“冰丝带”中的科技智慧

  流光溢彩，星月交辉，环形“冰丝带”造型灵动，22条晶莹剔透的“丝带”状曲面玻璃幕墙环绕着国家速滑馆。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”。近日，浙江大学建筑工程学院罗尧治教授团队和邓华、袁行飞教授团队向记者解析了“冰丝带”超大跨度索网结构建设施工与运维保障的科技智慧。

“健康医生”紧盯工程全过程

  “冰丝带”屋面体系采用了双曲面马鞍形单层索网结构，是目前世界上跨度最大的单层双向正交马鞍形索网屋面体育馆。所谓的索网结构，简单地说，就是一张由钢索编织而成的大网。这样一张大网“扣”在了速滑馆的上方，形成一个马鞍形双曲面屋顶。

  相较于传统的刚性屋面结构体系，柔性的索网屋面在满足结构功能的前提下大大减小了结构的用钢量。但是可想而知，它的施工难度也非常大。

  每根索网都有几吨重，只有通过合理的张拉，才能织成一张网。为了更好摸清钢索状态，罗尧治团队在施工环节就安装上浙大自主开发的无线传感器，用以进行实时监测和力学分析。

  在索网的施工过程中，采取“先地面拼装、再整体提升”的工序，但由于场地空间限制，铺在地面等待张拉的钢索需要微微拱起才能越过“瓶颈”。倘若没有准确的数据支撑，谁也不能轻易下令弯折动辄几吨的钢索。“这时候，我们的现场监测数据能够实时掌握弯曲对钢索的影响，为现场决策指挥和安全施工提供了重要依据。”施工方评价说：“浙大的无线传感器就像一双双眼睛，紧紧‘盯’着工程的建设全过程。”

“最强大脑”实时监测数据安全

  无线传感器不仅在建设时发挥作用，建成后的“冰丝带”依旧通过“健康医生”的方式测量着“脉搏”与“心跳”。

  “拿到数据、传输数据、处理数据，是我们开展监测分析的全过程。”罗尧治教授团队的许贤教授说，团队对速滑馆的应力、位移、加速度、温度、风压、索力等六大类参数进行监测，测试点数也达千余个，数量之多创下了单一建筑结构之最。

  那么，这些监测大数据如何更好地决策呢？走进位于浙大紫金港校区的空间结构健康监测平台，记者看到，这里汇集着来自各地的监测数据，也实时处理着来自“冰丝带”的数据。作为多学科融合的云端数据库，浙大团队采用的是统一的数据标准、统一的数据系统，这种数据融合便于更好地开展建筑物结构分析。

  这套监测系统是由浙大自主开发设计的，早在2010年就开始应用于国家体育馆“鸟巢”的运营监测，已经有10多年的工程经验，同时也应用于大兴国际机场，监测面积是世界最大。“我们会根据每个项目的具体需求来改造这套系统，在施工的关键环节和恶劣天气条件下，我们还会加密监测。”许贤说。

“风吹雪打”模拟考验索网模型

  在“冰丝带”建设期间，浙江大学建筑工程学院的另一团队也发挥了重要作用。为了更好解决屋顶的建设难题，邓华、袁行飞教授团队通过12：1的缩尺模型，开展了国家速滑馆大跨度索网屋盖结构建造关键技术及模型试验研究。

  “国家速滑馆屋盖跨度大、钢索多、内力协调复杂，这要求结构必须实现高精度的建造。”邓华说，索网中需要施加巨大的张拉力，且必须保证与环桁架和幕墙索高精度地协同工作，因此确定安全、高效、精确的索网施工方案是关键技术问题。

  “设计难，但要将‘冰丝带’从图纸打造成冬奥会的标志性场馆同样困难。”铺在地上的索网怎样平稳提起来，到达屋面高度后需要张拉哪些索才能绷紧索网，最终可以容忍多大的误差……这些都需要进行敏感性分析。于是，团队在浙大打造了一个缩小版的“冰丝带”模型，模拟索网结构的建造全过程，并验证结构的设计性能。

  团队基于大量的数值仿真结果和试验测试数据，在索网的整体提升、张拉控制、施工验收和预张力监测等方面提出了系统性的方案和建议，为“冰丝带”大跨度索网屋盖结构的高精度建造提供了有力的技术支撑。

  此外，浙大科技团队还通过沙袋等形式，在张拉好的索网施加荷载。“我们在模型上吊挂不同的荷载来模拟风吹雪打的环境，验证屋顶的强度和抗形变能力。”邓华说。

  （本报记者 陆健 本报通讯员 柯溢能 吴雅兰）