國家速滑館“冰絲帶”屋面 課題組供圖

國家速滑館“冰絲帶”縮尺模型 課題組供圖

洪恒飛 柯溢能 吳雅蘭 科技日報記者 江耘

由22條晶瑩的“絲帶”狀曲面玻璃幕墻環繞，遠觀飄逸，近看宏偉……作為2022北京冬奧會的唯一新建的冰上競賽場館——國家速滑館“冰絲帶”的設計、技術、材料、制造均采用了“中國方案”。

其中，浙江大學建筑工程學院羅堯治教授團隊和鄧華、袁行飛教授團隊為“冰絲帶”超大跨度索網結構建設施工與運維保障提供了重要的技術保障。

部署傳感設備 實時監測鋼索

“冰絲帶”的屋面體系采用雙曲面馬鞍形單層索網結構，可理解為被一張由鋼索編織而成的大網扣緊，相較于傳統的剛性屋面結構體系，柔性的索網屋面在滿足結構功能的前提下減少了結構的用鋼量。

“由于每根鋼索就有幾噸重，只有通過合理的張拉，才能織成一張網。”1月19日， 羅堯治教授向科技日報記者介紹道，在施工過程中，這些鋼索的受力狀態非常關鍵，稍有不慎就會影響施工質量與安全。

為了摸清鋼索狀態，羅堯治團隊在施工環節安裝上了浙大自主開發的無線傳感器，用以實時監測和力學分析。

“冰絲帶”屋蓋結構是由49對承重索和30對穩定索編織成長跨198米、短跨124米的馬鞍形索網。該如何布局傳感器網絡、保證索網升到高空后傳感器能長期正常穩定地工作？

2018年9月到2020年12月，羅堯治團隊就在一線開展數據處理，時刻關注穿針引線、織開大網的各個節點，為施工過程提供決策支撐。

在索網的施工過程中，施工方采取“先地面拼裝、再整體提升”的工序，但由于場地空間限制，鋪在地面等待張拉的鋼索需要微微拱起才能越過“瓶頸”。倘若沒有準確的數據支撐，不能輕易彎折動輒幾噸的鋼索。

“現場的監測數據能夠實時掌握彎曲對鋼索的影響，為現場決策指揮和安全施工提供了重要依據。”工程施工方評價說，“這些無線傳感器就像一雙雙眼睛，緊盯著工程的建設全過程。”

構建索網模型 模擬精確施工

鋪在地上的索網怎樣平穩提起、到達屋面高度后需要張拉哪些索才能繃緊索網、最終可以容忍多大的誤差……在“冰絲帶”建設期間，這些都需要進行敏感性分析。

“國家速滑館屋蓋跨度大、鋼索多、內力協調復雜，這要求結構必須實現高精度的建造。”鄧華介紹，索網中需要施加巨大的張拉力，且必須保證與環桁架和幕墻索高精度地協同工作，索網由地面提升的步驟和鋼索的張拉順序都將影響到整個“冰絲帶”的最終施工質量，確定安全、高效、精確的索網施工方案尤為關鍵。

為解決屋頂的建設難題，鄧華、袁行飛教授團隊通過12：1的縮尺模型，開展了國家速滑館大跨度索網屋蓋結構建造關鍵技術及模型試驗研究。

縮尺模型試驗從2018年6月初開始持續到8月底，聯合團隊基于大量的數值仿真結果和試驗測試數據，在索網的整體提升、張拉控制、施工驗收和預張力監測等方面提出了系統性的方案和建議，為“冰絲帶”大跨度索網屋蓋結構的高精度建造提供了有力的技術支撐。

此外，團隊還通過沙袋等形式，為張拉好的索網施加荷載。“我們在模型上吊掛不同的荷載物來模擬風吹雪打的環境，驗證屋頂的強度和抗形變能力。”鄧華說。

依托后方平臺 遠程分析診斷

走進位于浙大紫金港校區的空間結構健康監測平臺，記者看到，這里實時處理著來自“冰絲帶”的狀態數據。

據了解，這套監測系統由浙大自主開發設計，早在2010年就開始應用于國家體育館“鳥巢”、大興國際機場等建筑物的運營監測。

羅堯治團隊成員、許賢教授說，團隊通過該平臺對速滑館的應力、位移、加速度、溫度、風壓、索力等六大類參數進行監測，測試點數也達千余個，數量之多創下了單一建筑結構之最。“我們會根據每個項目的具體需求來改造這套系統，在施工的關鍵環節和惡劣天氣條件，我們還會加密監測。”

除了對“冰絲帶”屋頂的監測，浙大團隊還對速滑館的賽場冰下混凝土開展了健康監測。據悉，“冰絲帶”采用全冰面設計，冰面溫差可控制在0.5℃以內，這對混凝土的質量提出了更高要求。

如何監測冰下混凝土服役狀態下的受力情況，這對羅堯治團隊來說，又是一個嶄新課題。為此，團隊研發了低溫惡劣環境下混凝土結構的內力和溫度監測技術，提出了冰下混凝土長期服役過程中性能狀態評估方法。

深度參與這個項目的浙大建工學院2017級直博生傅文煒說：“在這個偉大的時代，通過自己的科研工作為國家速滑館建設作出小小的貢獻，是人生難得的際遇。”

關鍵詞： 跨度 絲帶