回望北京冬奧會(huì)、冬殘奧會(huì)這場(chǎng)冰雪盛宴，我們不僅見(jiàn)證了體育超越政治、團(tuán)結(jié)人類，也見(jiàn)證了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，也包含了清華土木為之貢獻(xiàn)的智慧。

我系馮鵬教授課題組有幸參與了2022年北京冬奧會(huì)相關(guān)的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃《國(guó)家速滑館智能建造關(guān)鍵技術(shù)研究》，協(xié)助施工單位北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司，提高速滑館施工過(guò)程中關(guān)鍵技術(shù)和質(zhì)量評(píng)估的智能化。具體內(nèi)容主要分為：

• 基于BIM的曲面玻璃幕墻設(shè)計(jì)與施工；

• 曲面玻璃幕墻鋼網(wǎng)殼施工技術(shù)；

• 高釩密閉索加工技術(shù)；

• 大型異形勁性結(jié)構(gòu)施工技術(shù)；

• 特種混凝土施工技術(shù)；

• 基于BIM 的樁基工程高效施工技術(shù)；

• 屋面高延性EPDM防水體系及施工技術(shù)；

• 基于三維掃描的圍護(hù)結(jié)構(gòu)安裝誤差評(píng)估技術(shù)等。

關(guān)鍵技術(shù)1 ：基于BIM的曲面玻璃幕墻設(shè)計(jì)與施工

國(guó)家速滑館外幕墻為天壇輪廓造型，立面連續(xù)彎曲，采用復(fù)雜網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系(預(yù)應(yīng)力拉索+S形鋼龍骨+水平鋼圓管龍骨)，面材為彎弧玻璃、平板玻璃、圓管玻璃燈帶，玻璃幕墻外立面由22根“冰絲帶”環(huán)繞，平均每條絲帶長(zhǎng)約622m。外立面2層以上為天壇輪廓曲面幕墻系統(tǒng)，總玻璃塊數(shù)3360塊，單曲面玻璃塊數(shù)1440塊，面積約為8800m2，平板玻璃1920塊，面積約為5900m2，隨著屋頂輪廓的高低變化水平延展，造型復(fù)雜，使得整個(gè)建筑造型得以完美體現(xiàn)晶瑩剔透、冰的質(zhì)感。

國(guó)家速滑館天壇輪廓曲面玻璃幕墻造型復(fù)雜、體量大、功能繁多、受外影響大，給設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)一系列難題。為保證施工質(zhì)量和成型效果，在工程設(shè)計(jì)及施工階段充分利用BIM 技術(shù)，用于指導(dǎo)材料加工組裝、輔助測(cè)量定位、調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)變形、優(yōu)化玻璃安裝。馮鵬團(tuán)隊(duì)通過(guò)三維掃描獲得的實(shí)際安裝定位模型用于更新三維設(shè)計(jì)模型，評(píng)估幕墻安裝誤差，調(diào)節(jié)優(yōu)化后續(xù)安裝工序，調(diào)節(jié)連接縫誤差。最終所有玻璃幕墻全部一次性順利安裝，整體幕墻達(dá)到預(yù)期效果。

關(guān)鍵技術(shù)2 ：?曲面玻璃幕墻鋼網(wǎng)殼施工技術(shù)

國(guó)家速滑館天壇輪廓曲面玻璃幕墻由鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)支撐，具體包括160根S形鋼龍骨(主龍骨)、3520根鋼橫梁和3520根鋼圓管(次龍骨)，其中鋼龍骨長(zhǎng)短各不相同，給施工帶來(lái)了很大困難。因鋼龍骨長(zhǎng)度超過(guò)運(yùn)輸限制，遂分為三段進(jìn)行加工制作。

為高效、合理地完成幕墻鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工流程，需將鋼龍骨組裝成鋼桁架形式進(jìn)行吊裝。鋼桁架既能提高安裝效率，又能有效保證龍骨拼接質(zhì)量，故安裝時(shí)榀與榀間的精準(zhǔn)對(duì)接是本工程的重點(diǎn)。吊裝方式采用扁擔(dān)吊裝，保證了弧形梁變形、安裝精度及成型質(zhì)量。同時(shí)，采用全站儀對(duì)安裝過(guò)程進(jìn)行全程精確定位，保證了構(gòu)件準(zhǔn)確、快速地完成安裝。

關(guān)鍵技術(shù)3??高釩密閉索加工技術(shù)

國(guó)家速滑館主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)由單元板塊式屋面和天壇輪廓曲面玻璃幕墻組成，屋蓋由外環(huán)向鋼桁架與單層雙向正交馬鞍形索網(wǎng)結(jié)構(gòu)組成，其索網(wǎng)結(jié)構(gòu)由拉索組成。

速滑館索網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用世界上較為先進(jìn)的大直徑國(guó)產(chǎn)高釩密閉索，其索體總長(zhǎng)度20410米，成品索及索夾總重量968噸，常規(guī)屋面拉索采用UU型式，兩端均采用調(diào)節(jié)式錨具，幕墻索上端U型叉耳，下端為螺桿加索力限制器。此國(guó)產(chǎn)高釩密閉索具有高防腐性、防火性、防退扭性、摩擦系數(shù)大、高強(qiáng)度等特性，該索體采用密封鋼絲繩，內(nèi)層采用圓鋼絲、外層采用2~3層Z形鋼絲，索內(nèi)層圓鋼絲及外層Z形鋼絲全部采用鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層，結(jié)構(gòu)緊密表面平滑，密封性能好，防腐性能強(qiáng)。制作完成的索圓鋼絲的強(qiáng)度等級(jí)高達(dá)1670MPa，Z形絲的強(qiáng)度等級(jí)高達(dá)1570MPa，承載能力很強(qiáng)。

成品密閉索的制作工藝包括索體粗下料、制錨、預(yù)拉伸、超張拉檢測(cè)及包裝存儲(chǔ)。索體二次拉拔并采用熱浸鍍鋅方式進(jìn)行表面鍍層處理，拉索兩端均采用調(diào)節(jié)式錨具，最后制成成品密閉索并檢測(cè)、包裝、存儲(chǔ)。國(guó)家速滑館屋面索結(jié)構(gòu)首次將國(guó)產(chǎn)高釩密閉索用于房建工程，此索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的成功實(shí)施為國(guó)產(chǎn)高釩密閉索的應(yīng)用起到了推廣示范作用。

關(guān)鍵技術(shù)4 ：大型異形勁性結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

國(guó)家速滑館中大型異形勁性結(jié)構(gòu)主要包括斜柱、環(huán)梁、懸挑梁等部分。支承屋面的48根勁性結(jié)構(gòu)斜柱與水平面夾角為70.84°-76.09°，斜柱頂設(shè)置混凝土環(huán)梁，標(biāo)高隨馬鞍形屋蓋形狀變化而變化，最高柱頂標(biāo)高為17.330m，位于主入口大廳兩側(cè)，最低柱頂標(biāo)高為6.237m，位于南、北兩側(cè)。首層外側(cè)64根懸挑梁斜穿幕墻拉索。該項(xiàng)目勁性結(jié)構(gòu)中，混凝土構(gòu)件尺寸形狀不一，無(wú)法定型加工耗材；單個(gè)大型勁性結(jié)構(gòu)構(gòu)件無(wú)法一次性吊裝和安裝；多數(shù)梁柱勁性連接節(jié)點(diǎn)交錯(cuò)復(fù)雜，施工難度大。

速滑館工程通過(guò)采用分段吊裝、搭建傾斜模架體系，采用高標(biāo)準(zhǔn)自密實(shí)混凝土澆筑等方法，解決了以上勁性結(jié)構(gòu)施工難題。在施工過(guò)程中通過(guò)對(duì)鋼骨分段施工，布置高精度測(cè)量方案，制定有效控制焊接變形與殘余應(yīng)力的施工方法，合理設(shè)置勁性結(jié)構(gòu)模板體系，并應(yīng)用BIM技術(shù)深度模擬復(fù)雜勁性結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，優(yōu)化鋼筋與型鋼的連接措施和構(gòu)造，同時(shí)采用高質(zhì)量自密實(shí)混凝土，設(shè)置混凝土振搗孔等有效措施，確保勁性結(jié)構(gòu)施工方案最優(yōu)，提高了施工效率，保證了施工質(zhì)量，對(duì)勁性結(jié)構(gòu)體系施工具有較好的借鑒意義。

關(guān)鍵技術(shù)5：特種混凝土施工技術(shù)

國(guó)家速滑館因其特殊的建筑使用和受力要求，涉及多種特種混凝土的制備和施工，該工程建設(shè)中主要采用了3 種特種混凝土：

1) 抗凍混凝土在低溫環(huán)境下，凍融破壞會(huì)造成混凝土開(kāi)裂、剝落，是影響混凝土耐久性的主要因素。在混凝土中摻入適量鋼纖維，可提高混凝土的抗裂能力，達(dá)到改善凍融性能的效果。因此，在速滑館冰下地面建造過(guò)程中使用了特種CF50P8F250 鋼纖維抗凍混凝土。

2) 補(bǔ)償收縮混凝土用膨脹劑配制補(bǔ)償收縮混凝土是減少混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的重要措施之一，本工程空間尺度大，易產(chǎn)生開(kāi)裂問(wèn)題，因此大量采用補(bǔ)償收縮混凝土。

3) 自密實(shí)混凝土本工程部分設(shè)計(jì)為大截面復(fù)雜異形勁性結(jié)構(gòu)，混凝土澆筑較困難，設(shè)計(jì)時(shí)采用了自密實(shí)混凝土。自密實(shí)混凝土由于組分更加復(fù)雜，其力學(xué)性能有別于普通混凝土，因此施工工藝也在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)。

本工程使用的特種混凝土施工技術(shù)能夠?yàn)槠渌愃乒こ烫峁┲匾膮⒖家罁?jù)。以抗凍混凝土為例，因?yàn)樗倩^比賽場(chǎng)地分為若干個(gè)獨(dú)立的制冰單元，使用時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)各制冰單元進(jìn)行開(kāi)啟，制冰單元的邊緣混凝土受到的內(nèi)應(yīng)力較大，并且隨溫度變化反復(fù)承受較大拉應(yīng)力，因此在每個(gè)制冰單元間左、右各2m區(qū)域用鋼纖維增韌補(bǔ)償收縮混凝土。在施工抗凍混凝土及鋼纖維抗凍混凝土?xí)r，以各相鄰后澆帶作為流水段劃分界限。然后根據(jù)下圖所示在比賽場(chǎng)地防水保護(hù)層上彈出2種混凝土的分界線，并做出明顯標(biāo)志。在底板鋼筋綁扎完成后，分界線位置的鋼筋網(wǎng)片綁扎豎向細(xì)目鉛絲網(wǎng)，以作為2種混凝土的分界線?；炷翝仓r(shí)至少安排2個(gè)澆筑小組，各負(fù)責(zé)1種混凝土澆筑，澆筑順序?yàn)閺脑搮^(qū)域的短邊開(kāi)始，沿長(zhǎng)邊推進(jìn)，這樣可在混凝土初凝前進(jìn)行接縫處混凝土澆筑，有效避免冷縫。

團(tuán)隊(duì)還對(duì)冰下大體積抗凍混凝土固化階段進(jìn)行了內(nèi)部長(zhǎng)期溫度監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了該施工方法能夠有效避免混凝土自身的反應(yīng)熱堆積。

關(guān)鍵技術(shù)6：?基于BIM 的樁基工程高效施工技術(shù)

速滑館工程設(shè)計(jì)標(biāo)高±0.00m，相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高49.00m，依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，工程主場(chǎng)館看臺(tái)區(qū)域（粉色區(qū)域）采用樁筏基礎(chǔ)，基礎(chǔ)樁采用機(jī)械鉆孔灌注樁，共654根樁，其中抗拔樁259根（紫色區(qū)域），承壓樁395根，樁徑均為1.00m。其基礎(chǔ)樁工程工況復(fù)雜，眾多樁基和集水坑沿建筑橢圓造型嵌套徑向分布，而且工期緊張，這給樁基工程的施工帶來(lái)了難度。

針對(duì)基礎(chǔ)樁工況復(fù)雜且工期緊張的情況下，采用在鋼筋籠和護(hù)筒粘貼一對(duì)一標(biāo)記的方法提高了施工準(zhǔn)確率，并且采用一體化靜載樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，避免了樁頭二次澆筑，提高了效率，節(jié)約了工期28天以上；針對(duì)基槽坑底標(biāo)高復(fù)雜的工況，應(yīng)用Revit、SketchUp、Lumion等BIM信息化工具解決技術(shù)難題，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)形式；此外使用GIS技術(shù)進(jìn)行了精準(zhǔn)高效的土方量計(jì)算。本工程采用的多手段BIM施工技術(shù)取得了良好的效果，為類似工程提供了新思路。

關(guān)鍵技術(shù)7：屋面高延性EPDM防水體系及施工技術(shù)

速滑館屋面采用單元式金屬屋面體系，每個(gè)索網(wǎng)網(wǎng)格對(duì)應(yīng)一個(gè)屋面模塊。金屬屋面體系在滿足一定的力學(xué)性能基礎(chǔ)上具有保溫、防水兼具建筑造型的功能，因此防水層不僅要滿足國(guó)家規(guī)范對(duì)屋面防水系統(tǒng)的一般要求，還應(yīng)該兼具美觀性和對(duì)索網(wǎng)變形的適應(yīng)性。金屬屋面與索體結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)不同，為了避免因變形不協(xié)調(diào)造成結(jié)構(gòu)損傷，在單元屋面上設(shè)置了變形縫，這又對(duì)屋面防水材料的延展性提出了較高要求。

馮鵬團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)常用的高分子防水卷材，包括內(nèi)增強(qiáng)型TPO、勻質(zhì)型EPDM及相關(guān)配套材料壓敏自硫化泛水進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)和微觀破壞機(jī)理分析，發(fā)現(xiàn)EPDM相對(duì)于TPO有更好的尺寸穩(wěn)定性，而且EPDM壓敏自硫化泛水材料隨著硫化時(shí)間的增加，由最初的塑性逐漸表現(xiàn)出具有成品EPDM卷材的彈性性能，滿足了速滑館屋面對(duì)防水卷材的各項(xiàng)要求，最終選用EPDM卷材搭配自硫化泛水材料進(jìn)行速滑館屋面防水。

卷材采用1.5mm厚黑色EPDM防水卷材，寬6.1m，長(zhǎng)30.5m。EPDM防水卷材長(zhǎng)邊沿南北方向布置，遇天窗、天溝等位置進(jìn)行裁切。卷材施工由屋面中心最低點(diǎn)向東西兩個(gè)方向進(jìn)行鋪設(shè)，或者由東西兩側(cè)最高點(diǎn)向南北兩側(cè)進(jìn)行鋪設(shè)施工，卷材的搭接方向必須保證順?biāo)罱?。速滑館項(xiàng)目引用國(guó)外成熟做法，使用滿粘+機(jī)械固定的做法，且搭接部位使用搭接帶配合專用底涂，配合自硫化泛水進(jìn)行細(xì)部處理。

作為馮鵬課題組團(tuán)隊(duì)的一員，張道博回憶起參與冬奧會(huì)速滑館場(chǎng)館建設(shè)的經(jīng)歷，說(shuō)道“從最開(kāi)始接觸到速滑館項(xiàng)目到現(xiàn)在，看著速滑館從無(wú)到有，一點(diǎn)點(diǎn)建設(shè)與完善，特別有參與感與成就感。能為冬奧貢獻(xiàn)自己的一份力量，感到非常自豪。最令我印象深刻的場(chǎng)景是，由于項(xiàng)目的需要，需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)的步道爬上速滑館屋面，每當(dāng)臨近傍晚，偌大的屋面披上了一層金色的面紗，更能感受到速滑館別樣而獨(dú)特的美。能夠從屋面的視角，感受整個(gè)速滑館的恢弘大氣，也算是作為參與者的一個(gè)小確幸吧?！?/p>

文字 | 張道博

圖片來(lái)源 | 北京城建集團(tuán)提供并授權(quán)使用

編輯 | 高欣

審核 | 邢沁妍