2013年，由北京城建集团有限责任公司(以下简称北京城建)、中国建筑设计研究院、浙江精工钢结构有限公司(以下简称精工钢构)、江苏沪宁钢机股份有限公司(以下简称沪宁钢机)等单位完成的“国家体育场(鸟巢)工程建造技术创新与应用”获得了2012年度国家科技进步二等奖。这是“鸟巢”继获得国内外无数个殊荣后的又一重大奖项。

回眸“鸟巢”
 
2001年7月13日，在莫斯科召开的国际奥委会第112次全会上，北京获得了2008年第二十九届夏季奥运会的主办权。
 
2002年，北京市规划委员会举办了2008年北京市奥运会主场馆的全球方案征集活动。由瑞士赫尔佐格德梅隆设计公司、中国建筑设计研究院与奥雅纳工程顾问公司组成的设计联合体设计的“鸟巢”在众多设计方案中脱颖而出，成为评审委员会选出的3个优秀方案之一。最终，“鸟巢”的设计方案成为2008年北京奥运会的主场馆。“鸟巢”的总建筑面积约为25.8万平方米，固定座席可容纳8万人，活动座席可容纳1.1万人。其建筑顶面呈鞍形，长轴为332.3米、短轴为297.3米、最高点高度为68.5米、最低点高度为40.1米。“鸟巢”的大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上，柱距为37.958米。取消可开启屋盖后，固定屋盖中间开洞长度增至185.3米，宽度增至127.5米。由于“鸟巢”大跨度钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件，交叉布置的主结构与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。
 
为保证“鸟巢”施工的顺利进行，中国建筑设计研究院的有关专家对“鸟巢”的钢结构设计方案进行了优化。他们在结构布置、焊接薄壁箱形构件、杆件计算长度系数研究、钢结构安装顺序研究、大量采用新型钢材、软件开发与结构优化计算、结构用钢量、预应力技术应用研究等方面做了大量细致的工作。
 
2004年11月22日，“鸟巢”设计方案通过了北京市“2008”工程建设指挥部办公室主持召开的初步设计审查会，并通过了施工图设计审查。

优化“鸟巢”
 
由于“鸟巢”结构的复杂性、建筑造型的特殊性，企业在制作、安装时有相当大的难度。为了减少构件制作的难度、降低加工成本，并减少现场施工的复杂性，有关设计人员对屋盖结构的几何构型进行了适当的简化，从而大大降低了构件加工的成本。
 
为了减少“鸟巢”的用钢量，有关专家在设计焊接箱形截面构件时尽量采用较小的壁厚。合理地确定焊接薄壁箱形构件受压板件的宽厚比与其他相应的实际措施，是保证结构的安全性、提高材料利用率、有效减小用钢量的关键问题之一。在综合比较了国内外钢结构设计规范、冷弯薄壁型钢设计规范和相关研究文献的基础上，有关专家提出了根据箱形构件板件应力状态确定板件有效宽厚比的方法与相应的构件设计公式，分别考虑拉、压、双弯、双剪、扭作用，并在非线性有限元计算、构件试验研究进行分析验证的基础上，将研究成果应用于“鸟巢”的焊接薄壁箱形构件设计中。
 
安装顺序对大跨度结构用钢量影响很大。在安装过程中，如果屋顶次结构与主结构同时安装，次结构构件的内力将会明显增大，导致次结构构件截面壁厚增大，增大结构总用钢量增加;主、次结构之间区别不明显，地震作用效应增大，难以按指定的顺序出现塑性铰，形成良好的抗震体系。合理布置临时支撑塔架的位置与数量，对主结构构件在安装过程中可能出现的应力状态有较大影响。为此，有关专家对“鸟巢”大跨度钢结构的建造过程进行了详细的施工模拟分析。
 
为了有效地控制成本、缩短订货周期，有关专家决定“鸟巢”全部采用国产钢材。厚钢板选用Q345GJ钢材，可以有效地减少结构的用钢量，改善结构的安全性，对于控制用钢量起到了很好的作用。在桁架柱内柱受力最大的部位，为了有效地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，有关专家在设计中采用了高强度的Q460钢材。这是在国内建筑工程中首次采用Q460钢材。
 
为了使“鸟巢”大跨度钢结构在设计中做到技术先进、经济合理，中国建筑设计研究院的专家会同国内有关专家共同对预应力技术在“鸟巢”钢结构中应用的可行性与合理性进行了深入的研究，有关专家从预应力方案选择、计算分析、用钢量指标、预应力索与锚具材料的可靠性、节点构造、构件加工制作、预应力索敷设与张拉、建筑效果、工期、造价等方面，对采用预应力技术的合理性进行论证。
 
“鸟巢”的结构优化工作受到社会各界的关注。有关专家在修改初步设计与施工图设计中，对主桁架、桁架柱、次结构的布置进行了调整，结构抗震性能与节点构造得到改善;利用有效宽度的概念，提出焊接薄壁箱形构件的设计方法;根据主结构与次结构受力的特点，合理确定杆件计算长度系数;考虑安装顺序对用钢量的影响，合理确定临时支撑塔架的位置与数量;通过合理选用钢材材质，做到优材优用;在ANSYS软件平台上开发了设计与优化功能，适应复杂大跨度结构设计的需求;对采用预应力技术的可行性进行了深入的研究。通过采取上述综合的优化措施，有效地减小了结构用钢量，达到了控制工程造价的目的，取得了良好的技术经济效果。

科技“鸟巢”
 
2005年5月23日，总承包单位——北京城建与精工钢构、沪宁钢机签署的“国家体育场钢结构钢材采购及加工制作合同签字仪式”。自此，精工钢构、沪宁钢机开始了前无古人的钢结构制作和安装工作。
 
“鸟巢”工程如何?在浙江省钢结构行业协会举办的“十一五”工作汇报会上获悉，精工钢构在制作、安装“鸟巢”的过程中攻克了8大关键技术难题，并取得国家级工法两项、省级工法3项。精工钢构所取得的8项关键技术难题为：一是弯扭构件专用深化设计软件的开发及应用技术；二是弯扭构件无模成型加工技术；三是超大型复杂柱脚、桁架柱、空间桁架制作技术；四是大规则特大型空间钢结构构件单机吊装技术；五是大吨位实体构件不等标高长距离斜向滑移纠偏技术；六是三维坐标测量系统METORO应用技术；七是复杂钢结构卸载技术；八是Q460E——Z35焊接性试验研究新技术等十二大焊接技术等。此后，由精工钢构、沪宁钢机制作、安装的“鸟巢”先后获得钢结构金奖、鲁班奖等殊荣。
 
“‘鸟巢’团队以高度的责任心和卓越的技术水平，向世人展示了史无前例的大型钢结构焊接的奇迹。”这是国际焊接学会在第63届年会上向“鸟巢”钢结构工程颁发2010UGOGUERRERAPRIZE时的评价。UGOGUERRERAPRIZE是由意大利焊接学会出资赞助、用于奖励当代杰出钢结构建筑的设计及施工人员的最高奖项。这是我国首次获得国际焊接大奖。
 
据精工钢构有关负责人介绍，“鸟巢”的钢结构焊接工程从一开始就以全面质量管理思想为核心，指导整个焊接工程的顺利进行。在进行技术准备时，他们建立了“鸟巢”钢结构焊接工程质量保证体系。质量管理的核心是形成了专家顾问、焊接工程师、焊接技师及相关专业人员相结合的技术组织形态，以焊工培训、焊材、焊机的选择为基础，以控制焊接裂纹为主导的焊接技术路线，在方案编制、无损检测、预热后热等质量控制环节上形成了一条科学严密的质量保证体系。