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“水滴”是这样诞生的
号称“世界首创湖上体育场”的天津奥林匹克中心体育场“水滴”，在经过三年多的建设后，3月10日将向世人揭开面纱。
“水滴”的设计周期前后总共花了两年多时间，这个呈不规则椭圆形的“大水滴”仅屋盖的设计图纸就超过2000张，而由外弧里弧共896条圆弧、近万个节点拟合成整个曲面的设计，全国知名专家论证：“水滴”造型、曲线、利用的材料是目前国内体育建筑最复杂的设计。
那么，参与这项伟大工程的设计者和建设者，是如何让一个浪漫奇异的想象变成现实的呢？这个建筑“皮肤”由金属和玻璃组成的“大水滴”，建设者是如何克服设计和施工上的难度，让这些材质各异的“皮肤”安全妥帖地覆盖到“飘移”的钢架上？在一个个“拦路虎”面前，“蜘蛛侠”安装工们如何在维系生命的安全绳上工作？
这里，我们只做记录，也仅能做记录，因为记录是对建设者最大的尊重和敬意！
设计方案竞争的是外观
“角斗士”均国际一流水准
临水而起，犹如一颗由东南风吹来的水滴，在建的天津奥林匹克中心体育场与已建成的天津体育馆宛若两颗清亮的水滴，摇曳着在水面掠过。这幅诗意美景将于3月10日呈现在我们面前。
2008年，北京奥运会的足球比赛将在这里进行。
天津奥林匹克中心体育场的设计，按照国际惯例，天津市政府采取向国内外招投标方式公开招标，经过专家反复论证和评审，日本佐藤综合计画从中国、澳大利亚、法国、德国、韩国、美国等的12家竞标单位中脱颖而出一举中标。最终由他们与天津建筑设计院联合完成天津奥体中心竞技区总规划及体育场单体设计。
事实上，12家竞标单位中包括天津建筑设计院，他们提供了将天津“市花”月季花融入设计理念的“城市之魂、水韵花影”设计方案。对于曾经设计过天津体育中心等成功案例的这家设计院，这次方案没有中标，该院副总建筑师王士淳显得很坦然。
“12个方案当中，11个方案都是国外设计的，其中有4家与中国合作，我们是唯一一家纯中国的设计单位，而且入围了三甲，还是挺骄傲的。”王士淳承认，中标的日本方案立意在12个方案中是最突出的。“水环境在天津来讲是一个特点，而原来奥体中心预留用地范围内就有较大水面，体育场造型是水滴状，与周围水环境比较融洽。”
与此相对应，其他落选的11个方案，在设计风格与设计理念上各有什么优劣？王士淳肯定，设计竞争的就是外观。“不是说谁中标就是最好的设计单位，中标与否同评委的审美取向有很大关系，可能再请一批评委又会有不同的选择。”
报名参与招标的30多家设计单位中，经过资格和业绩评审，筛选出12家在体育设施设计上具有国际一流水准的设计单位参与竞标。这12家单位涵盖了1992年巴塞罗那奥运会、1998年法国世界杯、2000年悉尼奥运会、2002年韩日世界杯、2004年雅典奥运会和2006年德国世界杯主体育场的设计单位和个人。“从总体上看，这12个设计方案代表了当今国际上体育场设计的最高水平和最新理念。”王士淳评价。
中日合作完成总体设计
体育场设计中方有优势
天津建筑设计院最终与日本佐藤合作完成总体设计，设计方案有没有几易其稿？合作过程中有没有矛盾？
“方案确定后，我们院长带队赴日本去研究方案修改问题，一共去了9个人，日本方面也多次派人到天津。在初步设计阶段，我们院专门派了一位设计师在日本呆了一个月。佐藤很愿意与我们合作，他们对天津建筑设计院评价很高。”
由天津建筑设计院完成设计的天津体育中心，1995年43届世乒赛投入使用时得到很高评价，该设计获得很多国内建筑奖项最高荣誉。王士淳回忆，“日本佐藤很尊重我们，佐藤的优势是搞音乐厅、剧院，日本国内很多著名剧院都是他搞的，而在体育场馆设计方面我们有优势，正好是一个弥补。”
天津建筑设计院在1995年成功设计天津体育馆后名声大噪，之后陆续做了厦门总工会体育中心、苏州体育馆、陕西体育馆等大型工程，目前正参与沈阳奥体中心设计。“我们院在做体育场馆等复杂的大型空间设计上有很大优势，这也是我们院今后发展的特色。”
历年来参与大型工程的设计锻炼培养了一批人。王士淳说，“从1998年以后院里投资近100万购买了一些世界先进设计软件，通过研究应用培养了一批人才；院里还分阶段组织人员到日本、欧洲等国家去考察，比如2004年雅典奥运会就派技术人员实地考察。”
设计周期前后花了两年多
仅屋盖设计图纸超两千张
号称“世界首创湖上体育场”的“水滴”，建筑“皮肤”是由金属和玻璃为主要材料，这个呈不规则椭圆形的“大水滴”屋架是钢结构，据说屋盖和钢结构是施工难度最大的两块，到底难在何处？
“水滴屋盖造型设计时是在计算机上建立的模型，但从设计图纸落实到施工图纸时，计算机模拟图在实际施工时根本操作不了，我们等于要手工作业。‘水滴’屋盖每条曲线都是圆弧，但这些圆弧不能由一个统一的数字方程来概括，屋盖包括外弧里弧共有896条圆弧，我们测了近万个节点拟合成整个曲面。”
王士淳的另一个身份是天津奥林匹克中心规划设计总负责人，在他的办公桌上，堆满了厚厚的设计图纸，说话间他从暖气片后又抽出几卷设计图纸，“实际上我们仅屋面的设计图纸就超过2000张，而其中最难的计算部分就是水滴抻出来的那部分。”
“水滴”的设计周期前后总共花了两年多时间，天津建筑设计院曾召集全国专家论证，证明此设计在国内建筑界是最复杂的。“2005年有一个体育建筑学术研讨会，全国知名专家论证：‘水滴’的曲线、造型、利用的材料都是最复杂的。”
王士淳证实，“水滴”施工的复杂性佐藤也是没有预料到。“在施工过程当中，我们做的大部分工作，他们基本上不过问，在施工过程中我们要不断修改设计上的问题，这么大屋面有金属、玻璃等这么多性质不同的建筑材料，每一种膨胀系数都不同，将来会不会出现温差变形？自然条件下不可预测的特殊情况会不会发生？都有待时间检验。”
“水滴”屋面板材覆盖面积达7.7619万平方米，到目前为止是国内最大的体育场，这么大屋盖面积在世界上也是少有的。王士淳说，“佐藤只提到一句话——这个建筑很特别，要精心设计，不能让业内人士，比如参加招标的设计师挑出毛病来。”
对于这个备受国际国内建筑界关注的项目，2007年9月10日女足世界杯将是它迎来的第一次实战演练。
看台超长无缝不切“西瓜瓣”
外露混凝柱梁板“原汁原味”
水滴在建筑结构上有两大特点：一个是土建看台“超长结构无缝设计”与施工，另一个是大悬挑屋盖钢结构设计。
作为具有国际标准的现代化体育场，“水滴”总建筑面积158000平方米，相当于24个标准足球场大。其中地上6层为钢筋混凝土框架结构，其面积最大的首层楼盖(楼板)长约470米，宽约370米，这样大型的体育场土建看台，若按常规每隔40米到50米设置伸缩缝，就会将外周长1038米的结构分成很多“西瓜瓣”式独立框架，这不仅给施工带来麻烦，更给建筑后期使用带来不便，比如很多体育用房的分隔。
对此设计人员采用了“超长结构无缝设计”。
目前国际上对于建筑结构变形作用导致裂缝发生，客观上存在两类学派：第一类，对伸缩缝和沉降缝的设置基本采取“裂了就堵，堵不住就排”的处理方法，采用此类设计的有日、英、美等；第二类主要按规范每隔一段距离留一条伸缩缝，即留缝就不裂的设计原则，采用此原理的有前苏联、前东欧和中国等。
“大量的工程实践证明，留缝与否并不是决定结构变形与否的唯一条件，留缝不一定不裂，不留缝不一定裂。综上我们认为控制裂缝重点在防。”天津建筑设计院副总工程师宋彻告诉记者。
看台土建施工的“超长结构”，按国家规定室外结构30米长就应断缝，室内结构55米长断一个缝，“‘水滴’1038米外周长没有断缝，在长江以北建筑结构里是最长的，这个技术难度被我们攻克。”
另外，“水滴”看台施工采用的是预置看台板方式，即预先在生产车间完成看台的浇筑和制作，然后运到施工现场安装。“水滴”内所有外露的混凝土柱、梁、板一律采用清水混凝土浇筑，后期加工无须再粉刷，使看台板呈现混凝土的“原汁原味”。记者在现场看到，空阔的看台区板面平整、色泽一致、线条顺滑，既有现代体育场的简洁明快，又显得质朴素雅。
“好钢用在刀刃上”减少造价
减钢量改进施工节约七千万
在减少建筑造价上，“水滴”的上部钢结构屋架设计很值得大书一笔。“水滴”的钢结构屋架是由一榀一榀V字形平行弦主行桁架支撑，通过大量分析，仅此一项就使用钢量从中标设计所需的17000吨降到13000吨。
“用钢量少了但分布更均匀了；更重要的是结构性能在提高，比如结构线性屈曲特征值由2.7增大到5.1，这个数字变化的意义是：‘水滴’钢结构原来荷载加到2.7就会失稳，通过对日方方案优化修改，最大荷载可增到5.1，对增强抗震性意义重大。另外，钢材厚度也由24公分降到20公分。”副总工程师宋彻告诉记者。
“好钢用在刀刃上”的钢材合理分布最明显的效果是：“钢材用量缩减了4000吨，节省了5600万元；日方确定方案时用的钢号是Q390，最后我们用的是Q345，钢的标号也降下来了。2004年招标时国内还没有Q390钢材，国家也提出举办节约奥运。钢号降下来用国产的钢材意义很大。”
宋彻说，“‘水滴’总造价是14.2亿，钢结构屋架本身中标时用钢造价是1.95亿，若全部靠进口得2亿左右，选用国产钢从加工、运输、调装上就能节省40%到60%。”
天津土质不好，特别是场馆地基在水洼地带，“我们打桩就选用预应力管装，2003年开工打桩就选用此方法又节约了资金。原来中标时打桩预计需投资3000多万，改成预应力管装后预算是1952万，又节约了1000多万。”
水滴奇异无规律可循
进场傻眼一坐一天半
2005年9月2日，负责“水滴”屋面施工的沈阳远大铝业工程有限公司项目经理李莹从沈阳赶到天津，当天进入现场，他马上就傻眼了。“整个屋盖根本无规律可循，我第一感是无从下手。来之前在家里研究了好多方案，到现场发现全部是纸上谈兵。”
2003年8月28日天津奥林匹克中心体育工程正式开工。“水滴”在土建、看台、钢结构屋架逐项完工后，这个呈不规则椭圆形的“大水滴”设计和施工难度最大的另一块“硬骨头”——屋盖施工“粉墨登场”。
据了解，承担屋盖工程施工的3家单位分别是：华方幕墙装饰公司承担屋盖最内圈阳光板施工；澳大利亚来实承担整个屋盖防水板施工；屋面装饰板加玻璃幕墙由沈阳远大铝业工程有限公司承担，占屋盖工程量50%。
李莹面对这个陌生的“庞然大物” ，在球场中心点(整个场馆只有一个坐标圆点，不管是看台施工还是钢结构、土建结构施工全用这一个坐标点，这个点位于球场的正中心)整整坐了一天半，“我想怎么测啊！对我的挑战首先是测量放线。”
现场放线条件和想象的完全是两回事儿，“水滴”整个屋盖是不规则的双曲面。李莹先观察地形，想上到屋面，“但上不去，我突然发现钢结构施工结束后有一架没卸走的垂直扶梯可通到屋面，赶紧爬上20多米，下到地面后，又到看台最高点观察，有了点想法。”
但回到场心圆点，放线问题还是没有解决。“我坐到圆点上想怎么测，打电话到公司总部咨询，但不到现场谁也不知道该怎么测。坐在那里，我一抬头发现对面土建墙体有几个窗洞口，一共大概是八个洞，线能直接打出去吗？我那时脑子里一闪。‘全站仪’是否能解决此问题？我赶紧咨询使用过这种仪器的同行，把想法一说，OK，可以测了。”
把点引出去的放线问题两天后解决。
“全站仪”解决拦路虎
大型钢结构会“飘移”
“全站仪”在这时承担了极其重要的角色。它的使用原理是——已知一个点通过远红外线就可以测到任何空间一点的坐标值。李莹承认，“我们公司以前也干过大型体育场，但结构都不一样，对‘全站仪’也很陌生。一开始我只想到用普通的测量方式比如经纬仪、水平仪等，但这些仪器对异形测量完全无效。我在那儿坐了一天，想出用‘全站仪’，之前仅听说过却没使用过。”
大型钢结构普遍存在的问题是“动”——飘移。李莹说，“不像土建楼，因为热胀冷缩金属建材早中晚三个时间段温度值都不一样。”记者采访当天室外温度零下8摄氏度，李莹指了指工地，“现在去测也是变值，本身它的结构非常大，测量以后发现是‘动’的，而这种‘动’通过理论计算加上先进的节点处理可以消化热胀冷缩的温差变化值，保证玻璃的安全性。”
水滴“皮肤”是铝板玻璃
前期测量两万五千个点
沈阳远大铝业工程有限公司总工程师崔庆辉的声音从电话里清晰地传过来，对于“水滴”的不规则几何造型，这位总工告诉记者，“用几个数字就能形象说明：‘水滴’经线曲度半径最大是350米，最小是50米；纬线最长是215米，最短是35米。没有任何几何规则。”
“从难度上讲，设计上的难点是深度变形和荷载重量的铝合金板热胀冷缩和硬度。经纬采用电脑的三维照排版技术，精确到每一个板块的。‘水滴’需使用大块铝板23000块、玻璃5300块，要把所有这些材料组合成一个水滴状。”
要把面积达48000平方米的“金属装饰板”和18000平方米的“双钢化夹胶”玻璃覆盖到“水滴”上。设计上的难点落实到施工时，项目经理李莹遇到的第二个“拦路虎”是，如何让这些材质各异的“皮肤”安全妥帖地覆盖好。
李莹：“我们首先测量钢结构的误差率。按理论在异形钢架上覆盖玻璃幕墙时，可能会出现包不过来或包不顺溜的情况，本身钢结构完工后与施工标准就有很大偏差，比如，实际钢结构和土建允许误差值在2公分，而玻璃最大允许偏差值是3毫米，超过3毫米就装不上。”
进场之前初步设计已形成，深化设计时把误差值消化掉，沈阳远大前期测量投入14人，历时一个半月，于2005年11月结束测量工作，李莹说，“我们共测了25000多个节点。”
泰山索道激发灵感
悬索运输游刃有余
“通过计算钢结构热胀冷缩值是2公分半左右，若再计算胀冻对幕墙的影响，局部最大也超不过4公分。对玻璃幕墙的影响，间缝影响可能是1.5毫米，没超过3毫米，问题不大可以消化掉。”
深化设计，准备施工！2006年2月份经过两个月深化设计，准备工作全部做完，开始进场施工。
但进入现场，李莹又遇到第三个拦路虎——运输方式问题。“过去工程施工运输方式一般都是采用垂直升降运输，比如‘塔吊’、‘灌笼’等，由于‘水滴’钢结构是异形的，材料运上去若采用垂直运输很可能运不到作业面。怎么办？建这种大型的体育建筑过去没有过施工经验。我最先想过用架子搭通道，沿楼外围搭金属架，用人把材料抬到楼顶，但从作业面到屋顶得走500多米，投入人力物力太大，这种方法一方面影响进度，一方面影响别人施工。”
李莹后来想用吊车，但费用太高且不适用，“用吊车最大得用100吨半径才能达到我们的要求。我在济南干工程时去爬过泰山，泰山索道突然给了我们灵感——改用悬索运输！运输索道就类似泰山索道，从地面材料堆放地到屋盖最高点，增设8到10个索道，可运到楼面的任何部分，速度还快。这是我们集体想出来的。”
为什么悬索运输会有优势？李莹分析，“普通楼从上到下结构比较方正，垂直运输在作业面上来回行走也不成问题。而‘水滴’的异形结构使操作成为问题。”
穿防滑鞋系安全带
钢绳连着“蜘蛛侠”
施工测量放线和运输这两个最大的问题解决后，安全成为重中之重。
“从集团上面就要求，安全作业是重中之重。‘水滴’屋盖最高点距地有53米，属高空作业，没有防护绝对容易下落伤人。”沈阳远大的做法是：采取三圈安全防护网；施工工人在屋面施工时一定要系安全绳，穿防滑鞋；所有施工工人在作业面上施工，施工工具都要用绳子连在身上。这样做的目的是，下头场地交叉作业单位太多，屋面施工工人既不要伤到别人也不要伤着自己。
“非常滑！工人到金属屋面上去铺玻璃，有点水就非常滑。作业受天气影响非常大，只要预报有雨，马上组织工人离开作业面，下雨下雪就得停工。”李莹说。
安装金属铝板，施工人员施工时，脚下的防水板一踩就会有下沉回弹问题，安玻璃板时就不能按理论去做，新的问题来了，马上要计算回弹值是多少。这个问题是在施工作业中才发现的，马上要调整施工方案重新设计尺寸。
“我们每天工作前都要检查安全帽、安全带，穿防滑鞋，工作时安全带我们都连在钢丝绳上，安装用的工具都用绳子系好，防止高空落物，安装玻璃时要小心别碰碎玻璃，另外螺丝不要掉下去。安全手册、挂图等我们经常看，下雨天和吃饭时我们就看，挺好懂的，和手册、挂图相比，光盘不用我们自己念，省得有些字不认识。”
“搬运材料时4个人要步调一致，平稳地把玻璃放在预装台上，捆绑时要将吊装带捆结实，并使捆绑带受力均匀，防止玻璃起吊后出现掉带的情况。”玻璃安装工李永铁和张中文接受记者采访时称。
沈阳远大作为国内幕墙业“龙头老大”，其产值2006年达79亿元，目前承担的国际工程除“水滴”外，还包括号称欧洲第一高楼、高达400余米的俄罗斯联邦大厦和总造价6.4亿元的阿联酋迪拜某工程。
分管安全的副项目经理何雷告诉记者，“公司的声誉要从点滴维护。‘水滴’既是国家工程又是国际工程，责任重大！”
在“水滴”施工场外，记者仰头遥望——在高渺的屋盖上忙碌的安装工犹如“蜘蛛侠”，一个黑点连着一根长绳，弓身作业。
2003年8月28日天津奥林匹克中心体育工程正式开工。“水滴”在土建、看台、钢结构屋架逐项完工后，这个呈不规则椭圆形的“大水滴”设计和施工难度最大的另一块“硬骨头”——屋盖施工“粉墨登场”。
据了解，承担屋盖工程施工的3家单位分别是：华方幕墙装饰公司承担屋盖最内圈阳光板施工；澳大利亚来实承担整个屋盖防水板施工；屋面装饰板加玻璃幕墙由沈阳远大铝业工程公司承担，占屋盖工程量50%。
沈阳远大项目经理李莹进场的第一反应是——无从下手！
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