织就炫酷“冰丝带” 冬奥速滑馆索网屋面诠释中国方案

2022-01-24 10:49:43 来源：科技日报

由22条晶莹的“丝带”状曲面玻璃幕墙环绕，远观飘逸，近看宏伟……作为2022北京冬奥会的唯一新建冰上竞赛场馆，国家速滑馆“冰丝带”的设计、技术、材料、制造均采用了“中国方案”。

其中，浙江大学建筑工程学院罗尧治教授团队和邓华、袁行飞教授团队为“冰丝带”超大跨度索网结构建设施工与运维保障提供了重要的技术保障。

部署传感设备实时监测钢索

“冰丝带”的屋面体系采用双曲面马鞍形单层索网结构，可理解为被一张由钢索编织而成的大网扣紧，相较于传统的刚性屋面结构体系，柔性的索网屋面在满足结构功能的前提下减少了结构的用钢量。

“由于每根钢索就有几吨重，只有通过合理的张拉，才能织成一张网。”1月19日，罗尧治教授向科技日报记者介绍道，在施工过程中，这些钢索的受力状态非常关键，稍有不慎就会影响施工质量与安全。

为了摸清钢索状态，罗尧治团队在施工环节安装上了浙大自主开发的无线传感器，用以实时监测和力学分析。

“冰丝带”屋盖结构是由49对承重索和30对稳定索编织成长跨198米、短跨124米的马鞍形索网。该如何布局传感器网络、保证索网升到高空后传感器能长期正常稳定地工作？

2018年9月到2020年12月，罗尧治团队就在一线开展数据处理，时刻关注穿针引线、织开大网的各个节点，为施工过程提供决策支撑。

在索网的施工过程中，施工方采取“先地面拼装、再整体提升”的工序，但由于场地空间限制，铺在地面等待张拉的钢索需要微微拱起才能越过“瓶颈”。倘若没有准确的数据支撑，不能轻易弯折动辄几吨的钢索。

“现场的监测数据能够实时掌握弯曲对钢索的影响，为现场决策指挥和安全施工提供了重要依据。”工程施工方评价说，“这些无线传感器就像一双双眼睛，紧盯着工程的建设全过程。”

构建索网模型模拟精确施工

铺在地上的索网怎样平稳提起、到达屋面高度后需要张拉哪些索才能绷紧索网、最终可以容忍多大的误差……在“冰丝带”建设期间，这些都需要进行敏感性分析。

“国家速滑馆屋盖跨度大、钢索多、内力协调复杂，这要求结构必须实现高精度的建造。”邓华介绍，索网中需要施加巨大的张拉力，且必须保证与环桁架和幕墙索高精度地协同工作，索网由地面提升的步骤和钢索的张拉顺序都将影响到整个“冰丝带”的最终施工质量，确定安全、高效、精确的索网施工方案尤为关键。

为解决屋顶的建设难题，邓华、袁行飞教授团队通过12∶1的缩尺模型，开展了国家速滑馆大跨度索网屋盖结构建造关键技术及模型试验研究。

缩尺模型试验从2018年6月初开始持续到8月底，联合团队基于大量的数值仿真结果和试验测试数据，在索网的整体提升、张拉控制、施工验收和预张力监测等方面提出了系统性的方案和建议，为“冰丝带”大跨度索网屋盖结构的高精度建造提供了有力的技术支撑。

此外，团队还通过沙袋等形式，在张拉好的索网施加荷载。“我们在模型上吊挂不同的荷载物来模拟风吹雪打的环境，验证屋顶的强度和抗形变能力。”邓华说。

依托后方平台远程分析诊断

走进位于浙大紫金港校区的空间结构健康监测平台，记者看到，这里实时处理着来自“冰丝带”的状态数据。

据了解，这套监测系统由浙大自主开发设计，早在2010年就开始应用于国家体育馆“鸟巢”、大兴国际机场等建筑物的运营监测。

罗尧治团队成员许贤教授说，团队通过该平台对速滑馆的应力、位移、加速度、温度、风压、索力等六大类参数进行监测，测试点数也达千余个，数量之多创下了单一建筑结构之最。“我们会根据每个项目的具体需求来改造这套系统，在施工的关键环节和恶劣天气条件，我们还会加密监测。”

除了对“冰丝带”屋顶的监测，浙大团队还对速滑馆的赛场冰下混凝土开展了健康监测。据悉，“冰丝带”采用全冰面设计，冰面温差可控制在0.5℃以内，这对混凝土的质量提出了更高要求。

如何监测冰下混凝土服役状态下的受力情况，这对罗尧治团队来说，又是一个崭新课题。为此，团队研发了低温恶劣环境下混凝土结构的内力和温度监测技术，提出了冰下混凝土长期服役过程中性能状态评估方法。

深度参与这个项目的浙大建工学院2017级直博生傅文炜说：“在这个伟大的时代，通过自己的科研工作为国家速滑馆建设作出小小的贡献，是人生难得的际遇。”（江耘）