鸟巢在哪些方面运用了哪些物理知识

【专家解说】：国家体育场建筑顶面呈鞍形，长轴为332.3米，短轴为296.4米，最高点高度为68.5米，最低点高度为42.8米。在保持“鸟巢”建筑风格不变的前提下，新设计方案对结构布局、构建截面形式、材料利用率等问题进行了较大幅度的调整与优化。原设计方案中的可开启屋顶被取消，屋顶开口扩大，并通过钢结构的优化大大减少了用钢量。大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上，柱距为37.96米。主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置，有22榀主桁架直通或接近直通。为了避免出现过于复杂的节点，少量主桁架在内环附近截断。钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件，交叉布置的主桁架与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。主看台部分采用钢筋混凝土框架一剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。 “鸟巢”是2008年北京奥运会主体育场。由2001年普利茨克奖获得者赫尔佐格、德梅隆与中国建筑师合作完成的巨型体育场设计，形态如同孕育生命的“巢”，它更像一个摇篮， 寄托着人类对未来的希望。设计者们对这个国家体育场没有做任何多余的处理，只是坦率地把结构暴露在外，因而自然形成了建筑的外观。 “鸟巢”以巨大的钢网围合、覆盖着9.1万人的体育场；观光楼梯自然地成为结构的延伸；立柱消失了，均匀受力的网如树枝般没有明确的指向，让人感到每一个座位都是平等的，置身其中如同回到森林；把阳光滤成漫射状的充气膜，使体育场告别了日照阴影；整个地形隆起4米，内部作附属设施，避免了下挖土方所耗的巨大投资。 鸟巢是一个大跨度的曲线结构，有大量的曲线箱形结构，设计和安装均有很大挑战性，在施工过程中处处离不开科技支持。“鸟巢”采用了当今先进的建筑科技，全部工程共有二三十项技术难题，其中，钢结构是世界上独一无二的。“鸟巢”钢结构总重4.2万吨，最大跨度343米，而且结构相当复杂，其三维扭曲像麻花一样的加工，在建造后的沉降、变形、吊装等问题正在逐步解决，相关施工技术难题还被列为科技部重点攻关项目。 现在，“鸟巢”已经完成混凝土施工，开始进行钢结构施工。在桁架柱内柱受力最大的部位，为了有效控制构件的最大壁厚，减小焊接工作量，使连接构造比较合理，在设计中采用了高强度的Q460钢材。 说起Q460钢材，大多数人可能都不了解。“鸟巢”结构设计奇特新颖，而这次搭建它的钢结构的Q460也有很多独到之处：Q460是一种低合金高强度钢，它在受力强度达到460兆帕时才会发生塑性变形，这个强度要比一般钢材大，因此生产难度很大。这是国内在建筑结构上首次使用Q460规格的钢材；而这次使用的钢板厚度达到110毫米，是以前绝无仅有的，在国家标准中，Q460的最大厚度也只是100毫米。以前这种钢一般从卢森堡、韩国、日本进口。为了给“鸟巢”提供“合身”的Q460，从2004年9月开始，河南舞阳特种钢厂的科研人员开始了长达半年多的科技攻关，前后3次试制终于获得成功。如今，为“鸟巢”准备的Q460钢材已经开始批量生产。2008年，400吨自主创新、具有知识产权的国产Q460钢材，将撑起“鸟巢”的铁骨钢筋。 ——小鸟筑巢 从东刚果至南非州热带稀树干草原，常常可以见到有一种叫苍头燕雀的织布鸟。它们用草和许多不同柔韧度的纤维织成的巢，象一粒粒奇异的果实一样悬挂在树枝上。织布鸟选择结实的动物毛发——最常见的是斑马或羚羊身上的毛，将巢牢牢地系在树枝上，还用嘴将毛发缠成总是一个式样的结子作为记号。这样的鸟巢能承受在里面栖身的一对成年雀鸟和几只幼鸟的全部重量，任凭风吹雨打也不会脱落下来。 本世纪初，自然科学爱好者矣热恩·玛雷发现年轻的雀鸟在筑巢时并未仿效它们的年长伙伴。为了排除年轻雀鸟受训的可能，矣热恩从织布鸟巢取走几粒卵，把它们偷偷地放到他家哺养的金丝雀的巢里去孵化。当雏鸟破壳而出逐渐长大后，又把它们转移到另一个特定的地方， 让它们在那里结成“伴侣”，生儿育女，同时不让它们获得可供筑巢的任何合适材料，而是让它们直接把卵产在笼底。产下的卵又取走，再让金丝雀孵化……就这样反复试验，使得第四代的织布鸟不仅断绝了与前辈和自然界的联系，而且完全被人工所驯化。 现在，他在鸟笼里放进一小撮草，一些纤细树枝和纤维物。织布鸟就在笼里利用这些材料开始工作。很快，鸟儿就编好了悬挂在笼子里的巢，而且其式样与它们自由自在的上几代所营造的巢毫无二致。它们熟谙营造技术，这方面的知识绝不比它们的曾祖、高祖逊色。它们也懂得用松软但不够结实的马的毛垫在笼子底部，而决不会将它错织到巢壁上。如材料有剩，它们就会用剩料来加固巢与笼上树条的联接，用它扎成带“商标”的特别的结子。 “鸟巢” 的含义：它是一个用树枝般的钢网把一个可容10万人的体育场编织成的一个温馨鸟巢！用来孕育与呵护生命的“巢”，寄托着人类对未来的希望。鸟巢”三大工程——钢筋混凝土结构、钢结构、膜结构。在“鸟巢”里一共用了4.2万吨钢材。全钢结构，热胀冷缩系数较大，“鸟巢”就像个向日葵，总是随着太阳转，这就要求膜的张力一定要够强。鸟巢”的整个钢筋铁骨焊接在一起，自身形成了一个巨大的避雷网，能把雷电迅速导入地下，而且做了特殊处理，雷电决不会伤害到人。“鸟巢”外形结构主要由巨大的门式钢架组成，共有24根桁架柱。 “鸟巢”顶部的网架结构外表面还贴上一层半透明的膜。使用这种膜后，体育场内的光线不是直射进来的，而是通过漫反射，使光线更柔和，由此形成的漫射光还可解决场内草坪的维护问题，同时也有为座席遮风挡雨的功能。滑动式的可开启屋顶，当它合上时，体育场将成为一个室内的赛场。开启屋顶，它又成为一个防水的壳体。“鸟巢”之所以是一个不完全封闭的“鸟巢”，是因为这样的设计既能使自然空气流通，又能为观众和运动员遮风挡雨。采用太阳能光伏发电系统。无锡尚德太阳能电力有限公司研发的尚德太阳能光伏发电系统落户“鸟巢”，将清洁、环保的太阳能发电与国家体育场容为一体，不仅是对北京奥运会三大主题的极好体现，同时对于提倡使用绿色能源、有效控制和减轻北京及周边地区大气污染，对国家体育场电力供应将起到良好的补充。鸟巢”的下层膜采用的吸声膜材料、钢结构构件上设置的吸声材料，以及场内使用的电声扩音系统，这三层“特殊装置”使“巢”内的语音清晰度指标指数达到0.6——这个数字保证了坐在任何位置的观众都能清晰地收听到广播。鸟巢”的相关设计师们还运用流体力学设计，模拟出91000个人同时观赛的自然通风状况，让所有观众都能享有同样的自然光和自然通风。“鸟巢”的观众席里，还为残障人士设置了200多个轮椅座席。这些轮椅座席比普通座席稍高，保证残障人士和普通观众有一样的视野。赛时，场内还将提供供助听器并设置无线广播系统，为有听力和视力障碍的人提供个性化的服务。和“水立方”不同的是，“鸟巢”所采用的是单层膜。“鸟巢”顶棚的外层膜结构虽然和“水立方”一样，能常保清洁、抵抗低温烟火的侵蚀，但仅有0.25毫米厚度的膜却也有个很大的弱点：怕鸟雀的利爪。此外，群鸟在“鸟巢”停留，粪便也是个大问题。为了拒鸟于“鸟巢”之外，在其顶部四周，安上了类似于机场用的驱鸟装置。考虑到此法拦不住一些“漏网之鸟”，在“鸟巢”外层膜上，还铺设了停鸟线，既能让鸟雀有地方落，不致伤膜，也不影响外观。