國(guó)家速滑館“冰絲帶”如何織就？其中有來自浙江的科技力量

再過幾天，舉世矚目的北京冬奧會(huì)即將開幕。環(huán)形的“冰絲帶”造型靈動(dòng)，由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。

作為唯一新建冰上競(jìng)賽場(chǎng)館——國(guó)家速滑館“冰絲帶”為世界貢獻(xiàn)了由中國(guó)設(shè)計(jì)、中國(guó)技術(shù)、中國(guó)材料、中國(guó)制造組成的奧運(yùn)場(chǎng)館建設(shè)“中國(guó)方案”。這其中，浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院羅堯治教授團(tuán)隊(duì)和鄧華、袁行飛教授團(tuán)隊(duì)就為“冰絲帶”超大跨度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)建設(shè)施工與運(yùn)維保障提供了重要的科技力量。

時(shí)刻在線的“健康醫(yī)生”

“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。所謂的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單地說，就是一張由鋼索編織而成的大網(wǎng)。這樣一張大網(wǎng)“扣”在了速滑館的上方，形成一個(gè)馬鞍形雙曲面屋頂。

相較于傳統(tǒng)的剛性屋面結(jié)構(gòu)體系，柔性的索網(wǎng)屋面在滿足結(jié)構(gòu)功能的前提下大大減小了結(jié)構(gòu)的用鋼量，這樣精巧的空間設(shè)計(jì)為節(jié)能環(huán)保提供了保障。但是可想而知，它的施工難度也非常大，再加上工期緊，項(xiàng)目參與各方都懸著一顆心。

這是因?yàn)槊扛骶W(wǎng)就有幾噸重，而只有通過合理的張拉，才能織成一張網(wǎng)。在施工過程中，這些鋼索的受力狀態(tài)就非常關(guān)鍵了，稍有不慎就會(huì)影響施工質(zhì)量與安全。為了更好摸清鋼索狀態(tài)，羅堯治團(tuán)隊(duì)在施工環(huán)節(jié)就安裝上浙大自主開發(fā)的無線傳感器，用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和力學(xué)分析?！笆┕さ倪^程中，千斤頂下面也有傳感器，但是它們隨著工程的進(jìn)展要撤下來的，只能監(jiān)測(cè)短時(shí)的數(shù)據(jù)，但我們的監(jiān)測(cè)是全過程的。”羅堯治說。

“冰絲帶”屋蓋結(jié)構(gòu)是由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)，如何布局傳感器網(wǎng)絡(luò)，又如何保證索網(wǎng)升到高空后傳感器能長(zhǎng)期正常穩(wěn)定地工作呢？

精益求精是他們此次工作的關(guān)鍵所在。從2018年9月到2020年的12月，羅堯治團(tuán)隊(duì)就在一線開展數(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。

索網(wǎng)張拉施工過程仿真模擬分析示意圖

在索網(wǎng)的施工過程中，采取“先地面拼裝、再整體提升”的工序，但由于場(chǎng)地空間限制，鋪在地面等待張拉的鋼索需要微微拱起才能越過“瓶頸”。倘若沒有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，誰也不能輕易下令彎折動(dòng)輒幾噸的鋼索?！斑@時(shí)候，我們的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)掌握彎曲對(duì)鋼索的影響，為現(xiàn)場(chǎng)決策指揮和安全施工提供了重要依據(jù)?！笔┕し皆u(píng)價(jià)說：“浙大的無線傳感器就像一雙雙眼睛，緊緊‘盯’著工程的建設(shè)全過程?！?br/>

千里一線的“最強(qiáng)大腦”

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”的方式測(cè)量著“脈搏”與“心跳”。

“拿到數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，是我們開展監(jiān)測(cè)分析的全過程?！绷_堯治教授團(tuán)隊(duì)的許賢教授說，團(tuán)隊(duì)對(duì)速滑館的應(yīng)力、位移、加速度、溫度、風(fēng)壓、索力等六大類參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)試點(diǎn)數(shù)也達(dá)千余個(gè)，數(shù)量之多創(chuàng)下了單一建筑結(jié)構(gòu)之最。

那么這些監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)如何更好地決策呢？

走進(jìn)位于紫金港校區(qū)的空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)，記者看到，這里匯集著來自各地的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，也實(shí)時(shí)處理著來自“冰絲帶”的數(shù)據(jù)。作為多學(xué)科融合的云端數(shù)據(jù)庫，浙大團(tuán)隊(duì)采用的是統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，這種數(shù)據(jù)融合便于更好地開展建筑物結(jié)構(gòu)分析。

這套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由浙大自主開發(fā)設(shè)計(jì)的，早在2010年就開始應(yīng)用于國(guó)家體育館“鳥巢”的運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)，也就是說已經(jīng)有了10多年的工程經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)用的也是這套監(jiān)測(cè)技術(shù)，而且監(jiān)測(cè)面積是世界最大?！拔覀儠?huì)根據(jù)每個(gè)項(xiàng)目的具體需求來改造這套系統(tǒng)，在施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和惡劣天氣條件，我們還會(huì)加密監(jiān)測(cè)?！?/p>

除了對(duì)“冰絲帶”屋頂?shù)谋O(jiān)測(cè)，浙大團(tuán)隊(duì)還對(duì)速滑館的賽場(chǎng)冰下混凝土開展了結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)?！氨z帶”采用了全冰面設(shè)計(jì)，同時(shí)也采用最先進(jìn)的制冰技術(shù)，冰面溫差可控制在0.5℃以內(nèi)。

這對(duì)混凝土的質(zhì)量提出了更高要求。如何監(jiān)測(cè)冰下混凝土服役狀態(tài)下的受力情況，這對(duì)羅堯治團(tuán)隊(duì)來說，又是一個(gè)嶄新課題。為此，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。

深度參與這個(gè)項(xiàng)目的建工學(xué)院2017級(jí)直博生傅文煒說：“在這個(gè)偉大的時(shí)代，通過自己的科研工作為國(guó)家速滑館建設(shè)作出小小的貢獻(xiàn)，是人生難得的際遇?！?/p>

模擬風(fēng)吹雪打

索網(wǎng)模型在浙大誕生

在“冰絲帶”建設(shè)期間，浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院的另一撥人馬也發(fā)揮了重要作用。為了更好解決屋頂?shù)慕ㄔO(shè)難題，鄧華、袁行飛教授團(tuán)隊(duì)通過12：1的縮尺模型，開展了國(guó)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。

“國(guó)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?！编嚾A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)施工方案是關(guān)鍵技術(shù)問題。

“設(shè)計(jì)難，但要將‘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?！变佋诘厣系乃骶W(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，團(tuán)隊(duì)在浙大打造了一個(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。

縮尺模型試驗(yàn)從2018年6月初開始持續(xù)到8月底，期間董石麟院士也多次前往試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。一整個(gè)暑期的加班加點(diǎn)沒有白費(fèi)，最終，“冰絲帶”索網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型在浙大誕生，此后各項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析工作有序開展。

團(tuán)隊(duì)基于大量的數(shù)值仿真結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，在索網(wǎng)的整體提升、張拉控制、施工驗(yàn)收和預(yù)張力監(jiān)測(cè)等方面提出了系統(tǒng)性的方案和建議，為“冰絲帶”大跨度索網(wǎng)屋蓋結(jié)構(gòu)的高精度建造提供了有力的技術(shù)支撐。

此外，團(tuán)隊(duì)還通過沙袋等形式，在張拉好的索網(wǎng)施加荷載。“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?！编嚾A說。

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”共同組成北京這座世界首個(gè)“雙奧之城”的標(biāo)志性建筑群。而這背后，就閃耀著浙大團(tuán)隊(duì)的科技智慧。

（文中圖片來源：受訪團(tuán)隊(duì)、央視新聞、新華社）