光明日報記者 陸健 光明日報通訊員 柯溢能 吳雅蘭

　　流光溢彩，星月交輝，環(huán)形“冰絲帶”造型靈動，22條晶瑩剔透的“絲帶”狀曲面玻璃幕墻環(huán)繞著國家速滑館。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”。近日，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)向記者解析了“冰絲帶”超大跨度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)建設(shè)施工與運(yùn)維保障的科技智慧。

　　“健康醫(yī)生”緊盯工程全過程

　　“冰絲帶”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。但是可想而知，它的施工難度也非常大。

　　每根索網(wǎng)都有幾噸重，只有通過合理的張拉，才能織成一張網(wǎng)。為了更好摸清鋼索狀態(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，用以進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和力學(xué)分析。

　　在索網(wǎng)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(zhǔn)確的數(shù)據(jù)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(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r掌握彎曲對鋼索的影響，為現(xiàn)場決策指揮和安全施工提供了重要依據(jù)。”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(shè)全過程。”

　　“最強(qiáng)大腦”實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)安全

　　無線傳感器不僅在建設(shè)時發(fā)揮作用，建成后的“冰絲帶”依舊通過“健康醫(yī)生”的方式測量著“脈搏”與“心跳”。

　　“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，測試點(diǎn)數(shù)也達(dá)千余個，數(shù)量之多創(chuàng)下了單一建筑結(jié)構(gòu)之最。

　　那么，這些監(jiān)測大數(shù)據(jù)如何更好地決策呢？走進(jìn)位于浙大紫金港校區(qū)的空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測平臺，記者看到，這里匯集著來自各地的監(jiān)測數(shù)據(jù)，也實(shí)時處理著來自“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，已經(jīng)有10多年的工程經(jīng)驗(yàn)，同時也應(yīng)用于大興國際機(jī)場，監(jiān)測面積是世界最大。“我們會根據(jù)每個項(xiàng)目的具體需求來改造這套系統(tǒng)，在施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和惡劣天氣條件下，我們還會加密監(jiān)測。”許賢說。

　　　“風(fēng)吹雪打”模擬考驗(yàn)索網(wǎng)模型

　　在“冰絲帶”建設(shè)期間，浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院的另一團(tuán)隊(duì)也發(fā)揮了重要作用。為了更好解決屋頂?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。”鄧華說，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，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的標(biāo)志性場館同樣困難。”鋪在地上的索網(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。

　　團(tuán)隊(duì)基于大量的數(shù)值仿真結(jié)果和試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，在索網(wǎng)的整體提升、張拉控制、施工驗(yàn)收和預(yù)張力監(jiān)測等方面提出了系統(tǒng)性的方案和建議，為“冰絲帶”大跨度索網(wǎng)屋蓋結(jié)構(gòu)的高精度建造提供了有力的技術(shù)支撐。

　　此外，浙大科技團(tuán)隊(duì)還通過沙袋等形式，在張拉好的索網(wǎng)施加荷載。“我們在模型上吊掛不同的荷載來模擬風(fēng)吹雪打的環(huán)境，驗(yàn)證屋頂?shù)膹?qiáng)度和抗形變能力。”鄧華說。