浙大助力織就冬奧酷炫“冰絲帶”

效果圖。（浙大供圖）

 現場安裝。（浙大供圖）

再過幾天，舉世矚目的北京冬奧會即將開幕。作為唯一新建冰上競賽場館——國家速滑館“冰絲帶”為世界貢獻了由中國設計、中國技術、中國材料、中國制造組成的奧運場館建設“中國方案”。

環形的“冰絲帶”造型靈動，由22條晶瑩美麗的“絲帶”狀曲面玻璃幕墻環繞，遠觀飄逸，近看宏偉。“冰絲帶”的屋面體系采用了雙曲面馬鞍形單層索網結構，是目前世界上跨度最大的單層雙向正交馬鞍形索網屋面體育館。

這其中，浙江大學建筑工程學院教授羅堯治團隊和教授鄧華、袁行飛團隊為“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科技支撐。

精益求精造就索網結構

所謂的索網結構，簡單地說，就是一張由鋼索編織而成的大網。這樣一張大網“扣”在了速滑館的上方，形成一個馬鞍形雙曲面屋頂。

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大大減小了結構的用鋼量，這樣精巧的空間設計為節能環保提供了保障。但是可想而知，它的施工難度也非常大，再加上工期緊，項目參與各方都懸著一顆心。

這是因為每根索網就有幾噸重，而只有通過合理的張拉，才能織成一張網。在施工過程中，這些鋼索的受力狀態就非常關鍵了，稍有不慎就會影響施工質量與安全。為了更好摸清鋼索狀態，羅堯治團隊在施工環節就安裝上浙大自主開發的無線傳感器，用以實時監測和力學分析。“施工的過程中，千斤頂下面也有傳感器，但是它們隨著工程的進展要撤下來的，只能監測短時的數據，但我們的監測是全過程的。”羅堯治說。

“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，如何布局傳感器網絡，又如何保證索網升到高空后傳感器能長期正常穩定地工作呢？

精益求精是他們此次工作的關鍵所在。從2018年9月到2020年的12月，羅堯治團隊就在一線開展數據處理，時刻關注著穿針引線、織開大網的各個節點，為施工方案提供決策支持。

在索網的施工過程中，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，誰也不能輕易下令彎折動輒幾噸的鋼索。“這時候，我們的現場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。”施工方評價說：“浙大的無線傳感器就像一雙雙眼睛，緊緊‘盯’著工程的建設全過程。”

千里一線的“最強大腦”

不僅在建設時發揮作用，如今建成后的“冰絲帶”依舊通過“健康醫生”的方式測量著“脈搏”與“心跳”。

“拿到數據、傳輸數據、處理數據，是我們開展監測分析的全過程。” 羅堯治團隊的教授許賢說，團隊對速滑館的應力、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。

那么這些監測大數據如何更好地決策呢？

走進位于紫金港校區的空間結構健康監測平臺，記者看到，這里匯集著來自各地的監測數據，也實時處理著來自“冰絲帶”的數據。作為多學科融合的云端數據庫，浙大團隊采用的是統一的數據標準、統一的數據系統，這種數據融合便于更好地開展建筑物結構分析。

這套監測系統是由浙大自主開發設計的，早在2010年就開始應用于國家體育館“鳥巢”的運營監測，也就是說已經有了10多年的工程經驗，同時大興國際機場用的也是這套監測技術，而且監測面積是世界最大。“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結構監測。“冰絲帶”采用了全冰面設計，同時也采用最先進的制冰技術，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。”

“風吹雪打都不怕”

在“冰絲帶”建設期間，浙江大學建筑工程學院的另一撥人馬也發揮了重要作用。為了更好解決屋頂的建設難題，教授鄧華、袁行飛團隊通過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。

“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，然而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，因此確定安全、高效、精確的索網施工方案是關鍵技術問題。

“設計難，但要將‘冰絲帶’從圖紙打造成冬奧會的標志性場館同樣困難。”鋪在地上的索網怎樣平穩提起來，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……這些都需要進行敏感性分析。于是，團隊在浙大打造了一個縮小版的“冰絲帶”模型，模擬索網結構的建造全過程，并驗證結構的設計性能。

縮尺模型試驗從2018年6月初開始持續到8月底，期間董石麟院士也多次前往試驗現場指導。一整個暑期的加班加點沒有白費，最終，“冰絲帶”索網結構模型在浙大誕生，此后各項試驗測試和數據分析工作有序開展。

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。