讲：叫钢结构的二次初始应力；根据以上阐述，我们对“卸载”进行如下定义：

钢结构带临时的封闭稳定体系转换成钢结构自承重体系的过程叫卸载。

“鸟巢”钢结构安装完成后的卸载过程一直是钢结构施工过程中最受关注的问题，卸载是对“鸟巢”钢结构工程整体质量特别是焊接质量的最终检验。

从理论上分析：卸载严格地检验焊接残余应力的分布，钢结构体系在形成自承重体系的过程中，会对焊缝的应力集中点（应力接近成超过屈服极限时）产生冲击甚至破坏，假如焊接质量不好，有一条焊缝开裂，这条焊缝所承担的应力迅速分配到其他焊缝，当某焊缝增加值超过极限时开裂，其应力又向外分配，如此循环往返，承受应力的焊接接头在减少，而所分配的应力在增大；最终形成“多米诺骨牌效应”，其结果是“鸟巢”的垮塌！可见焊接质量对“鸟巢”是多么重要。  

另外、不合理的卸载过程将对系统产生强大的冲击，有可能使所有的工作前功尽弃，而获得一个破坏的或者不安全的结构体系，这对民族和单位以及个人来说都将是灾难，特别是“鸟巢”钢结构的重要地位和复杂性，因此专门课题的卸载分析和卸载过程中实测研究非常有必要。

对“鸟巢”钢结构而言：“卸载”的本质是对其加载，而真正卸载的是临时的钢结构支撑塔架，而钢结构要靠自己的能力站稳脚跟，成为自承重系统。

“鸟巢”人采用了“七大步三十五小步，循环等比卸载” 的方案，像呵护婴儿一样，经过一周左右的时间艰苦工作，于2006年9月17日而获得成功(见图11)。

图11. 北京市委书记刘淇（中）在卸载成功后工地同“鸟巢”人合影

首当其冲的焊接工程，其结果灿烂辉煌： 设计要求几乎全部焊缝为全熔透一级焊缝，焊缝的总长超过了31万米。现场焊缝超过6万米（不含角焊缝），100%超声波探伤，一次合格率高达99.5%以上，质量指标之好为全国之最。最典型的是不同的三天三夜焊完的400多条合龙焊缝，在高空焊接成功，一次合格率为99.9%。为工程焊接界中最辉煌的典范。

据不完全统计，整个“鸟巢”所消耗的焊材2100吨以上，在当时，同样也是国内之最。

所有记载、总结、分析均证实：国家体育场“鸟巢”钢结构焊接质量在全国乃至全世界钢结构工程中都是最好的， 完全可以十分自豪地说： 我们成功地破解了“鸟巢”焊接难关，赢得了工程的最后胜利（见图12）。

图12. “鸟巢”2008.8.8夜景