鳥巢在哪些方面運用了哪些物理知識

【專家解說】：國家體育場建筑頂面呈鞍形，長軸為332.3米，短軸為296.4米，最高點高度為68.5米，最低點高度為42.8米。在保持“鳥巢”建筑風(fēng)格不變的前提下，新設(shè)計方案對結(jié)構(gòu)布局、構(gòu)建截面形式、材料利用率等問題進行了較大幅度的調(diào)整與優(yōu)化。原設(shè)計方案中的可開啟屋頂被取消，屋頂開口擴大，并通過鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化大大減少了用鋼量。大跨度屋蓋支撐在24根桁架柱之上，柱距為37.96米。主桁架圍繞屋蓋中間的開口放射形布置，有22榀主桁架直通或接近直通。為了避免出現(xiàn)過于復(fù)雜的節(jié)點，少量主桁架在內(nèi)環(huán)附近截斷。鋼結(jié)構(gòu)大量采用由鋼板焊接而成的箱形構(gòu)件，交叉布置的主桁架與屋面及立面的次結(jié)構(gòu)一起形成了“鳥巢”的特殊建筑造型。主看臺部分采用鋼筋混凝土框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系，與大跨度鋼結(jié)構(gòu)完全脫開。 “鳥巢”是2008年北京奧運會主體育場。由2001年普利茨克獎獲得者赫爾佐格、德梅隆與中國建筑師合作完成的巨型體育場設(shè)計，形態(tài)如同孕育生命的“巢”，它更像一個搖籃， 寄托著人類對未來的希望。設(shè)計者們對這個國家體育場沒有做任何多余的處理，只是坦率地把結(jié)構(gòu)暴露在外，因而自然形成了建筑的外觀。 “鳥巢”以巨大的鋼網(wǎng)圍合、覆蓋著9.1萬人的體育場；觀光樓梯自然地成為結(jié)構(gòu)的延伸；立柱消失了，均勻受力的網(wǎng)如樹枝般沒有明確的指向，讓人感到每一個座位都是平等的，置身其中如同回到森林；把陽光濾成漫射狀的充氣膜，使體育場告別了日照陰影；整個地形隆起4米，內(nèi)部作附屬設(shè)施，避免了下挖土方所耗的巨大投資。 鳥巢是一個大跨度的曲線結(jié)構(gòu)，有大量的曲線箱形結(jié)構(gòu)，設(shè)計和安裝均有很大挑戰(zhàn)性，在施工過程中處處離不開科技支持?！傍B巢”采用了當今先進的建筑科技，全部工程共有二三十項技術(shù)難題，其中，鋼結(jié)構(gòu)是世界上獨一無二的?！傍B巢”鋼結(jié)構(gòu)總重4.2萬噸，最大跨度343米，而且結(jié)構(gòu)相當復(fù)雜，其三維扭曲像麻花一樣的加工，在建造后的沉降、變形、吊裝等問題正在逐步解決，相關(guān)施工技術(shù)難題還被列為科技部重點攻關(guān)項目。 現(xiàn)在，“鳥巢”已經(jīng)完成混凝土施工，開始進行鋼結(jié)構(gòu)施工。在桁架柱內(nèi)柱受力最大的部位，為了有效控制構(gòu)件的最大壁厚，減小焊接工作量，使連接構(gòu)造比較合理，在設(shè)計中采用了高強度的Q460鋼材。 說起Q460鋼材，大多數(shù)人可能都不了解?！傍B巢”結(jié)構(gòu)設(shè)計奇特新穎，而這次搭建它的鋼結(jié)構(gòu)的Q460也有很多獨到之處：Q460是一種低合金高強度鋼，它在受力強度達到460兆帕?xí)r才會發(fā)生塑性變形，這個強度要比一般鋼材大，因此生產(chǎn)難度很大。這是國內(nèi)在建筑結(jié)構(gòu)上首次使用Q460規(guī)格的鋼材；而這次使用的鋼板厚度達到110毫米，是以前絕無僅有的，在國家標準中，Q460的最大厚度也只是100毫米。以前這種鋼一般從盧森堡、韓國、日本進口。為了給“鳥巢”提供“合身”的Q460，從2004年9月開始，河南舞陽特種鋼廠的科研人員開始了長達半年多的科技攻關(guān)，前后3次試制終于獲得成功。如今，為“鳥巢”準備的Q460鋼材已經(jīng)開始批量生產(chǎn)。2008年，400噸自主創(chuàng)新、具有知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)Q460鋼材，將撐起“鳥巢”的鐵骨鋼筋。 ——小鳥筑巢 從東剛果至南非州熱帶稀樹干草原，常?？梢砸姷接幸环N叫蒼頭燕雀的織布鳥。它們用草和許多不同柔韌度的纖維織成的巢，象一粒粒奇異的果實一樣懸掛在樹枝上。織布鳥選擇結(jié)實的動物毛發(fā)——最常見的是斑馬或羚羊身上的毛，將巢牢牢地系在樹枝上，還用嘴將毛發(fā)纏成總是一個式樣的結(jié)子作為記號。這樣的鳥巢能承受在里面棲身的一對成年雀鳥和幾只幼鳥的全部重量，任憑風(fēng)吹雨打也不會脫落下來。 本世紀初，自然科學(xué)愛好者矣熱恩·瑪雷發(fā)現(xiàn)年輕的雀鳥在筑巢時并未仿效它們的年長伙伴。為了排除年輕雀鳥受訓(xùn)的可能，矣熱恩從織布鳥巢取走幾粒卵，把它們偷偷地放到他家哺養(yǎng)的金絲雀的巢里去孵化。當雛鳥破殼而出逐漸長大后，又把它們轉(zhuǎn)移到另一個特定的地方， 讓它們在那里結(jié)成“伴侶”，生兒育女，同時不讓它們獲得可供筑巢的任何合適材料，而是讓它們直接把卵產(chǎn)在籠底。產(chǎn)下的卵又取走，再讓金絲雀孵化……就這樣反復(fù)試驗，使得第四代的織布鳥不僅斷絕了與前輩和自然界的聯(lián)系，而且完全被人工所馴化。 現(xiàn)在，他在鳥籠里放進一小撮草，一些纖細樹枝和纖維物?？棽鉴B就在籠里利用這些材料開始工作。很快，鳥兒就編好了懸掛在籠子里的巢，而且其式樣與它們自由自在的上幾代所營造的巢毫無二致。它們熟諳營造技術(shù)，這方面的知識絕不比它們的曾祖、高祖遜色。它們也懂得用松軟但不夠結(jié)實的馬的毛墊在籠子底部，而決不會將它錯織到巢壁上。如材料有剩，它們就會用剩料來加固巢與籠上樹條的聯(lián)接，用它扎成帶“商標”的特別的結(jié)子。 “鳥巢” 的含義：它是一個用樹枝般的鋼網(wǎng)把一個可容10萬人的體育場編織成的一個溫馨鳥巢！用來孕育與呵護生命的“巢”，寄托著人類對未來的希望。鳥巢”三大工程——鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)。在“鳥巢”里一共用了4.2萬噸鋼材。全鋼結(jié)構(gòu)，熱脹冷縮系數(shù)較大，“鳥巢”就像個向日葵，總是隨著太陽轉(zhuǎn)，這就要求膜的張力一定要夠強。鳥巢”的整個鋼筋鐵骨焊接在一起，自身形成了一個巨大的避雷網(wǎng)，能把雷電迅速導(dǎo)入地下，而且做了特殊處理，雷電決不會傷害到人?！傍B巢”外形結(jié)構(gòu)主要由巨大的門式鋼架組成，共有24根桁架柱。 “鳥巢”頂部的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)外表面還貼上一層半透明的膜。使用這種膜后，體育場內(nèi)的光線不是直射進來的，而是通過漫反射，使光線更柔和，由此形成的漫射光還可解決場內(nèi)草坪的維護問題，同時也有為座席遮風(fēng)擋雨的功能。滑動式的可開啟屋頂，當它合上時，體育場將成為一個室內(nèi)的賽場。開啟屋頂，它又成為一個防水的殼體?！傍B巢”之所以是一個不完全封閉的“鳥巢”，是因為這樣的設(shè)計既能使自然空氣流通，又能為觀眾和運動員遮風(fēng)擋雨。采用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。無錫尚德太陽能電力有限公司研發(fā)的尚德太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)落戶“鳥巢”，將清潔、環(huán)保的太陽能發(fā)電與國家體育場容為一體，不僅是對北京奧運會三大主題的極好體現(xiàn)，同時對于提倡使用綠色能源、有效控制和減輕北京及周邊地區(qū)大氣污染，對國家體育場電力供應(yīng)將起到良好的補充。鳥巢”的下層膜采用的吸聲膜材料、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件上設(shè)置的吸聲材料，以及場內(nèi)使用的電聲擴音系統(tǒng)，這三層“特殊裝置”使“巢”內(nèi)的語音清晰度指標指數(shù)達到0.6——這個數(shù)字保證了坐在任何位置的觀眾都能清晰地收聽到廣播。鳥巢”的相關(guān)設(shè)計師們還運用流體力學(xué)設(shè)計，模擬出91000個人同時觀賽的自然通風(fēng)狀況，讓所有觀眾都能享有同樣的自然光和自然通風(fēng)?！傍B巢”的觀眾席里，還為殘障人士設(shè)置了200多個輪椅座席。這些輪椅座席比普通座席稍高，保證殘障人士和普通觀眾有一樣的視野。賽時，場內(nèi)還將提供供助聽器并設(shè)置無線廣播系統(tǒng)，為有聽力和視力障礙的人提供個性化的服務(wù)。和“水立方”不同的是，“鳥巢”所采用的是單層膜?！傍B巢”頂棚的外層膜結(jié)構(gòu)雖然和“水立方”一樣，能常保清潔、抵抗低溫煙火的侵蝕，但僅有0.25毫米厚度的膜卻也有個很大的弱點：怕鳥雀的利爪。此外，群鳥在“鳥巢”停留，糞便也是個大問題。為了拒鳥于“鳥巢”之外，在其頂部四周，安上了類似于機場用的驅(qū)鳥裝置。考慮到此法攔不住一些“漏網(wǎng)之鳥”，在“鳥巢”外層膜上，還鋪設(shè)了停鳥線，既能讓鳥雀有地方落，不致傷膜，也不影響外觀。