奥运"鸟巢"建设当慎之又慎

如何建设2008北京奥运重大项目—奥运主场馆“鸟巢”？国内专家学者以及建筑业同行有许多不同的看法。奥运主场馆“鸟巢”不仅是一项具有重大历史意义的标志性建筑，而且还是一个关系到2008北京奥运能否顺利召开，该项工程是否安全的重大工程。因此，对于奥运“鸟巢”建设的具体实施方案，必须通过充分的探讨才能付诸实施。 曾在2003年成功地顶升平移上海音乐厅的美国实用动力（上海）有限公司总经理潇然教授对此十分关注。作为炎黄子孙，中国的每一项重大成就都让他激动不已。他向记者强调，奥运“鸟巢”建设当慎之又慎。众所周知，美国实用动力公司具有处于世界领导地位的机电液控一体化集成能力。就任该公司中国大区总经理、标准产品总工程师的潇然教授，同样具有世界一流的丰富的机械技术经验和素养，他的话让记者感到分量很重。 2004年7月7日，记者与潇然就社会普遍关注的奥运“鸟巢”建设问题进行了一次广泛而深入的长谈。作为具有中美两国双重文化背景的专家教授，潇然的观点值得读者及业界人士关注。 三点支撑难撑“鸟巢”顶盖 谈到奥运“鸟巢”项目，潇然认为其安全和可靠性是第一位的。自然，当法国戴高乐机场候机厅和我国辽宁盘锦大桥相继垮塌之后，作为技术型专家，潇然对于项目建造的安全和可靠性的注重和强调，显示出其一贯的严谨和审慎。 “鸟巢”在中国是没有先例的。作为建筑面积25.8万平方米，以钢结构为主的庞然大物，其顶盖的设计重量将近1700吨，两块顶盖的面积相加比整个足球场还要大。如此“大物”，如何保证其建造、安装、运行及日后维护的安全和可靠性？潇然认为，采用什么样的技术最为关键。 潇然教授及其公司总工程师吴定安、董秀林博士和中国机械科学研究院王西峰付院长、于革刚高工认为，虽然从机械力学来说，顶起一个平面，最为合理的是三点支撑，但是如果顶起的平面受力太大，每个受力点所承受的重量就会大大超过理想设计，刚性的三点机械支撑因为没有冗余就会形成安全隐患，一失足将成千古恨。为了避免这种隐患，多点冗余支撑是必需的。多点支撑还能使载荷均布，大大降低了建筑结构的强度要求，好比一个重型坦克，依靠履带的多点支撑，可以通过松软的土地。 潇然说，一个将近1700吨重，比整个足球场还要大的庞然大物，很难做到非常精密，也很难做到在运动中非常均匀地受力。因此，冗余和均载的重要性是不言而喻的。奥运“鸟巢”作为国家级的标志性工程，又承担着非同寻常的重任，在建造上一定要慎之又慎，在建造的技术和材料的选择上也必须考虑周全，确保今后的正常运行万无一失。 液压均载消减共振 多点支撑的关键是液压均载。滑盖本身的挠曲变形和建筑物屋顶结构的挠曲变形不一致，且这一变形会随着滑盖的运动而变化，要靠液压支撑随时弥补这种变化。多点布置的液压悬挂支撑、分布式动力驱动设计和总线式PLC控制，可以有效地自动补偿滑盖与屋顶结构挠曲变形的差值，保证在运行过程中载荷均匀分布、运行安全平稳。采用多重安全措施，液压系统分散布置、计算机监测监控系统、电视监视系统、冗余设计等，保证在下雪、大风、地震等恶劣情况下仍然能安全可靠运行。带活动屋盖的钢结构建筑，是一个典型的惯性重载加弹性环节的欠阻尼力学模型，易发生共振，遇到大风、地震等灾害天气极易导致建筑物的损坏，而液压所具备的阻尼特性可大大改善其力学模型，方便地实现动力消震。同时，多点布置的液压悬挂支撑，降低了对屋盖结构强度和刚度的要求，使得活动屋盖以及建筑物整体结构重量大大降低，盖子和整体成本降低；每点一致的液压系统能形成批量生产，降低单位成本，冗余备份和维修互换易，从而也减低了维修保养成本。所以，潇然认为，奥运“鸟巢”顶盖的设计应该充分考虑到两种支撑的特性，两者兼顾，实现机电液控一体化。应该考虑不同观点和方案能实现的功能特点，打破门户之见，博采众家之长，群策群力，确保国家标志性建筑的安全可靠。 奥运“鸟巢”活动顶盖驱动与控制系统如果采用单纯机械方案，可能在屋盖本身的制造成本上比机电液一体控制便宜，但由于以上所述问题导致整体重量增加，对鸟巢整体强度提出更高要求，整个工程的总体成本可能会更高，更重要的是不可靠和不安全。单纯机械方案在世界各处曾经多次发生事故。 三菱重工曾有教训 笔者随后查阅了相关资料（JournalSentinel），作为日本三菱重工“代表作”的美国Milwaukee米勒公园体育场，其厚重钢结构顶盖设计呈蛤壳状，可以根据需要开启或闭合。由于这种独特的设计，使得整个工程令人惊叹。但在过去的若干年中，活动顶盖一直成为争议的焦点：在暴风雨天气情况下会有雨水进入体育场馆；另一个问题是在顶盖开启或闭合时有巨大的噪音。 在美国Milwaukee米勒公园体育场活动顶盖上覆盖U型的泡沫隔膜，较原来设计有所提高，有效地对付了漏水问题。但如何消除活动顶盖在开启或闭合时的巨大噪音则成为了令人头疼的问题。经专家测试分析，声音是由枢轴发出的。此后，活动顶盖的设计方曾试着采用润滑设备，更换不同的润滑油，给润滑油加压，给枢轴提供一个供热系统试图使它更好地工作，但这些办法都没有起到预期的效果。 建筑专家指出：“活动屋盖的机械式驱动装置有令人困扰的设计问题。”最终的解决方案是更换枢轴。有意思的是，对这一工程的补救工作恰好是采用美国实用动力ENERPAC（恩派克）液压油缸进行的。工程人员将每个枢轴机架分三个支点同步顶起约88厘米，放入垫块，进行枢轴的更换，新的枢轴不同于普通的轮子中所见到的球轴承，它由高精密轴承供应商Torrington制造。共有六套合金钢结构枢轴，其中一套作为将来备用。至此，活动顶盖才真正实现了它的功能。日本三菱重工作为承建方，实际建造耗资1亿3千多万美金，远远高出当初预算4600万美金。三菱为此还招致长年官司和几百万美金的赔偿纠纷。 机械方案困难重重 潇然教授及其专家组强调指出，机械方案由于难以解决超静定问题而只能在活动屋盖的每片分段上安排三个支撑点，过于集中的载荷，不仅使每个支点行走装置体积重量大（接触压力远大于机车对铁轨的压力），而且难以寻找到能承担如此大载荷的合适轮子。不仅如此，因为顶盖的分块设计使每个承载行走装置不同于其他个体，因而装置的定型试验和冗余备份都面临巨大困难。每个支撑都备份几乎不可能，但不备份又有巨大危险。我们都有在超市推小车的经验，小车的一个轮子出问题，推车便很吃力，要用比正常推车多几倍的力量。当这种情况一旦发生，维修更换极其困难。因此这种情况如发生在1700吨的顶盖上将是灾难性的，而液压均载方案则可以采用数量较多而单个单元及承重小得多的标准承载单元。这种批量生产的机电液一体化承载单元可以互换，定型试验和冗余备份都只要几个，投资少，维护费用低。在发生超市小车式的故障时，可以通过程序控制使故障小车悬空以消除运动阻力，保证系统安全。 实验确证“鸟巢”消振 还有值得一提的一点，是鸟巢属于高大中空建筑，由于地震和风雪等的影响，可能造成建筑物的振动，危害建筑物的安全。现代高层建筑需要考虑消振阻尼。纯机械结构一旦做好，根据情况调整的余地较小，而机电液一体化的设计则可由程序操纵，灵活性大，安全系数高。 “鸟巢”顶盖滑盖跨度大，体积大，重量大，运动控制难度大，除以上所述之外还有行走、驱动、刹车等方面的大量的安全与技术问题需要考虑与验证。为保证在任何情况下均能安全可靠运行，全尺寸地面模拟试验（零部件、大部件和整体试验）是必要的。目前，综合来讲，国内的中国机械科学研究院具有最好的实验条件（震动理论室、怀柔整体实验场）。潇然教授认为，实用动力(中国)与中国机械科学研究院进行这项合作是强强联手的最佳组合。记者在随后电话采访中国机械科学研究院王西峰付院长、于革刚高工时得知，该院对与美国实用动力(中国)进行的合作非常满意，对该公司拥有的世界领先的液压控制技术十分看重，亦认为双方的合作属强强联合，并对美国实用动力提出的奥运“鸟巢”活动顶盖设计和建造方案十分赞赏。 就像对奥运“鸟巢”本身的设计方案有许多不同的看法和声音一样，有一种建议认为，从安全的角度考虑，建议奥运“鸟巢”工程不要顶盖。记者就这一偏于保守的建议与潇然和机械科学研究院的于革刚高工进行了沟通。他们的意见很明确：不同的看法和声音乃至不同的建议是正常的。但是，如果现在建议奥运“鸟巢”工程不要顶盖，就会在实质上造成一种不公平竞争和竞标无效性。当初“鸟巢”方案的中标，不乏因为其透明天窗的设计使均匀而连续的开放式环形设计概念得以充分体现。同样，从国家形象考虑，中国尚无带活动屋盖的大型体育场馆，虽然这种设计对顶盖的落成是一个巨大的挑战,但不能因为想象中的技术难题而轻易放弃。外国人有了多少年的东西我们为什么不能有呢？更何况我们已经提出了切实解决这种技术难题的合理方案。我们充满信心。 多点液压在沪演绎传奇 很自然地，话题又谈到了在中国具有标志意义的上海音乐厅顶升平移工程。潇然说，将一个占地1245平方米、建筑面积2558平方米、重量约5650吨的庞然大物，平移66.4米，提升近3.4米，如此巨大的工程不仅需要政府部门的决断，更需要高科技核心技术的运用。 比起奥运鸟巢较小的刚性屋盖，平移和顶升松散脆弱却重得多的古上海音乐厅要难得多。但这个项目的成功，却再一次证明了实用动力ENERPAC（恩派克）多点液压载荷控制技术的成熟。 针对音乐厅的整体顶升平移工程，由吴定安高工和董秀林博士等组成的实用动力项目组专门设计制造了全电脑控制多点顶升、顶推系统。平移时，十个顶推油缸分四组提供推动力，第一阶段时托起重达5800吨的音乐厅所用的59个ENERPAC强力液压千斤顶，现在变成59只穿了靴子的脚，使得音乐厅以约每分钟50mm的速度顺着十条滑道平稳推移。整个过程中，ENERPAC强力液压千斤顶使建筑物始终处于自动监控的浮动状态。 总距离66.4米的平移过程完成后，实施第二次提升。在整个建筑底托下面，共布置了59个顶升点，由59个强力液压千斤顶实现建筑物的整体顶升。各点精确按照该建筑的实际荷重，平稳地顶举，使顶升过程中建筑物受到的内应力下降至最低。这种顶升系统能够补偿顶升过程中的基础沉降，实际顶升过程中建筑物四角的同步运行误差小于±0.2mm，达到了国际上的先进水平。 潇然说，像上海音乐厅这样规模的平移工程在世界建筑史上也是少有的。实用动力的一位股东BillHall先生是著名的美国印地安那大学管理学院的董事会主席，当他与该校的100多名MBA毕业生来上海的波特曼酒店聚会时，提到实用动力的ENERPAC(恩派克)品牌为上海音乐厅的平移提供技术和设备，所有的学生都表示惊讶。他们不清楚实用动力是做什么的，但他们都听说过上海平移音乐厅这个了不起的项目。作为一项高科技技术，平移工程的关键是技术测算和设备监控，核心技术支持更是功不可没。 （压题图为北京2008奥运鸟巢顶盖驱动和控制工程） 潇然小传 潇然，原名周小平，1959年生，清华大学机械工程博士，纽约州立大学管理硕士,出国前在大型军工企业和直属国务院的中国农村信托投资公司工作。 在1984—1988年潇然攻读博士学位期间，他参与创建了清华大学华实科技服务公司并任总经理，主持清华大学与兵器工业部内蒙一机厂的三项重点科研项目，领导多学科的研究生和工厂技术人员对造成工厂严重损失的装甲钢热裂问题进行系统研究，取得了重要成果并发表10篇论文；主要成果通过机械委部级鉴定，属国内首创。潇然的论文、社会实践、解决国家重大技术难题相结合的博士培养模式受到清华大学研究生院和他的导师——我国铸造造型材料第一位博导于震宗教授的一致好评，并撰文推广，其博士论文答辩委员会主席、学界泰斗周尧和院士评价其博士论文为中国工程类博士论文的典范。 1989—1999年在美国工作10年，潇然博士从攻读美国纽约州立大学管理硕士开始，先后在美国多家著名公司任副总裁、总工程师、中国经营总监等高级职位。在新泽西州吉捷精密管加工公司任经营副总裁兼总工程师期间全面负责设计、规划和管理，使公司精密管加工技术短时达到世界先进水平；在北美第一大室内空调公司压缩机公司任制造技术总监、全球制造技术总监，以系统工程方法领导百余名技术人员和工人在短期内将一条世界先进水平的自动化压缩机组装线改造调试成功，得到美国同行极高评价，并著文研究深拉等技术应用及经济价值，领导企业技术进程；在世界最大压缩机公司美国谷轮公司的中国涡旋压缩机厂任总工程师，著文研究压缩机技术经济问题，内容世界领先，被公司总裁正式书面选为公司最有价值领导成员之一。许多与潇然共事过的美国人都说，通过潇然，他们对中国和中国人更加了解和尊敬了。 从2000年起，潇然博士出任美国实用动力（上海）有限公司总经理兼标准产品总工程师。在他的领导下，四年时间使企业发展增幅超过800%，使中国公司由亚洲子公司中排名第五跃升为第一。在他领导下完成了众多国际先进产品的国产化任务和新产品的研发，已有两项获得中国专利，三项正在专利申请过程中。出于对潇然领导的实用动力中国团队取得的出色成就和他们的国家的尊敬，集团CEO亲自安排在美国总部第一次常年挂起了五星红旗，和实用动力拥有大量业务的其他工业大国的国旗并列。 潇然教授自1983年起在国内外发表论文16篇，获省部级技术发明成果3项，共获专业学习证书约25项，涉及自动化组装、控制技术、谈判艺术、软件编程设计、管理等多个领域，并成为多家国际专业学会会员。另有大量企业内部的专业技术研究文章和项目成果。因为其在学术领域的显著成就，上海东华大学、河南科技大学先后聘请潇然博士为兼职教授。 作为美资企业中国大区的总经理，潇然教授充分发挥作为文化人且了解中西文化区别的优势，运用现代企业的管理方法，结合中国社会和文化的特点，倡导外资中国企业的文化管理。 潇然认为，一个企业，除了努力实现卓越的效益外，还要创造企业令人尊敬、让人喜欢的社会和人文价值。在大力推行诚信、团结、简单、高效的文化管理下，实用动力员工工作生活在充满礼貌、关切、感激的气氛中，以富有竞争力的工作方式将精神文明转化为物质文明，使企业不断发展壮大。 在平移上海音乐厅的基础上，潇然教授又提出了平移整个上海外滩的设想，在上海滩引起了众多媒体的关注。 潇然教授坚持理论与实践相结合,运用科技的力量为中国的现代化建设服务;他在运用技术实力和文化管理为实用动力中国创造辉煌业绩的同时，也为中国的制造业、中国的城市建设和飞速发展，敬献着自己的诚挚之心、爱国之情和科技之力。