他們編織了“天幕”

王劍英

國家速滑館屋面索網(wǎng)“天幕”施工建設(shè)場景

北京奧林匹克森林公園南園西北側(cè)，北京2022冬奧會速度滑冰項目比賽場館國家速滑館內(nèi)，建設(shè)者們斗志高昂，為即將到來的測試活動做著最后的準備。

國家速滑館有一個親切的昵稱——“冰絲帶”，因其建筑外立面盤旋著22條晶瑩美麗的“絲帶”狀曲面玻璃幕墻，取形于運動員高速滑進時冰刀留下的軌跡，22這一數(shù)字則與2022年相呼應(yīng)。

場館的造型美觀、新穎，但將其從效果圖變?yōu)閷嵨?，建設(shè)、施工難度極高，需突破多項技術(shù)難點;它被業(yè)內(nèi)稱為“世界級建造難題”，此前被納入這一級別的，有北京大興國際機場綜合航站樓、港珠澳大橋等重大工程。

屋面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的成功實施是攻堅克難的典型例證，在國家速滑館建設(shè)團隊口中，這張索網(wǎng)被稱為“天幕”，這一階段的建設(shè)施工被稱為“編織天幕”。

2020年5月，國家速滑館斬獲“2019年度中國鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的最高工程大獎——中國鋼結(jié)構(gòu)金獎年度杰出工程大獎”，“天幕”的成功“編織”是其主要加分項。

“拿這個獎，一方面是專家厚愛，另一方面，國家速滑館也當之無愧?！眹宜倩^公司副總經(jīng)理、總工程師李久林對《瞭望東方周刊》這樣表示。

“當之無愧”的背后，有何不為人知的故事？

挑戰(zhàn)帶來興奮

2018年2月，李久林正式入駐國家速滑館項目，所有與工程、技術(shù)相關(guān)的重大問題，都由他負責。

他曾是2008年“鳥巢”建設(shè)的總工程師?！傍B巢”成為北京奧運會的時代標志，亦成為京城的地標建筑，他引以為豪。

“鳥巢”是重型鋼結(jié)構(gòu)建筑，作為主要承重構(gòu)件的桁架柱最大斷面達25米×20米，高度達67米，單榀最重達500噸，其總用鋼量達4.2萬噸。它充滿了陽剛美，與對面輕靈的“水立方”相得益彰。

“水立方”的輕靈質(zhì)感主要由“膜”材料實現(xiàn)。這次，國家速滑館要用鋼結(jié)構(gòu)實現(xiàn)輕盈流暢的整體視覺效果。

與“鳥巢”相較，用更少的鋼材建造一個更高性能的結(jié)構(gòu)體，這是可持續(xù)、綠色發(fā)展的要求，亦是對土木工程師們的挑戰(zhàn)——團隊興奮地期待著這場實踐。

“天幕”有個頗拗口的專業(yè)術(shù)語：單層雙向正交馬鞍形索網(wǎng)?？梢院唵卫斫鉃?，有一個巨大的羽毛球拍“繃”在了場館的上方，只不過這個球拍不是由樹脂纖維制成，而是由粗大的鋼索編織而成，不是平面而是馬鞍形，更直白的類比是“薯片形”。

李久林正式進駐國家速滑館項目后，面臨的第一個難題是：索網(wǎng)的材料怎么辦？用進口索還是國產(chǎn)索？

國際上的普遍做法是，大型體育場館的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用高釩密閉索，它結(jié)構(gòu)緊密、表面平滑、防腐性佳、承載力強，但國內(nèi)此前沒有生產(chǎn)過建筑用高釩密閉索，而建筑用索有其特定標準，如抗拉、抗震、抗疲勞、抗腐蝕等。

在國際市場上，建筑用的高釩密閉索并不難買，“但全世界能做出來的工廠主要集中在歐美幾個發(fā)達國家，它屬于被少數(shù)人掌握的卡脖子技術(shù)，像芯片一樣?！崩罹昧终f，當時已經(jīng)有代理商追著找上門來，希望用其代理的國外索。

如何選擇？

不久前，北京市某工程的負責人特地來到國家速滑館，在登上屋頂實地考察一番后，回去就決定：“速滑館這么大工程都用了國產(chǎn)索，我們也一定要用國產(chǎn)的。”

“優(yōu)先用國產(chǎn)索”

當時，整個團隊——包括業(yè)主單位、設(shè)計單位、總承包單位、監(jiān)理單位等，普遍認為應(yīng)“優(yōu)先考慮用國產(chǎn)索”。

“這和十多年前‘鳥巢建設(shè)用鋼的選擇情景，驚人地相似。”李久林說。

十多年前，“鳥巢”建設(shè)伊始，同樣面臨核心材料的選擇難題。

由于“鳥巢”被設(shè)計為重型鋼結(jié)構(gòu)，且跨度達333米×297米，南北兩側(cè)有6根柱子受力極大，當時有兩種材料方案：要么用150毫米厚的鋼板，Q345級別;要么用110毫米厚的高強鋼板，Q460級別。二者之間相隔Q390、Q420兩個技術(shù)等級。

從技術(shù)和綠色建筑角度而言，Q460是更好的選擇。但當時，如果進口，國際市場的供貨周期無法滿足建設(shè)進度，而國內(nèi)廠家還沒有生產(chǎn)過建筑用Q460鋼。

李久林（右）在國家速滑館施工現(xiàn)場

“鳥巢”建設(shè)周期的各時間節(jié)點都已經(jīng)被“鎖死”，團隊只能背水一戰(zhàn)：與我國首家寬厚鋼板生產(chǎn)和科研基地河鋼舞陽鋼廠聯(lián)手攻關(guān)，從最基礎(chǔ)的力學性能開始研究，通過上百組實驗、上萬個數(shù)據(jù)分析研究形成標準，乃至培訓工人，最終生產(chǎn)出新中國第一批建筑用Q460鋼，一次合格。

“鳥巢”建設(shè)所用的700噸Q460鋼全部國產(chǎn)化，自此以后，央視大樓、北京大興國際機場等重要工程紛紛選擇國產(chǎn)Q460鋼，我國高強鋼行業(yè)呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，對建設(shè)節(jié)能減排、科技發(fā)展起到了強大的助推作用。

那段激情歲月歷歷在目，最終的成功也給了團隊巨大信心，國家速滑館最終下決心——用國產(chǎn)索！

時間不等人。進駐工程1個多月后，李久林便帶隊考察了國內(nèi)最具備生產(chǎn)建筑用高釩密閉索能力的3家工廠，摸清基本情況。3家工廠均摩拳擦掌，表達了強烈的愿望，希望利用國家建設(shè)冬奧工程的平臺，打開國產(chǎn)索的建筑應(yīng)用市場。

2018年5月，河北巨力集團中標，以最大力量組織科研和生產(chǎn)，隨后建設(shè)起國內(nèi)第一條相關(guān)生產(chǎn)流水線;5個月后，第一車成品索到達國家速滑館施工現(xiàn)場。

2019年3月，“天幕”編織工作順利完工，屋面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)完美呈現(xiàn)。

過程中，有一個細節(jié)給李久林留下了深刻印象：巨力集團中標后，仍有國內(nèi)生產(chǎn)索的企業(yè)負責人主動表態(tài)：“我們愿意當備胎，隨時候補。如果他們不行，我們上！”

“本來他們屬于競爭關(guān)系，為了突破難點，能有這樣的情懷，令人感動！”李久林說。

國家速滑館用上了國產(chǎn)索，這一消息迅速在行業(yè)內(nèi)引發(fā)震蕩：上海浦東足球場、三亞體育中心等在建大型場館均紛紛選擇國產(chǎn)索。

不久前，北京市某工程的負責人特地來到國家速滑館，在登上屋頂實地考察一番后，回去就決定：“速滑館這么大工程都用了國產(chǎn)索，我們也一定要用國產(chǎn)的?！?/p>

據(jù)了解，現(xiàn)在，越來越多國內(nèi)廠家具備生產(chǎn)高釩密閉索的能力，這推動了整個國際市場上高釩密閉索價格水平和供貨周期的回落。

趙炳陶（右）在國家速滑館建設(shè)現(xiàn)場

“這個東西原來是高高在上的，因為中國制造的力量，只能靠國外進口的局面得以改變?！崩罹昧中牢勘硎?。

國家速滑館公司工程部的工程師趙炳陶則說：“一個行業(yè)相當于一張大網(wǎng)，很難實現(xiàn)齊頭并進，必須有一個‘點去牽引著向前，高釩密閉索的突破就是這樣一個點。很幸運能遇上這樣一個點?！?h3>從“買豆腐”到“研究種大豆”

推動高端材料國產(chǎn)化體現(xiàn)了國家速滑館建設(shè)團隊的情懷，但李久林說，“如此重大的國家工程，光有情懷可不行?！?/p>

國家速滑館是北京2022冬奧會新建標志型競賽場館，且為永久性場館，要成為我國冬奧質(zhì)量的標桿之作，“一開始就是奔著建筑行業(yè)最高獎魯班獎去的，”李久林說。

采用國產(chǎn)索，做第一個吃螃蟹的，壓力巨大，實操階段必須保證萬無一失;此外，建設(shè)工期緊張，現(xiàn)場作業(yè)人員眾多，任何環(huán)節(jié)都經(jīng)不起“重來一次”。團隊只有以嚴謹?shù)目茖W步驟將各種風險一一清除。

在高釩密閉索的科研攻關(guān)階段，設(shè)置了三道平行的監(jiān)測關(guān)卡以嚴格把控：巨力集團自身的質(zhì)量控制體系、國家速滑館建設(shè)專家團隊和第三方獨立專業(yè)檢驗機構(gòu)，相當于“上了三重保險”。檢測及監(jiān)測覆蓋了科研攻關(guān)的全過程，包括鋼絲的拉絲、強化、鍍層、編繩……甚至是原材鋼絲的源頭選擇。

李久林曾在團隊內(nèi)部打趣說：“本想在市場上買盒豆腐回來，沒想到自己開始研究種大豆了。”

核心材料問題解決了，但“編織天幕”的過程此前沒有現(xiàn)成經(jīng)驗，仍屬于摸著石頭過河。

在國家速滑館停車場，一個已經(jīng)被拆成幾大塊的鋼模型靜靜躺在角落里。每次路過，趙炳陶都親切稱它“小家伙”。

“小家伙”其實不算小，尺寸22.5米×17.5米，是按照國家速滑館的建筑骨架，以1：12的比例做出來的實體模型，由浙江大學空間結(jié)構(gòu)實驗室設(shè)計制作，主要目的就是為了在“天幕編織”階段，從施工可行性到受力性能，對設(shè)計成果進行全方位反復(fù)驗證。

在此之前，另一支小分隊已經(jīng)利用計算機空間建模，將速滑館建造過程完整地演習了一遍，“編織天幕”階段模擬了一千多種可能出現(xiàn)的工況，由于運算量過于龐大，普通計算機無法滿足需求，需利用超算中心才能完成。

計算機模擬分析，實體模型仿真，都是為了盡量將可能出現(xiàn)的問題“扼殺在搖籃里”。此外，實操推進的每一步都采取了協(xié)同辦公和聯(lián)合驗收機制：每天早上9點，設(shè)計方、監(jiān)理方、總包方、分包施工方、第三方監(jiān)測方和廠家代表準時開會，分析上一步的結(jié)果，根據(jù)內(nèi)業(yè)資料和現(xiàn)場情況聯(lián)合驗收，任何一方發(fā)現(xiàn)問題先解決，待各方全部簽字確認之后才能通過，再部署下一步。

為了節(jié)省時間、滿足工期，實操階段采用了平行施工：施工現(xiàn)場仿佛成了一個巨大的汽車組裝廠。

傳統(tǒng)土木建筑有句行話：“齊不齊，一把泥?！钡@句話不適用于此，因為這是一個“精細活”。

“這么大體量的土木工程，真正實現(xiàn)了像建造汽車一樣來造一個建筑。”李久林感慨，它必須有汽車一樣的毫米級精度：鋼索上面安裝了1000多個傳感器，監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時傳到后臺，采用智能機器人實現(xiàn)整個過程的高精度控制。

顏值巔峰

2018年12月28日，一個令趙炳陶難忘的日子。

兩年后，他依然清楚地記得那天出奇的冷，零下十幾度還刮著風，但大家情緒高昂，因為連續(xù)數(shù)月的智慧加汗水艱辛付出后，沖鋒號吹響了，“天幕”正式進入提升張拉階段——“羽毛球拍”在地面組裝完畢，開始往屋頂“提升”了。

“這不是一張普通的網(wǎng)，很不容易！”趙炳陶感嘆。

這是世界最大跨度的正交雙向單層馬鞍形索網(wǎng)，198米×124米的結(jié)構(gòu)體量，鋼索總長度20410米，總重量968噸;其中東西向為98根承重索，單索直徑64毫米，南北向為60根穩(wěn)定索，單索直徑74毫米，雙向縱橫交錯。

“這么大體量的土木工程，真正實現(xiàn)了像建造汽車一樣來造一個建筑?！崩罹昧指锌?，它必須有汽車一樣的毫米級精度：鋼索上面安裝了1000 多個傳感器，監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時傳到后臺，采用智能機器人實現(xiàn)整個過程的高精度控制。

如此大面積且有韌性的一張鋼索網(wǎng)，采用地面編索、整體提升、同步張拉的措施。屋頂不是平面，最高處33.8米，最低處15.8米，落差18米。提升過程中要實現(xiàn)平面到馬鞍形的完美變形;每一條鋼索的受力變化，都牽一發(fā)動全身，為保證索網(wǎng)整體安全、準確到達預(yù)定位置，必須確保每根索的索力同步、均勻增長，確保整體受力均衡。

這樣的施工在國內(nèi)沒有先例，難度首屈一指。

為了這次提升張拉，184臺不同型號的千斤頂、98臺油泵、14臺泵站、158套工裝、11臺25噸汽車吊、6臺直臂車和1套同步控制系統(tǒng)一齊上陣——在同一個項目中使用如此多設(shè)備，在國內(nèi)亦屬首次。

“天幕”的提升張拉共進行了3個月。2019年1月29日，完成提升;3月19日，完成張拉;4月26日，完成鎖定。經(jīng)檢測，各項指標參數(shù)均在設(shè)計范圍內(nèi)，鋼筋鐵骨“天幕”工程完美收官。

收官那天傍晚，金色的落日余暉灑在巨大的銀色“天幕”上，反射出柔美的光暈，趙炳陶從場館下方凝視這壯觀的景象，感受自然之美與人工之美的相互輝映，腦海中自動升起了一個詞：“結(jié)構(gòu)的顏值巔峰”。這位理工男打起了一個文藝的比方：“鳥巢”好比少林寺，剛猛范兒;速滑館好比武當派，飄逸范兒。

“天幕”工程如此艱巨且無先例，核心材料高釩密閉索在國內(nèi)還得科研攻關(guān)，那為何要選擇索網(wǎng)這一方案？有沒有別的替代方案？

李久林解釋，除了索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計團隊還對比了其他方案：鋼桁架和網(wǎng)架方案。從超大跨度而言，桁架和網(wǎng)架更為成熟，但屋頂厚度會高達8米-10米，且“冰絲帶”的完美造型難以實現(xiàn);索網(wǎng)則更加輕盈，用鋼量僅為桁架的四分之一，且節(jié)省了幕墻和空調(diào)運行的費用，這種方式實現(xiàn)了用材、造價、安全性、建筑效果、可維護性等各方面綜合最優(yōu)效果。

2020年5月，喜訊傳來，國家速滑館以最高分148.5分榮獲 “2019年度中國鋼結(jié)構(gòu)金獎年度杰出工程”大獎，這是國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的最高獎項，每年不超過3個。此前獲得年度杰出工程大獎的還有北京大興機場綜合航站樓、中國尊大廈等項目。

以中國工程院院士聶建國為首的12位現(xiàn)場評審專家一致認為，國家速滑館工程團隊通過智慧建造進行科技攻關(guān)，完美解決了高性能鋼材應(yīng)用、鋼結(jié)構(gòu)滑移、索結(jié)構(gòu)應(yīng)用等眾多技術(shù)難題，其建設(shè)質(zhì)量和標準達到國際領(lǐng)先水平。

現(xiàn)在，國家速滑館已完成了“精耕細作”“拔地而起”“編織天幕”“絲帶飛舞”和“最快的冰”五個建設(shè)階段，建設(shè)團隊正全力打造“智慧的館”，為這處冬奧新場館、首都新地標的最終揭幕貢獻力量。