科技織就 “冰絲帶”

作為唯一新建冰上競賽場館——國家速滑館“冰絲帶”為世界貢獻(xiàn)了由中國設(shè)計(jì)、中國技術(shù)、中國材料、中國制造組成的奧運(yùn)場館建設(shè)“中國方案”。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。

“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。為了更好地摸清鋼索狀態(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?！绷_堯治說。

“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。”羅堯治教授團(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)干余個(gè)，數(shù)量之多創(chuàng)下了單一建筑結(jié)構(gòu)之最。

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)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)用于國家體育館“鳥巢”的運(yùn)營監(jiān)測(cè)，已經(jīng)有了10多年的工程經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)大興國際機(jī)場用的也是這套監(jiān)測(cè)技術(shù)，而且監(jiān)測(cè)面積是世界最大。

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期服役過程中性能狀態(tài)評(píng)估方法。

在“冰絲帶”建設(shè)期間，為了更好地解決屋頂?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。

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。

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