北京冬奧會(huì)國家速滑館“冰絲帶”如何織就

22條晶瑩美麗的“絲帶”狀曲面玻璃幕墻環(huán)繞，遠(yuǎn)觀飄逸，近看宏偉。近日，浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院羅堯治教授團(tuán)隊(duì)，鄧華、袁行飛教授團(tuán)隊(duì)公開解析了北京冬奧會(huì)唯一新建冰上競(jìng)賽場(chǎng)館——國家速滑館“冰絲帶”超大跨度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)建設(shè)施工與運(yùn)維保障方面的科技內(nèi)涵。

“冰絲帶”的屋面體系采用了雙曲面馬鞍形單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，是目前世界上跨度最大的單層雙向正交馬鞍形索網(wǎng)屋面體育館，由49對(duì)承重索和30對(duì)穩(wěn)定索編織成長(zhǎng)跨198米、短跨124米的馬鞍形索網(wǎng)組成。每根索網(wǎng)就有幾噸重，只有通過合理的張拉，才能織成一張網(wǎng)。

施工過程中，這些鋼索的受力狀態(tài)非常關(guān)鍵，稍有不慎就會(huì)影響施工質(zhì)量與安全。為更好地摸清鋼索狀態(tài)，羅堯治團(tuán)隊(duì)在施工環(huán)節(jié)就安裝上浙江大學(xué)自主開發(fā)的無線傳感器，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和力學(xué)分析。

從2018年9月到2020年12月，羅堯治團(tuán)隊(duì)在一線開展數(shù)據(jù)處理，時(shí)刻關(guān)注著穿針引線、織開大網(wǎng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，為施工方案提供決策支持。施工方說：“浙江大學(xué)的無線傳感器就像一雙雙眼睛，緊緊‘盯’著工程建設(shè)全過程。”

不僅在建設(shè)時(shí)發(fā)揮作用，如今建成后的“冰絲帶”依舊通過“健康醫(yī)生”的方式進(jìn)行著遠(yuǎn)程測(cè)量。羅堯治團(tuán)隊(duì)成員許賢教授說，他們團(tuán)隊(duì)對(duì)國家速滑館的應(yīng)力、位移、加速度、溫度、風(fēng)壓、索力六大類參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)試點(diǎn)數(shù)達(dá)千余個(gè)，數(shù)量之多創(chuàng)下了單一建筑結(jié)構(gòu)之最。

走進(jìn)位于浙江大學(xué)紫金港校區(qū)的空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)，這里匯集了來自“冰絲帶”等建筑的實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)。這套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由該校自主開發(fā)設(shè)計(jì)，從2010年開始應(yīng)用于國家體育館“鳥巢”的運(yùn)營監(jiān)測(cè)、北京大興國際機(jī)場(chǎng)建設(shè)監(jiān)測(cè)等。

在“冰絲帶”建設(shè)期間，浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院鄧華、袁行飛教授團(tuán)隊(duì)，通過12：1的縮尺模型，開展了國家速滑館大跨度索網(wǎng)屋蓋結(jié)構(gòu)建造關(guān)鍵技術(shù)及模型試驗(yàn)研究，解決了屋頂?shù)慕ㄔO(shè)難題。

“國家速滑館屋蓋跨度大、鋼索多、內(nèi)力協(xié)調(diào)復(fù)雜，這要求結(jié)構(gòu)必須實(shí)現(xiàn)高精度的建造。”鄧華介紹，索網(wǎng)中需要施加巨大的張拉力，且必須保證與環(huán)桁架和幕墻索高精度地協(xié)同工作，然而索網(wǎng)由地面提升的步驟和鋼索的張拉順序都將影響到整個(gè)“冰絲帶”的最終施工質(zhì)量，因此，確定安全、高效、精確的索網(wǎng)施工方案，是工程的關(guān)鍵問題。

“設(shè)計(jì)難，要將‘冰絲帶’從圖紙打造成冬奧會(huì)的標(biāo)志性場(chǎng)館同樣困難。”鋪在地上的索網(wǎng)怎樣平穩(wěn)提起來，到達(dá)屋面高度后需要張拉哪些索才能繃緊索網(wǎng)，最終可以容忍多大的誤差……這些都需要進(jìn)行敏感性分析。于是，該團(tuán)隊(duì)在浙江大學(xué)打造了一個(gè)縮小版的“冰絲帶”模型，模擬索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的建造全過程，并驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)性能。

該縮尺模型試驗(yàn)從2018年6月初進(jìn)行到8月底，鄧華說：“我們?cè)谀Ｐ蜕系鯍觳煌暮奢d來模擬風(fēng)吹雪打的環(huán)境，驗(yàn)證屋頂?shù)膹?qiáng)度和抗形變能力。”

浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)還對(duì)速滑館的賽場(chǎng)冰下混凝土開展結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，這對(duì)羅堯治團(tuán)隊(duì)來說又是一個(gè)嶄新的課題。該團(tuán)隊(duì)研發(fā)了低溫惡劣環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)，提出了冰下混凝土長(zhǎng)期服役過程中性能狀態(tài)評(píng)估方法。深度參與此項(xiàng)目的2017級(jí)直博生傅文煒說：“這是我人生難得的機(jī)遇。”

北京舞動(dòng)的“冰絲帶”，與雄渾的鋼結(jié)構(gòu)“鳥巢”和靈動(dòng)的膜結(jié)構(gòu)“水立方”，共同組成世界首個(gè)“雙奧之城”的標(biāo)志性建筑群。這背后，凝聚著浙江大學(xué)教授專家團(tuán)隊(duì)的科技智慧和力量。(中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 李劍平)

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