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前线客户端:国匠兵魂︱国匠虔心编制“冰丝带”
时间:2020-05-20
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国匠兵魂︱国匠虔心编制“冰丝带”

前线客户端  2020-05-19

国家速滑馆“冰丝带”获中国钢结构金奖。本刊记者5月18日获悉,经过12位现场评审专家的评审,国家速滑馆工程顺利通过了中国钢结构金奖年度杰出工程大奖现场评审。

2018年1月16日,是一个载入小嫩妇好紧好爽史册的日子:集团中标冬奥会标志性场馆国家速滑馆的建设工程,成为全球首个既建造夏奥会主场馆又建造冬奥会主场馆的建筑工程总承包商。

国家速滑馆总建筑面积9.7万平方米,要用3年时间完工,工程体量不大,但结构异常复杂:8500吨超大跨度钢结构环桁架、全球跨度最大的单层双向正交马鞍形索网结构、3360块玻璃幕墙拼出自由流畅的天坛形曲面“外衣”、1080块单元式屋面板与索网完美拟合、1.2万平方米的亚洲最大冰面……

2020年1月24日,除夕夜,“冰丝带”亮灯迎新春。从2018年1月22日进场开始桩基施工开始,项目团队仅用24个月就先后实现“冰丝带”的精耕细作、拔地而起、天幕编织和丝带飞舞,创造出卓尔不群的冬奥速度与精度。

平行施工“织”出冬奥速度

“像吗?”每个月,国家速滑馆项目经理张怡都会在微信朋友圈分享一组速滑馆实景图和效果图的对比图。

“特别像!”“越来越像了!”“就差一场雪了!”当看到亲朋好友的评论,这位在施工行业为数不多的女项目经理总是有一种“吾家有女初长成”的成就感。

“速滑馆各施工环节环环相扣、施工精度要求极高,正常情况下,得在土建结构完工后进行钢结构环桁架施工,环桁架拼装完、现场实测实量后,才进行索的加工和施工,但若这样按部就班地施工,工期得增加6个月,时间不允许。”张怡说。

所以,项目在进行地上土建结构施工的同时,开展钢结构、索结构的材料加工和正式施工,这种土建、钢、索结构平行施工的方式是与时间赛跑的“制胜法宝”。

基于平行施工思路,项目部将BIM技术、仿真分析与装配式相结合,实现对钢、索等的工厂加工、现场组装,在施工现场实现与造汽车一样造场馆的智慧建造,以“南北两侧原位吊装、东西两侧整体滑移”方式让8500吨钢结构环桁架快速就位,以“地面编网、整体提升、整体张拉”方式把158根钢索精准织成“天幕”。

创新机制 保证工程精度

平行施工能够带来速度的突破,但前所未有的风险也随之而来:土建结构、钢结构、索结构紧密相连,传力体系复杂,若上一环节施工精度不够,下一环节将无法顺畅衔接,如何确保每个环节施工精度?钢结构环桁架施工时会因热胀冷缩、自重等产生变形,变形会有多大?诸多未知,考验智慧。

比如,索网是通过耳板与钢结构环桁架相连,平行施工拉索耳板在环桁架卸载前已焊接完成,索网提升时因自重会受力变形,变形会有多大?索网张拉时会带动环桁架变形,环桁架变形会达到什么程度、实际形态和设计值会相差多少?倘若仿真计算得出的索长数值与实际有出入,或是钢索加工精度不够,或是环桁架施工精度不够,最终都反应在索长精度不够。索的长度极为敏感,但凡长一点或短一点,在现场都没法处理,在张拉时受力就会不均衡,轻则无法精准张拉,重则可能产生安全事故。

在一次次方案论证中,项目团队和厂家联合研发出一种索长误差消纳机制:在每根索的两端安装像套筒一样的调节螺杆,每端都可通过调整调节螺杆对索长进行10公分的微调,以此消除实测实量后存在的索长误差。“如果没有索长误差消纳机制,谁也不敢百分百断定仿真分析是完全精准的,谁也不敢下令开始索的加工。”原项目总工程师史自卫说为确保平行施工万无一失,项目团队既下“先手棋”,也留“后手牌”,凭借索长误差消纳机制破解了平行施工存在的关键风险。

步步精心 编织“天幕”

“宝贝儿,妈妈出去买点东西,待会儿就回来……”为了溜出家门,无奈的张怡只好出此下策。返回项目部,张怡径直走进施工现场,此时索网已施工完成,似柔实刚的索网恰如这位女项目经理的脾性。看着蓝天白云映衬下如网球拍似马鞍的索网,她不禁发出“成如容易却艰辛”的感慨。

国家速滑馆屋面支撑用柔性的索网代替纯钢结构,用钢量只占传统钢结构屋面的1/4,既节能又美观。索网南北向最大跨度198米、有稳定索30对,东西向最大跨度124米、有承重索49对,外加120根幕墙索,索体总长20450米,是目前全球跨度最大、规模最大的单层双向正交马鞍形索网结构。

“这给索网施工带来极大挑战,为此我们采用‘地面编网、整体提升、整体张拉’的方式施工。这种方式在编网阶段把高空作业变为低空作业,创造了与钢结构平行施工的可能,也降低了安全风险。”张怡说。

地面编网精度决定着索网提升张拉的成败,精准把控索夹位置和拧紧力是确保编网精度的关键。展索、编网、提升、张拉、荷载,处处有门道,步步得精心。1142个索夹以4米的间距分布,将158根索串联固定形成一张巨大的索网。

施工中,需要对158根索连接耳板的坐标、倾角等进行实测实量,根据测量结果计算索长偏差,根据偏差值调整索两端调节螺杆将索调整到实际所需长度;对304套液压千斤顶逐个检查……测量、计算、调差、检查,技术准备、安全措施准备就绪后,索网将在液压千斤顶的“拉拽”下,先提升后张拉,缓缓与钢结构环桁架“会师”。

索网提升张拉过程实则先提升承重索,“托着”稳定索上升,再张拉稳定索,带动承重索和幕墙索被动张拉。稳定索的张拉关系着施工成败,然而在张拉方式上,项目部同设计、监理产生了分歧。

按照设计要求,索网张拉时无论张拉距离多长,都要分8步完成。“如果这样,每一对索每一步的张拉距离都不一样,不具备实操性,而且在前期索网松弛阶段也等比例张拉是没有必要的。”高树栋说,项目部“先初张拉、再稳定张拉”的方案从未应用过,在与设计、监理多次切磋无果后,项目部顶着巨大压力做“第一个吃螃蟹的人”。

根据项目部方案,在索网由松弛到绷紧的初张拉阶段,张拉一步到位、不再分步;当索网绷上劲后,开始稳定张拉,这时便按照3公分一步的方式进行。30对稳定索的稳定张拉距离从6公分到37公分不等,快则两三步张拉到位,最慢也只需8步。

张拉过程中确保每根索同步、均衡受力是确保索网安全的关键和难点,可谓“步步惊心”。在索网施工微信群里,不论清晨还是深夜,项目、业主、设计、监理、分包人员对索力、距离、索网位形等数据进行实时“健康监测”,将实际数据和实验室数据反复比对,每个数字都分毫不差后才进行下一步张拉。

2019年3月19日上午10时,经过2天的稳步张拉,索网张拉完成,整个索网变成壮观稳固的马鞍形“天幕”,项目部独创的张拉方法被评定为“达到国际领先水平”。索网的成功张拉也填补了国内大吨位、大面积、超大跨度单层正交索网同步张拉技术空白,为今后特大跨度索网施工提供了范例。

“索网施工非常完整,满足设计要求,同意锁定环桁架定。”4月26日,晴空万里,气温适宜,环桁架锁定验收会让项目部备受振奋。一声令下,焊花飞舞。不到一天,48个球铰支座焊接完成,钢结构环桁架与劲性柱牢牢锁定形成固定状态,与钢、索紧密相连的屋面和幕墙可以开始施工了!

22条灯管 飘动22条“丝带”

“环绕场馆盘旋的22条灯管就是我们所说的‘冰丝带’,这22条‘冰丝带’就像运动员高速滑动时留下的冰刀轨迹,也将呈现精彩的灯光秀,但灯管中的灯带位置却大有讲究。”指着冰丝带样板,张怡说,“2.5厘米宽的灯带不是简单地放置在直径4厘米的灯管空间内,而是专门安装在两片玻璃交合处一毫米的缝隙上,随后不断调试灯带角度,使灯光恰好通过两层玻璃间的彩釉层导出,最终呈现柔和的灯光效果。”

因此,需要对玻璃材质反复比选,选用半钢化玻璃降低玻璃自爆率;对玻璃幕墙与S型钢龙骨连接点形式反复研讨,在连接点设置上引入误差消纳机制,确保玻璃幕墙既稳定精准安装在S型钢龙骨上,又有适应S型钢龙骨变形的空间;利用全站仪、激光扫描仪对S型钢龙骨、玻璃幕墙随安随验、反复微调……精益求精的追求,使3360块形态各异的玻璃幕墙以小于5毫米的误差,才能拼接出美轮美奂的天坛造型。

盯着BIM模型中复杂的机电管线,项目机电副经理唐馨庭陷入深思,他遇到了从业21年来的最大挑战。

挑战来自于如何让管随网动、适应索网变形。在温度、风力等因素下,索网屋面最大会产生近50公分的变形,而索网下方安装有除湿风管、屋面雨水排水管等管线,这些管线必须适应索网变形。

挑战来自于专业赛事对环境的要求。1.2万平方米的亚洲最大冰面上要举办短道速滑、冰球等各类比赛,不同竞赛项目对冰面硬度和场馆风速、湿度、照明等要求不同,得在最短时间内实现冰面转换和环境调整。

挑战来自于速滑馆椭圆形造型和有限的空间。在地下两层总长仅为526米、488米的主环廊和管沟冢艹ぴ1万米的机电管线,不仅要在密密麻麻的钢管组成的环桁架内“见缝插针”,还要拟合场馆椭圆形状进行弧形安装。

最终依托BIM对管线走向精准排布、通过变形监测有针对性地进行变形补偿、靠匠心妙手让各类管道在环桁架内穿梭延伸……纵横分布的血管逐步打通,富有生命力的场馆即将成型。

“我们不只是在建楼,更是在雕刻艺术品。”为让“冰丝带”早日舞动双奥之城,双奥建设者正不舍昼夜、匠心打磨。

2022年北京重燃奥运圣火时,一届精彩、非凡、卓越的奥运盛会在中华大地精彩上演,是所有建设者的心愿。

作者:宋伟莎 朴添勤