清华大学冯鹏教授团队参与国家速滑馆智能建造关键技术研究
回望北京冬奥会、冬残奥会这场冰雪盛宴，我们不仅见证了体育超越政治、团结人类，也见证了作为唯一新建冰上竞赛场馆——国家速滑馆“冰丝带”为世界贡献了由中国设计、中国技术、中国材料、中国制造组成的奥运场馆建设“中国方案”。这其中，也包含了清华土木为之贡献的智慧。
我系冯鹏教授课题组有幸参与了2022年北京冬奥会相关的国家重点研发计划《国家速滑馆智能建造关键技术研究》，协助施工单位北京城建集团有限责任公司，提高速滑馆施工过程中关键技术和质量评估的智能化。具体内容主要分为：
基于BIM的曲面玻璃幕墙设计与施工；
曲面玻璃幕墙钢网壳施工技术；
高钒密闭索加工技术；
大型异形劲性结构施工技术；
特种混凝土施工技术；
基于BIM 的桩基工程高效施工技术；
屋面高延性EPDM防水体系及施工技术；
基于三维扫描的围护结构安装误差评估技术等。
关键技术1 ：基于BIM的曲面玻璃幕墙设计与施工
国家速滑馆外幕墙为天坛轮廓造型，立面连续弯曲，采用复杂网壳结构体系(预应力拉索+S形钢龙骨+水平钢圆管龙骨)，面材为弯弧玻璃、平板玻璃、圆管玻璃灯带，玻璃幕墙外立面由22根“冰丝带”环绕，平均每条丝带长约622m。外立面2层以上为天坛轮廓曲面幕墙系统，总玻璃块数3360块，单曲面玻璃块数1440块，面积约为8800m2，平板玻璃1920块，面积约为5900m2，随着屋顶轮廓的高低变化水平延展，造型复杂，使得整个建筑造型得以完美体现晶莹剔透、冰的质感。
国家速滑馆天坛轮廓曲面玻璃幕墙造型复杂、体量大、功能繁多、受外影响大，给设计和施工带来一系列难题。为保证施工质量和成型效果，在工程设计及施工阶段充分利用BIM 技术，用于指导材料加工组装、辅助测量定位、调节结构变形、优化玻璃安装。冯鹏团队通过三维扫描获得的实际安装定位模型用于更新三维设计模型，评估幕墙安装误差，调节优化后续安装工序，调节连接缝误差。最终所有玻璃幕墙全部一次性顺利安装，整体幕墙达到预期效果。
关键技术2 ： 曲面玻璃幕墙钢网壳施工技术
国家速滑馆天坛轮廓曲面玻璃幕墙由钢网壳结构支撑，具体包括160根S形钢龙骨(主龙骨)、3520根钢横梁和3520根钢圆管(次龙骨)，其中钢龙骨长短各不相同，给施工带来了很大困难。因钢龙骨长度超过运输限制，遂分为三段进行加工制作。
为高效、合理地完成幕墙钢网壳结构施工流程，需将钢龙骨组装成钢桁架形式进行吊装。钢桁架既能提高安装效率，又能有效保证龙骨拼接质量，故安装时榀与榀间的精准对接是本工程的重点。吊装方式采用扁担吊装，保证了弧形梁变形、安装精度及成型质量。同时，采用全站仪对安装过程进行全程精确定位，保证了构件准确、快速地完成安装。
关键技术3 高钒密闭索加工技术
国家速滑馆主体结构为钢筋混凝土框架结构，围护结构由单元板块式屋面和天坛轮廓曲面玻璃幕墙组成，屋盖由外环向钢桁架与单层双向正交马鞍形索网结构组成，其索网结构由拉索组成。
速滑馆索网结构采用世界上较为先进的大直径国产高钒密闭索，其索体总长度20410米，成品索及索夹总重量968吨，常规屋面拉索采用UU型式，两端均采用调节式锚具，幕墙索上端U型叉耳，下端为螺杆加索力限制器。此国产高钒密闭索具有高防腐性、防火性、防退扭性、摩擦系数大、高强度等特性，该索体采用密封钢丝绳，内层采用圆钢丝、外层采用2~3层Z形钢丝，索内层圆钢丝及外层Z形钢丝全部采用锌-5%铝-混合稀土合金镀层，结构紧密表面平滑，密封性能好，防腐性能强。制作完成的索圆钢丝的强度等级高达1670MPa，Z形丝的强度等级高达1570MPa，承载能力很强。
成品密闭索的制作工艺包括索体粗下料、制锚、预拉伸、超张拉检测及包装存储。索体二次拉拔并采用热浸镀锌方式进行表面镀层处理，拉索两端均采用调节式锚具，最后制成成品密闭索并检测、包装、存储。国家速滑馆屋面索结构首次将国产高钒密闭索用于房建工程，此索网结构的成功实施为国产高钒密闭索的应用起到了推广示范作用。
关键技术4 ：大型异形劲性结构施工技术
国家速滑馆中大型异形劲性结构主要包括斜柱、环梁、悬挑梁等部分。支承屋面的48根劲性结构斜柱与水平面夹角为70.84°-76.09°，斜柱顶设置混凝土环梁，标高随马鞍形屋盖形状变化而变化，最高柱顶标高为17.330m，位于主入口大厅两侧，最低柱顶标高为6.237m，位于南、北两侧。首层外侧64根悬挑梁斜穿幕墙拉索。该项目劲性结构中，混凝土构件尺寸形状不一，无法定型加工耗材；单个大型劲性结构构件无法一次性吊装和安装；多数梁柱劲性连接节点交错复杂，施工难度大。
速滑馆工程通过采用分段吊装、搭建倾斜模架体系，采用高标准自密实混凝土浇筑等方法，解决了以上劲性结构施工难题。在施工过程中通过对钢骨分段施工，布置高精度测量方案，制定有效控制焊接变形与残余应力的施工方法，合理设置劲性结构模板体系，并应用BIM技术深度模拟复杂劲性结构节点，优化钢筋与型钢的连接措施和构造，同时采用高质量自密实混凝土，设置混凝土振捣孔等有效措施，确保劲性结构施工方案最优，提高了施工效率，保证了施工质量，对劲性结构体系施工具有较好的借鉴意义。
关键技术5：特种混凝土施工技术
国家速滑馆因其特殊的建筑使用和受力要求，涉及多种特种混凝土的制备和施工，该工程建设中主要采用了3 种特种混凝土：
1) 抗冻混凝土在低温环境下，冻融破坏会造成混凝土开裂、剥落，是影响混凝土耐久性的主要因素。在混凝土中掺入适量钢纤维，可提高混凝土的抗裂能力，达到改善冻融性能的效果。因此，在速滑馆冰下地面建造过程中使用了特种CF50P8F250 钢纤维抗冻混凝土。
2) 补偿收缩混凝土用膨胀剂配制补偿收缩混凝土是减少混凝土结构开裂的重要措施之一，本工程空间尺度大，易产生开裂问题，因此大量采用补偿收缩混凝土。
3) 自密实混凝土本工程部分设计为大截面复杂异形劲性结构，混凝土浇筑较困难，设计时采用了自密实混凝土。自密实混凝土由于组分更加复杂，其力学性能有别于普通混凝土，因此施工工艺也在原有技术的基础上做了改进。
本工程使用的特种混凝土施工技术能够为其他类似工程提供重要的参考依据。以抗冻混凝土为例，因为速滑馆比赛场地分为若干个独立的制冰单元，使用时可根据实际情况对各制冰单元进行开启，制冰单元的边缘混凝土受到的内应力较大，并且随温度变化反复承受较大拉应力，因此在每个制冰单元间左、右各2m区域用钢纤维增韧补偿收缩混凝土。在施工抗冻混凝土及钢纤维抗冻混凝土时，以各相邻后浇带作为流水段划分界限。然后根据下图所示在比赛场地防水保护层上弹出2种混凝土的分界线，并做出明显标志。在底板钢筋绑扎完成后，分界线位置的钢筋网片绑扎竖向细目铅丝网，以作为2种混凝土的分界线。混凝土浇筑时至少安排2个浇筑小组，各负责1种混凝土浇筑，浇筑顺序为从该区域的短边开始，沿长边推进，这样可在混凝土初凝前进行接缝处混凝土浇筑，有效避免冷缝。
团队还对冰下大体积抗冻混凝土固化阶段进行了内部长期温度监测，验证了该施工方法能够有效避免混凝土自身的反应热堆积。
关键技术6： 基于BIM 的桩基工程高效施工技术
速滑馆工程设计标高±0.00m，相当于绝对标高49.00m，依据设计图纸，工程主场馆看台区域（粉色区域）采用桩筏基础，基础桩采用机械钻孔灌注桩，共654根桩，其中抗拔桩259根（紫色区域），承压桩395根，桩径均为1.00m。其基础桩工程工况复杂，众多桩基和集水坑沿建筑椭圆造型嵌套径向分布，而且工期紧张，这给桩基工程的施工带来了难度。
针对基础桩工况复杂且工期紧张的情况下，采用在钢筋笼和护筒粘贴一对一标记的方法提高了施工准确率，并且采用一体化静载桩进行静载试验，避免了桩头二次浇筑，提高了效率，节约了工期28天以上；针对基槽坑底标高复杂的工况，应用Revit、SketchUp、Lumion等BIM信息化工具解决技术难题，优化了结构形式；此外使用GIS技术进行了精准高效的土方量计算。本工程采用的多手段BIM施工技术取得了良好的效果，为类似工程提供了新思路。
关键技术7：屋面高延性EPDM防水体系及施工技术
速滑馆屋面采用单元式金属屋面体系，每个索网网格对应一个屋面模块。金属屋面体系在满足一定的力学性能基础上具有保温、防水兼具建筑造型的功能，因此防水层不仅要满足国家规范对屋面防水系统的一般要求，还应该兼具美观性和对索网变形的适应性。金属屋面与索体结构材料性质不同，为了避免因变形不协调造成结构损伤，在单元屋面上设置了变形缝，这又对屋面防水材料的延展性提出了较高要求。
冯鹏团队通过对常用的高分子防水卷材，包括内增强型TPO、匀质型EPDM及相关配套材料压敏自硫化泛水进行了力学性能试验和微观破坏机理分析，发现EPDM相对于TPO有更好的尺寸稳定性，而且EPDM压敏自硫化泛水材料随着硫化时间的增加，由最初的塑性逐渐表现出具有成品EPDM卷材的弹性性能，满足了速滑馆屋面对防水卷材的各项要求，最终选用EPDM卷材搭配自硫化泛水材料进行速滑馆屋面防水。
卷材采用1.5mm厚黑色EPDM防水卷材，宽6.1m，长30.5m。EPDM防水卷材长边沿南北方向布置，遇天窗、天沟等位置进行裁切。卷材施工由屋面中心最低点向东西两个方向进行铺设，或者由东西两侧最高点向南北两侧进行铺设施工，卷材的搭接方向必须保证顺水搭接。速滑馆项目引用国外成熟做法，使用满粘+机械固定的做法，且搭接部位使用搭接带配合专用底涂，配合自硫化泛水进行细部处理。
作为冯鹏课题组团队的一员，张道博回忆起参与冬奥会速滑馆场馆建设的经历，说道“从最开始接触到速滑馆项目到现在，看着速滑馆从无到有，一点点建设与完善，特别有参与感与成就感。能为冬奥贡献自己的一份力量，感到非常自豪。最令我印象深刻的场景是，由于项目的需要，需要经过长长的步道爬上速滑馆屋面，每当临近傍晚，偌大的屋面披上了一层金色的面纱，更能感受到速滑馆别样而独特的美。能够从屋面的视角，感受整个速滑馆的恢弘大气，也算是作为参与者的一个小确幸吧。”
文字 | 张道博
图片来源 | 北京城建集团提供并授权使用
编辑 | 高欣
审核 | 邢沁妍
