新理念、新材料、新技术、新方法在国家体育场设计中的运用中国国家体育场位于北京奥林匹克公园中心区南部。西侧为200m宽的中轴线步行绿化广场，东侧为湖边西路龙形水系及湖边东路，北侧为中一路，南侧为南一路，成府路在地下穿过用地。
国家体育场坐落在由地面缓缓坡起的基座平台上，观众可由奥林匹克公园沿基座平台到达体育场，从基座平台上可俯视奥林匹克公园。基座北侧为下沉式的热身场地，通过运动员通道与主场内的比赛场地连通。国家体育场复杂的附属部分和赛后商业等安排在升起的地面之下，使不同人群进入的方式更加合理，同时保持了主体建筑外观的清晰，纯粹和完整。各类人群(普通观众、运动员、媒体，要员、贵宾、赞助商、赛事管理，场馆运营，安保、消防，赛后商业、机动车等)分别设置各自独立的出入口。体育场主体建筑为南北长333m、东西宽298m的椭圆型，最高处高69m、最低处高40m：中间开口南北长182m、东西宽124m。主体钢结构形成整体的巨型大跨度钢桁架编织式“鸟巢”结构，体育场看台为混凝土碗型结构，两部分在结构体系上脱开。屋顶围护结构为钢结构上覆盖双层膜结构，即固定于钢结构上弦之间的透明的上层ETFE膜，和固定于钢结构下弦之下及内环侧壁的半透明的下层PTFE声学吊顶。开敞的钢结构网格包围着宽阔的集散大厅，它环绕着碗型看台，是一个开放的城市空间，设有快餐、商店等各类观众服务设施，并设有餐厅层和为主席台观众服务的贵宾接待区和休息区。碗型看台分为上、中、下三层、坐席，并在中、下层看台之间设置包厢层(包括168个大小包厢)及其坐席区，分别由各自对应的集散大厅进入。
国家体育场将作为2008年北京奥运会的主体育场，奥运会期间，国家体育场容纳观众坐席约为91000个，其中临时坐席约11000个(可在赛后拆除)，将在这里举行奥运会开幕式，闭幕式、田径比赛和男子足球决赛以及残奥会。奥运会后，国家体育场容纳观众坐席约80000个，可承担特殊重赛、各类常规赛事以及非竞赛项目(如：文艺演出、团体活动、商业展示会等)，并可提供运动、休闲、健身和商业等综合性服务。本工程为特级体育建筑，主体结构设计使用年限100年，耐火等级为l级，抗震设防烈度8度，人防等级6级物资库，防化等级丁级，地下工程防水等级1级。
国家体育场是北京奥林匹克公园内的标志性建筑，是北京最大的、具有国际先进水平的多功能体育场，也是世界瞩目的重大建筑工程，目前正处于紧张的施工阶段，预计将于2007年底竣工。中国建筑设计研究院作为国家体育场设计联合体重要成员，与瑞士Herzog & de Meuron建筑师事务所、英国Ove Arup工程顾问公司一起协同工作、紧密合作，在建筑概念设计方案国际竞赛中获胜并被确定为实施方案(2002.12～2003.4)，并随后相继完成方案设计(2003.5～2003.11)、初步设计(2003.11～2004.3)、初步设计修改(2003.4～2004.11)及其审批等各阶段工作，进入施工图设计阶段，首先完成并交付混凝土部分的各专业施工图(2004.12～2005.3)，后续的钢结构部分的各专业施工图以及总图部分、景观部分的施工图设计也在2005年6月30日之前分批完成交付，随后全面进入施工配合阶段。在上述各阶段工作中，设计联合体付出了巨大努力，并取得了显著成果，在本工程极端重要性和极端复杂性的双重压力下，使设计不断深化和完善，并在保持原创设计概念的原则下，按政府和业主的要求完成了重大修改，使“鸟巢”从设计概念一步步接近可行性方案并成为可实施和建造的、历史性的宏伟工程。
在整个设计过程中，随着建筑师对于建筑理念、空间、形象、材料等思考的不断深入和成熟，对结构、机电、防火、风热环境等技术要求的不断提出和满足，对业主、奥组委和各政府相关部门提出的功能、市政条件等的不断深化和完善，国家体育场的设计不断地发生着有逻辑的、逐渐趋近完美的变化；施工配合阶段，设计联合体仍进行大量的具有建设性的工作，除一般性的日常施工配合之外，将包括CATIA虚拟模型完善，各类关键部位实体模型设计、制作与检验，钢结构、膜结构、幕墙、家具等各项招投标及加工设计介入，奥组委开闭幕式及火炬等设计配合、体育场功能调整修改、临时设施配备等等。同时，本工程是中国建筑师、工程师与世界顶尖建筑师、工程师紧密合作的成果，合作过程中无论在文化沟通、思维方式、工作方法、管理模式等诸方面均有有益的经验和教训值得研究和总结。在国家体育场设计中运用了为数众多的、为行业瞩目的新理念、新材料、新技术、新方法。
设计以理念为本，国家体育场的非凡气质和成功正源于其令人耳目一新的设计理念。而具有某种讽刺意味的是，这一理念之“新”恰恰在于其摒弃20世纪90年代以来过分强调技术而忽视自身存在意义的做法，而回归对人类建筑本质和体育场本源状态的追问，并给予直接的、富于逻辑的、艺术性的回答，而以后的新材料、新技术、新方法则是对于设计理念的强大支撑。
人类最早建造体育场，最直接的目的是竞技和观赏竞技，与这两种活动相对应的建筑设施就是比赛场地和观众看台，这是体育场的真正核心。而体育场设计的本质就是如何营造最好的赛场气氛，使竞技者达到最佳竞技状态、创造出更好成绩，使观众欣赏到最好的比赛、并被带动起兴奋的情绪；两者互动使赛场内达至热烈的状态。这是自古希腊的竞技场就存在的、真正的体育场的精神和内涵。赛场气氛的营造直接取决于场地和看台之间是怎样的关系。
20世纪90年代以来，随着人类建造技术的不断发展在建筑设计特别是体育场设计中呈现出过分强调技术的倾向，高技术外观、大跨度结构、数码屏幕等等成为技术型体育场标榜和凸显特色的主要手段和先进象征，而体育场的核心——赛场和看台则往往被置于次要的、从属的、无重要设计含量的地位，这实际上是对体育场本质的误解和忽视，甚至是对自身存在意义的背离。
与此相反，国家体育场是一个从内而外的设计，设计的起点正是比赛场和观众看台以及两者之间的密切关系。它的看台被设计成一个完整的、没有任何遮挡的碗型，这种均匀而连续的环形，使人们的注意力集中在场内的观众和场上的赛事，它提供了舒适的环境、均匀的视距、极佳的视野和最好的气氛；满场时，观众之间挨在一起，攒动的人头像建筑的组成部分一样，构成坐席的表面，即“人群构成建筑”，紧密地围绕着竞技场上的运动员，它将带起观众们的兴奋的情绪，激发运动员们优异的表现。
碗型看台下端是一个包容长方形比赛场地的椭圆形，上沿则接近一个半径140m的圆形，使所有最上面的观众也都有很均衡的、距赛场中心约140m的视距，这样又可以在观赛视线比较好的场地东西两侧(面对比赛场长轴方向)安排较多的坐席，而在南北两侧(面对比赛场短轴方向)安排较少的坐席。因此，坐席较多的东西看台顶部高度较高，而坐席少的南北看台则较低，东西南北连续起来，形成一个立体的、边沿起伏的碗型。大部分临时坐席也被沿着碗型看台的上部边沿均匀布置，这样即使它们赛后将被拆除，留下来的永久看台仍然可以保持一个完美的碗型，只不过比赛时稍小一些。
在看台形状基本确定之后，通常为看台观众遮风避雨的巨大屋顶罩棚在这里继续向下方立面延伸，形成一个形体流畅完整的外罩，它不仅可以把碗型看台笼罩起来，还可以把看台背后必需的观众集散厅、贵宾和媒体区域、通往上层看台的大楼梯等等功能围合起来。由于看台是东西方向高，南北方向低的碗型，外罩也顺着碗型看台东西方向高起来，南北方向低下去，形成一个三维起伏的马鞍型。
这时，实际上这个体育场设计最重要的部分就已完成，接下来是推敲外罩的做法，并由于可开启屋顶等因素自然产生编织式的结构，即后来众所周知的“鸟巢”。
从上述的设计概念生成的过程可以看出，“鸟巢”并非是设计的起点和原因，而是设计被内在因素推动自然发展的结果。真正的设计起点，是比赛和观赛、赛场和看台、运动员和观众，这是一个真正回归到以体育——竞赛和观赛为本的体育场设计，这也是国家体育场最核心、最重要的设计理念。
在最初的国家体育场国际设计竞赛中提出了设置可开启屋顶的要求，这被视为世界上大型体育场的一个发展趋势。13个来自世界各国建筑师的竞赛方案中，可开启屋顶的设计五花八门、异彩纷呈，而“鸟巢”方案的可开启屋顶可以说是其中最简单，造价最低也是最容易操作的。原因是实际上可开启屋顶并非是一个体育场最主要、最应该表现的元素，它只是一个附属的功能，为了开闭幕式和赛后大型演出时的全天候需要，而大部分比赛的时候是不需要也不能闭合屋顶的(必须保持完全室外条件，赛事纪录才被公平认可)。因此，我们把它做成一个最简单朴素的、像推拉窗一样的开闭方式。这样的推拉式屋顶需要两条平行轨道来提供开合滑动的可能性，这两根轨道实际上是两根巨大的平行梁，以承载活动屋顶和承受它滑动时产生的应力。
外罩是放射状的、没有明确方向的环形，而两条平行滑轨梁却有固定的方向，圆形加上两条平行线在美学上是矛盾的，虽然在功能上可以成立。经过多种探讨，得到最后的编织式钢结构，把两条平行梁隐藏在48根桁架梁沿中心开口旋转相切编织的逻辑之中，既巧妙地解决了圆形与平行线的矛盾，满足了功能的需要，提供给可开启屋顶需要的两条平行大梁，又得到一种独特的、清晰合理的结构形式。这实际上是采用了一种“误导”人的视觉的手法。在这样一个编织式主结构的基础上再增加次一级的结构来加强主结构，立面上那些斜向的大楼梯梁也被编织进来，并延伸到屋顶，于是最终形成了“鸟巢”特有的结构和外观。我们甚至可以说是两条平行线导致了“鸟巢”的编织结构，设计的出发点是最朴素、最功能性的，但它最终激发了建筑师的潜能，独特的结构直接构成独特的外观，达到艺术性的震撼效果。国家体育场是由功能而产生结构与外观的完美统一。
由建筑的结构直接构成建筑独特的外观元素，是近年来国际建筑发展潮流中值得关注的重要特征，类似的手法我们还可在“水立方”(与国家体育场比邻的国家游泳中心)、中央电视台新址大楼等设计中看到：前者是由蜂窝状六面体结构单元被以不同角度切割后直接构成“水泡”外观，后者则是对应楼体结构受力分析的钢结构网格直接作为特殊的结构性表皮。
结构是人类营造建筑以提供遮蔽风雨、工作生活、运动娱乐空间的最直接手段和第一要素。由建筑结构直接构成建筑外观，这—21世纪建筑发展的“新趋势”实际上恰是向人类建筑本源的探索和回归。
秩序、内敛的东方美学思想——将看似无序的钢结构格架纳入严谨的受力体系中，无序中蕴含着秩序、秩序中存在着无限的变化。“鸟巢”的外罩——钢结构由主结构、次结构、通往上层看台的立面楼梯等多个层次叠加构成，而每个层次都分别具有各自清晰的秩序和规则。叠加后的看似无序的结构外观是对人的又一次视觉“误导”。
单一器物的完美性——体育场好像一个巨大的容器，高低起伏变化的外观缓和了建筑物的体量感，并赋予体育场以戏剧性和具有震撼力的形体。
简洁之中蕴含丰富的美感——外部形体的单纯浑厚和内部中国红的碗形看台及多层次的、复杂变异的回廊空间完美结合，相互衬映、相得益彰。
网格与镂空——镂空的结构组件相互支撑，形成网格状的构架，就像由树枝编织成的鸟巢。通透的维护结构使得体育场内气流通畅，适应奥运会时北京的气候。
于是我们看到，中国独特的东方美学、人文风范与当代艺术、国际奥林匹克精神融为一体，整座建筑给人以强烈的动感与活力，甚至体育场大楼梯上的人的活动也成为立面的构成元素。国家体育场的空间效果既具有前所未有的独创性，却又简洁而典雅。
由于“鸟巢”建筑形式和结构的高度统一性，对以后的技术设计、施工图设计、钢结构加工、安装乃至细微到焊缝外观质量要求都提出了严峻挑战，甚至导致传统设计、施工方法的重大改变——建筑设计和结构设计以及加工制作高度统一、建筑师和结构工程师、钢结构加工厂密切配合，才能达到预定的设计目标和艺术效果。
3、景观与建筑一体化国家体育场在竞赛与观赛、结构与外观之外，景观和建筑的一体化设计理念也是其重要的特点。
国家体育场的建筑主体——椭圆型“鸟巢”，如同一个巨大的、高低起伏变化的容器，是具有戏剧性和震撼力的建筑形体。观众可由奥林匹克公园沿地面缓缓坡起的基座平台到达体育场主入口区，并可从基座平台上俯视奥林匹克公园。石质为主的坡地景观由国家体育场用地的四周边缘微微升起，平缓而不易被人察觉，形成了巨大的完型雕塑般的“鸟巢”的天然基座。
坡状的体育场基座起着多方面的作甩由于基座的提升，使得体育场不必向地下挖入过深，避免过多地受到地下水的影响；两个热身场地(田径和投掷场地)及其室外看台由基座表面向下切入，形成下沉式的古竞技场般的效果，并通过基座下的运动员通道，越过地下横穿用地的成府路隧道上方，与主场内的比赛场地连通；国家体育场复杂的体育附属部分和赛后商业区等安排在升起的地面之下，运动员、媒体，要员、贵宾、赞助商，赛事管理、场馆运营、安保、消防，赛后商业、机动车等分别由独立的出入口进入基座下面各自所属的功能区域，并接近比赛场地，大量的普通观众则沿着坡状基座表面自然地直接进入体育场集散大厅入口，从而形成立体分流的人群进出方式，比起常见的平面分流方式更加清晰合理：而最重要的是，坡状的基座将复杂的体育工艺、功能附属区“掩藏”在地面以下，保持了主体建筑外观的格外清晰、纯粹和完整。在此，“鸟巢”主体和坡地景观就像雕塑及其基座一样成为相互依存米博体育官方app下载、不可分割的整体。
基座表层的景观图案设计最初以十二生肖为主题既有装饰功能，又有助于人们辨识方位和区分体育场12个不同的场区和出入口，十二生肖图案被抽象变形为路径和路径之间的绿地、庭园、广场。随着设计的不断深化，基座景观设计发展为与“鸟巢”特有的编织式结构相呼应的编织辐射图案主题：“鸟巢”的立面和屋顶结构是是由一系列辐射式的钢桁架围绕内环开口旋转编织而成，次级结构填充在辐射状的主结构之间。而景观基座则是由一系列向场地四周辐射的9m宽的主路围绕建筑主体的椭圆形轮廓旋转编织而成，辐射状的主路系统成为来自奥林匹克公园中心区各个方向的观众进出国家体育场的主要路径，主路的尽端两两交叉对应着分别通向两个体育场分区的安检及检票口，3m宽的次级道路填充在主路之间，成为主要路径之间的联系通道，由主路和次路交织成的道路网格之间则是广场、绿地、园林、下沉庭院等售票处、休憩区、赛后商业的独立出入口、地下空间紧急出口等也被巧妙地整合在基座的景观设计之中：广场和路径的地面采用北京近郊生产的青石板以自然的、不规则的方式和规格铺砌而成，整体的视觉效果虽然看上去是与“鸟巢”结构相呼应的“无序”图案，其实却由近似六边形的石板单元“有序”地组成，广场的地面铺砌图案甚至还进一步延伸进半室内空间的一层观众集散大厅的地面景观灯具、休息座凳、饮水台、垃圾箱等也被精心设计，以与“鸟巢”关联和谐，休息长椅和饮水台甚至就设计成类似“鸟巢”弯扭的钢结构构件片段的形状。上述的所有景观元素，从概念、功能、骨架、材料、细部、家具等方面的独特处理，共同构成不可分割的、丰富的景观组成部分，并达成与建筑主体设计理念的高度统一。
国家体育场的景观和建筑的一体化设计理念，是大地景观和人类建造物和谐本质的回归，凸显了“鸟巢”的主题，体现出人类与自然的相融和谐。
国家体育场设计过程中，按照政府和业主关于“奥运瘦身”的要求，进行了若干重大修改，即：取消可开启屋顶、扩大屋顶中间开口、减少临时看台等。但在整个的设计优化修改过程中一个最根本和最重要的原则就是要保持“鸟巢”的设计理念和艺术效果，不能因为造价的控制而受到损害，取消活动屋盖、扩大开口，并不意味着直接切大开口，而是按原来的设计理念围绕新的开口重新编织“鸟巢”的钢结构体系，压缩临时看台也遵循主要从碗型看台上沿均匀减少的策略。修改后的国家体育场完美地保持了“鸟巢”的原有的艺术效果，体现以竞赛和观赛为本的碗型看台、结构和外观一体化以及景观与建筑一体化的设计理念也得到充分保持和体现。设计联合体为此付出了巨大的努力，优化修改工作得到了政府领导和评审专家们的充分肯定。
国家体育场作为21世纪人类建造的大型体育场，使用了很多新的建筑材料和建筑技术，既是表达其独特设计理念的需要，也是对人类技术进步的合理体现和运用。新材料和新技术的运用给设计和施工都带来了很大的挑战，但恰恰在迎接挑战和创造性解决问题的过程中，使“鸟巢”这一前所未有的宏伟工程脚踏实地的一步步实现：也使相关各方面取得宝贵的经验、能力和突破性的进展，为中国建筑水平的实质性提高做出了重要贡献。
国家体育场大跨度结构是目前世界上跨度最大的体育建筑之一，建筑顶面呈鞍形，大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上，柱距为37.958m。屋盖结构采用交叉平面桁架体系，主桁架围绕屋盖洞口环梁放射形布置，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，4榀主桁架在环梁近截断。由于主桁架与内环相切，其中一些主桁架在平面外微弯，24根桁架柱与主桁架+立面次结构共同形成抗侧力体系。主场看台部分采用钢筋混凝土框架——剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。大量采用由钢板焊接而成的箱形构件，构件截面尺寸巨大，存在大量空间扭曲构件，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。其独特的“鸟巢”结构既是建筑的亮点，也是这一历史性工程的最大挑战，很多方面均超过现有技术规范的涵盖范围，其设计、加工制作及安装的复杂性前所未有，具有极大的挑战性。在设计中大量采用新技术、新材料、新工艺，进行了许多研究工作与技术创新，填补了多项国内空白，很多成果达到了国际先进水平。例如：在扭曲构件空间坐标表示法研究、采用国产优质高强、高性能钢板、提出大跨度结构温度场计算方法、扭曲构件设计方法研究、首次提出下风振系数计算方法、在ANSYS软件平台上开发大跨度结构设计与优化功能、箱形截面桁架节点设计方法研究、焊接薄壁箱形构件设计方法研究、桁架柱复杂节点设计方法研究、异型柱脚设计方法研究等方面取得了具有开创性的成果。在清华大学结构工程实验室进行了扭曲构件缩尺模型试验，在同济大学结构实验室进行了两个单K与两个双弦杆双K节点的缩尺模型试验，在同济大学结构实验室进行了两个内柱节点与两个外柱节点的缩尺试验，在北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室进行了4个柱脚锚板的抗拔试验。试验结果均验证了设计计算的可靠性。此外，国家体育场钢结构设计对大跨度结构的建造过程进行了详细的施工模拟分析。
国家体育场钢结构设计所取得的众多成果既应对前所未有的挑战、解决了自身的设计难题，并在确保结构安全的前提下降低用钢量，使“鸟巢”设计得以实现，同时又为我国钢结构领域的规范、设计、材料、加工和安装技术等方面起到重要的推动作用。
国家体育场的屋面由钢结构和膜结构共同组成。膜结构由两部分构成，上层镶嵌在主体钢结构上层钢梁网格之间的透明ETFE膜结构和下层悬挂在主体钢结构下层钢梁下面的半透明PTFE膜结构吊顶。上层的ETFE膜结构使得“鸟巢”的钢网格效果更加凸显，并为体育场的场内看台区域和场外的各层观众的集散大厅提供了遮挡风雨的功能。下层的PTFE膜结构被称作声学吊顶，除利用PTFE膜材的吸声特性改善场内的声学环境之外，在白天因其半透光性使比赛场内有足够的亮度又避免产生强烈的阴影(复杂清晰的阴影会影响转播摄像机的正常工作)，平滑过渡的膜面在看台上空形成了一个平滑的、略有弧度的膜结构吊顶，遮挡了钢结构内繁杂的结构构件和设备管线，使观众的注意力能更关注于场内的比赛之中。
ETFE膜结构采用ETFE膜材，ETFE的化学名称为乙烯一四氟乙烯共聚物，材料为无色透明，可以在表面印刷不同的花纹图案而得到不同的效果。ETFE膜材具有良好的耐久性、自洁性和稳定性。ETFE的熔化温度是265℃，其工作温度为－100℃～150℃。国家体育场选用的是0.25mm厚、无色透明带印刷点的ETFE膜材。PTFE膜结构采用PTFE膜材，PTFE的化学名称为聚四氟乙烯，涂覆在玻璃纤维基材上。未经过漂白的PTFE为浅褐色，经过阳光紫外线的照射逐步变为乳白色。PTFE也具有优良的耐久性、自洁性和稳定性。PTFE的熔化温度为360℃，其工作温度为低于250℃。国家体育场选用的PTFE膜材根据位置的不同，为吊顶区域的吸声膜材和内环立面的防水膜材。经测试，ETFE膜材和PTFE膜材的防火性能均可达到B1级，为难燃材料。
ETFE膜结构被主体钢结构梁分割成大小形状不同的892块。膜结构承包商经招标产生以后，依据膜结构公司以往的工程经验，提出了将ETFE膜结构由原来的单层拱形结构改为单层平膜结构的方案。在一个建筑中如此大面积的应用单层ETFE膜结构，在世界上还是首例。下层PTFE膜结构做成独立的单元，悬挂在下层主体钢结构的下侧，并经过一个圆滑的过渡，结束在看台的后边缘。PTFE独立单元的分隔依据主体钢结构的中心线块。相邻的两个单元之间留有100mm的间距，符合国家体育场热舒适度模拟计算结果的要求，对场内的空气流通有一定的组织，又使主体钢结构形成的图案在平滑的PTFE声学吊顶上得到体现。上下层膜结构分块图案、设置在膜结构内部的检修马道和开在吊顶区域及内环立面PTFE膜结构上的场地灯光开口都完美地延续了“鸟巢”特有的设计理念。
由于国家体育场ETFE膜结构在国内尚无相关的规范和规程可以指导设计和施工，PTFE膜结构的设计也超出国内规范的范围。因此在国家体育场膜结构招标之初，编制了《国家体育场ETFE膜结构技术标准》作为招标工作的指导性文件；并经过不断深化研究与完善，现已经编制完成了由设计联合体作为主编单位的《国家体育场膜结构技术规程》、由施工总包作为主编单位的《国家体育场ETFE膜结构施工验收规程》和《国家体育场PTFE膜结构施工验收规程》，作为国家体育场膜结构设计的技术指导性文件。
国家体育场的屋面由钢结构和膜结构共同围成大小不等、高低错落的近900个不规则分块，分块之间互不连通相当于5万多平方米面积的巨大屋面被分成900个相互独立的小屋面。因此经过大量的研究分析，采用了重力排水和虹吸排水相结合的屋面雨水排水系统，这一系统是为“鸟巢”专门研发设计的排水系统，其系统形式被专家评价为“设计巧妙、安全可行”，主要设计理念在全世界范围内为首次采用，不仅与“鸟巢”钢结构无规则的形式和紧凑的建筑空间完好整合，使雨水系统成为建筑的一个有机组成部分，而且开创了解决复杂形式屋面雨水排水的新方法。
“鸟巢”的屋面雨水系统分为三部分重力系统、转换水槽、虹吸系统。第一部分是连接每个膜结构分块的系统采用重力排水系统，安全可靠，但近400条管道需要由屋顶降落到地面，如此大量的雨水管道在建筑内将无处安置虹吸系统因管道数量少，适合作为由屋顶降落到地面的排水系统，被作为第三部分，两种系统的排水安全等级不同，需要在两种系统中间特别设计转换部分即第二部分转换水槽，转换水槽不仅连接两种类型的系统，还承担着将超过100年一遇的大暴雨超出排水系统能力的部分直接向地面倾泻的任务，确保结构安全。由于屋面造型新颖复杂，屋面雨水系统的设计超出了国家规范规定的范围。在设计研究中，利用空间解析几何理论完成屋顶膜结构集雨面积分析，利用微积分理论完成雨水荷载分析，利用概率理论完成系统失误率计算等等。大量工程数学的应用为雨水系统的“安全可行”打下坚实的基础。
“鸟巢”的屋面雨水系统设计还体现了与建筑和结构设计理念的充分融合，使雨水系统成为“鸟巢”有机的和重要的组成部分，这是建筑师、给排水工程师、结构工程师协同工作的成果。由屋顶降落到地面的雨水管道最后被特意安置在体育场南北两侧各7根钢立柱内，被戏称为“水柱子”。每侧的7根立柱其中4根又兼作支撑楼梯的钢柱，并考虑到管道的安装、检修问题特别设计了可打开的转换段节点。屋顶内的约120个转换水槽的尺寸及布置方向在满足排水需要的同时，特别考虑了与“鸟巢”屋顶钢结构构件的投影对应关系，以避免产生多余的阴影影响建筑效果。
性能化消防设计是应用消防安全工程学方法设计建筑物的消防安全系统，是为建筑量身定制的安全、经济、合理的综合消防设计方案，所以它可以有效地支持设计的创新，并且在提供相同或更高的生命、结构、环境安全度的同时节约造价。因此，在性能化消防设计大量应用的国家受到业主和建筑师的广泛欢迎。
国家体育场性能化消防设计采用的工作方式是建筑师、设备工程师进行详细的安全疏散、烟气控制等的设计，并向性能化消防设计工程师提出设计任务书，明确工程设计的特点，设计中有何处规范不能涵盖或严格按规范设计存在何种困难，由性能化消防设计工程师进行模拟分析、校核，提出改进意见。性能化消防设计的设计过程是一个需要专业消防工程师、建筑师及各专业工程师、消防主管部门的建审人员和业主共同参与的互动过程。国家体育场工程设计中进行的性能化消防设计涉及以下几个方面：
国家体育场还采用了计算机模拟技术对立面大楼梯和基座区的疏散安全性进行了模拟分析并提出相应的对策，以确保不同情况下观众的疏散安全性。
国家体育场的观众席采用自然通风方式。为了保证自然通风方式能够满足观众区热安全的要求及确定合适的开口位置，在建立国家体育场物理模型的基础上，运用计算流体力学(CFD)模拟的手段，对其在夏季典型条件下观众区和比赛区的自然通风效果(气流速度和温度)进行了模拟分析，得到各处的温度、速度等相关的数值模拟结果，给出典型断面和水平面的温度分布图、速度分布图：并对以上计算结果采用热安全性和热舒适性两种不同的评价指标进行分析，根据观众区和比赛区的不同需求、对体育场内人员分布的特点以及两个区域的不同关注程度，对国家体育场自然通风的效果进行综合评价，主要考虑自然通风下形成的气流组织是否分别满足了观众区和比赛区的不同需求和人员的舒适性。从人员的热安全和热舒适两个不同角度对自然通风气流组织进行评价，并根据评价结果提出了对现有设计是否进行调整以及调整建议(如调整PTFE膜结构吊顶分块间隙宽度、通风口的数量、位置及气流组织等)。综合温度、风速、湿度、人员特性、人员分布、关注程度等各个因素，最终的国家体育场设计自然通风效果较好，能满足各项要求。
场内声学环境质量的好坏是体育场成功与否的关键因素之一，目前国家体育场设计中声环境的主要指标——语言清晰度指数(RASTI)达到0.60，这一指标在国内类似的体育建筑中已经处于领先的地位。为了达到这一设计目标，声学设计采取提高语言清晰度、控制混响时间、控制声缺陷和噪声、合理选择扬声器方案，做到建声设计和电声设计相配合。运用声学软件ODEON建立已建成体育场的计算机模型并进行模拟计算，通过计算机模拟，得出语言清晰度设计值，并进行实测研究。通过对建声与电声、语言清晰度指标的设计值和实测值以及PTFE膜结构材料特性的研究，创造良好的室内声环境。在实施过程对将对所使用的材料、设备按照设计要求进行控制，还需要在建成之后对体育场场内的声学环境进行实测，再根据实测的数据进行必要的调整，使最终到达最佳的声学环境，更好的满足比赛要求和营造良好的观赛气氛。
随着现代体育建筑的发展，体育场设计的难度越来越大，仅仅提供比赛场地、看台坐席、以及餐饮设施已经不能满足人们的需求，为了吸引更多的观众，现代体育场必须能够提供体育比赛以外的娱乐消遣，同时，必须更加舒适、更加便利。在这方面，标识设计的作用日益重要。而在我国，体育场标识设计的发展尚处在起步阶段。国家体育场的标识设计作为建筑设计的一个重要组成部分，与建筑设计同期进行，由建筑师与平面设计师合作完成。为了模拟国家体育场建成后的空间效果，标识设计采用了由CATIA软件建造的国家体育场计算机三维模型作为辅助设计工具，研究和确定标识的位置和视觉效果。具体设计要点包括分区原则及入口、看台、排、座的编号、主要导向点位置、标识分级及标识字体、标志图案、标识配色、房门标识以及门票、广告、大屏幕、体育场参观游览等内容，重点在于标识的位置、标识信息的明确程度和体育场标识设计与体育场建筑设计相统一，以及国际化标识系统与中国文化的结合。国家体育场独特的国际化与中国文化相结合的完备的标识系统，是“鸟巢”设计理念的完善和延伸。
国家体育场的雨洪利用分为雨水收集、处理、回用三个主要部分。经过收集、处理后的雨水应用于比赛场地草坪灌溉、空调水冷却、冲厕、绿化、消防等9类用途，与市政优质中水共同组成国家体育场的回用水系统。国家体育场22ha用地范围内的雨水由6座总容积12000m3的水池完成收集，使2年一遇的降雨不外排，是目前国内外最大型的雨水收集设施。经深度处理制成洁净健康的水后回用，平均每年节约水资源近6万吨，规模相当于小型的水处理厂，先进的自动控制系统可使雨水处理在全自动状态下运行，为目前世界范围内建筑雨水深度处理回用规模最大、技术最先进的雨洪利用系统。
国家体育场中的足球场地面积约为8000m2左右，为地源热泵系统提供了充足的埋管空间。地源热泵是一种使用可再生能源、节能、环保的系统，通过地埋换热管冬季吸收土壤中蕴含的热量，为建筑物供热；夏季吸收土壤中存贮的冷量向建筑物供冷。经过计算可埋管区域，并根据满足赛时、赛后部分负荷运行以及蓄冰时作为基载主机的负荷要求，确定地源热泵的装机容量。这样既减少了部分负荷运行时的能耗，又充分利用可再生能源，积极响应“绿色奥运”和“科技奥运”的理念。
太阳能属清洁能源，减少对地球资源的使用和破坏，对大气没有废气排放，保护地球，保护环境，造福人类，造福子孙，该项目具有很重要的现实意义，社会效益十分巨大。国家体育场设计中采用的100kw太阳能光伏发电技术，具有创新性地应用光照仿真技术，对太阳能光伏发电应用场所进行分析，达到经济性、可靠性、科学性相统一，实现自切自复控制。太阳能光伏系统附有计算机监控系统，能与变电所智能监控系统联网，实现数据双向传输。其技术特点是；
①太阳能电池板主要布置在围绕体育场周边安检围栏上的东、西、南三个方向的安检棚上，与安检棚金属屋面融为一体，美观大方。
国家体育场设计中的独特理念和建筑空间与形体语言、运用的多种新材料和新技术、以及堪称世界级大工程所具有的前所未有的挑战性与复杂性，决定了必须采用不同于以往的、新的设计方法和新的组织管理方法等，才能出色地完成设计任务。
CATIA V5是一款高端的CAD／CAM软件，它提供了完善的、无缝的集成环境，是在汽车、航空、航天领域占有统治地位的设计软件。CATIA的优点在于其强大的造型功能、方便的三维察看功能、自动生成二维图、强效复制功能、信息追踪功能、完整的项目综合管理能力等。国家体育场建筑空间造型复杂，独特的“鸟巢”结构由大量不规则的空间扭曲构件“编织”而成，传统的二维几何设计、定位和相应的图纸表达方法几乎无法完成设计任务，因此，可在三维空间模型中实现精确设计、定位的CATIA V5 R13软件被引入国家体育场的设计之中，以解决复杂建筑的空间建模问题，在此之前，国内尚无在建筑行业采用CATIA的先例。
CATIA软件功能强大，对使用的要求很高，建模工作由建筑师与结构工程师在高配置电脑同完成。这是CATIA软件首次在我国建筑工程中应用，成功地解决了复杂空间结构、扭曲构件与特殊节点建模问题。建筑师利用这一精确的模型推敲空间效果、使用功能和细节设计甚至标识设计。结构工程师利用这一模型进行计算，并将所有的柱梁分段精确定位，用空间坐标表示法绘制成施工图纸。设备工程师甚至还可利用模型进行关键设备的精确分析和定位。事实上这一过程完全颠覆了传统的设计方法。CATIA软件及其高精度模型在国家体育场设计中发挥了前所未有的、不可替代的重要作用。
国家体育场称得上是一项前无古人的世界级大工程，许多设计和施工等方面的关键问题和技术难点所具备的挑战性和复杂性超乎想象。作为国家级重点工程，是我国首次举办奥运会的主体育场，是展现新世纪国力和自信心的标志性建筑，为世界瞩目，责任重大、工期紧迫，既要保证符合安全、质量、功能、工期、造价等各方面要求，又要保证“鸟巢”最初的设计理念在整个设计和实施过程中贯彻始终。另外，由于关注和参与方面众多——政府、业主、设计、科研、监理、施工总包、各专业分包、材料及产品厂家等等，使得国家体育场工程上下游关系相互牵连影响、错综复杂。这都对国家体育场的项目设计组织和管理提出了严峻挑战和要求。
面对国家体育场设计的空前复杂和难度状况，设计联合体从设计开始就明确设定了针对性的、特别的项目管理和组织策略。首先，与国内常见中外合作设计项目外方做方案、中方做施工图的各自分块的方式不同，国家体育场设计联合体采取了全过程的、紧密合作的方式，并取得了成功和成效。在概念设计竞赛阶段 中方选派主持建筑师长驻瑞士巴塞尔，与瑞士建筑师、英国工程师共同工作，发展、完成概念竞赛方案。在方案设计、初步设计、施工图设计、乃至施工配合阶段，瑞士建筑师和英国工程师则长驻中国北京，与中国建筑师、工程师协同工作，以各自不同的角色和作用共同完成全部设计和施工配合。事实证明，这样的全过程紧密合作方式对于全面发挥设计联合体各方的重要作用、确保“鸟巢”最初的设计理念在整个设计和实施过程中的完美实现起到了重要的、不可替代的作用，联合体各方在共同工作过程中克服了文化背景、思维方式、工作方法、管理模式等方面的差异，成功地进行了合作，并相互学习、取长补短。中方学到先进的设计和管理方法，外方获得宝贵的中国工作经验，各自收获颇非，也建立了深厚的感情。其次，不同的设计阶段确立不同的设计联合体成员担任领导方、其他成员担任协作方，并明确各方在各阶段针对各设计分项的详细工作分工(一方为负责方，另两方为协作方)，以设计联合体内部协议的方式确定下来。领导方负责代表和领导设计联合体对外的汇报、谈判、协作和配合，对内的设计合作组织、管理、控制和在充分讨论后对重大问题做出决定，协作方完成自己分担的具体工作并协助领导方完成设计联合体各项工作。第三，设计联合体各方均设立负责管理的项目经理和负责设计的项目经理(设计总负责人)，负责对各自团队进行有效的设计组织和管理，负责人员配备、进度计划、设计控制，并对口进行对设计联合体内外的沟通和联系，担任领导方的设计联合体成员的项目经理和设计总负责人承担着更大的责任，同时也拥有较大的权利。第四，国家体育场工程设计除一般工程中常见的总图、建筑、结构、给排水、暖通空调、电气、弱电通讯、经济等专业外，又根据本工程的特殊情况，增设了景观、燃气、体育工艺等专业，建筑专业又分设地下、地上、屋顶及膜结构、体育工艺和三维设计等分项负责人，结构专业又分设钢结构和混凝土结构两专业并分设负责人，结合设计分包设混凝土预制构件、厨房工艺等专业，再加上HdeM建筑师、Arup工程师以及钢结构加工设计方、膜结构加工设计方，设计分项配合专业多达20余种，使得各项设计分工细化明确，利于各负其责、提高设计深度和水平，但同时也加大了设计组织配合、协调管理的难度和复杂性。为此，设计联合体配备了远程传输的国际电视电话会议系统，建立了专用网络服务器(FtpServer)在设计联合体之间传输配合文件，采用了外部引用的通用CAD绘图方式，还制订了详细的、采用国际化格式的。包含有关各方、各分项专业的设计进度配合计划，建立了不同主题的周设计例会制度(业主例会、中建院专业例会，膜结构例会等)。上述措施有效地推动了设计进程，提高了设计质量，确保了设计里程碑的实现。
最后，特别值得一提的是中国建筑设计研究院作为国家体育场工程中发挥重大和关键作用的设计联合体成员，面对本院历史性的重大工程，配备了空前强大的设计团队设立以主管设计副院长为总指挥的国家体育场设计总指挥部，指挥协调设计管理工作，以负责主管经营的副院长(院长助理)担任项目经理、以院副总建筑师、设计方案中方主持建筑师担任设计总负责人，并设副设计总负责人，共同全面、具体地负责设计管理、控制、协调设计工作，并配备设计主持人助理，以院副总工、主任建筑师(工程师等技术骨干)担任各专业负责人，并设副专业负责人负责各专业技术设计、配合工作，各专业均由院总、所总担任审定、审核人，各专业均抽调设计能力较强、有较多设计经验的建筑师，工程师担任设计人。中国建筑设计研究院国家体育场项目设计团队总人数达到近百人，进行密切的国际设计合作，而鉴于紧张的工期，国家体育场采取分批连续出图、审查、修改的方式，设计里程碑一个紧接一个，却能做到同心同德，协同配合，按时、高效、高质、高量完成了艰巨的设计任务，确保了施工进程，不能不有赖于出色的组织管理和良好的人员素质。
越是复杂和具有挑战性的建筑工程，越需要合理，有效、有力的项目组织和管理控制。国家体育场设计中所采用的先进、周密、合理、高效、专业、国际化的项目设计组织和管理方法，确保了这一具有空前复杂性和挑战性的工程的顺利实施。
国家体育场国际设计竞赛评审委员会在评价国家体育场“鸟巢”方案时指出：“建筑的历史是由一条创新的道路筑成的，而这一方案表现出建筑历史不断向前、推动性的性的发展，从任何意义上讲，都将提供一种对21世纪中国与世界建筑发展进程的见证”，“为一个新的地段，为北京正在发展的地区，输入了一种新的建筑语汇，为今后建筑的发展开辟了一种可能性”。
目前，国家体育场的施工建设已经进入到和关键阶段，“鸟巢”的形象已经“初露峥嵘”，令人振奋。它是当代先进的建筑设计理念、新技术、新材料、新方法和中国的优秀文化、观念、人才、技术、国力的成功结合和展现，体现了科技奥运、绿色奥运、人文奥运的主题，中外设计、科研、施工、管理等各方面人员付出了巨大的代价和努力并通过这一建设项目多个重要关键技术难题的创造性解决，使中国建筑业在很多方面取得宝贵的经验、能力和突破性的进展，为中国建筑早日跻身国际先进水平做出了重大贡献。
国家体育场作为2008年第29届奥林匹克运动会的主体育场，将以独特的形象迎接来自北京、中国和世界四面八方的宾客，成为奥林匹克运动留给北京的宝贵遗产和城市建设的亮点，也必将以代表一个时代的、人类的宏伟建筑作品被载入中国建筑史和世界建筑史、奥运史。*本文暂不支持打印功能