冰絲帶：科技成就骨感美

王劍英

“冰絲帶”效果圖

“這個(gè)場館非常美麗。”2021年10月，在國家速滑館進(jìn)行的“相約北京”速度滑冰中國公開賽上，荷蘭運(yùn)動(dòng)員克萊依維爾德如此點(diǎn)贊。

國家速滑館有著絢麗、通透的外觀，外墻曲面由低到高盤旋成22條飄逸的絲帶，就像運(yùn)動(dòng)員在冰上劃過的痕跡，因此又得昵稱“冰絲帶”。

支撐起建筑絢麗“外衣”的，是一副鋼結(jié)構(gòu)主受力“骨架”，主要包括屋面索網(wǎng)、環(huán)桁架和外側(cè)幕墻斜拉索。“骨架”雖由鋼材料打造而成，卻顯得輕靈、飄逸。為了將其打造成無懈可擊的鋼筋鐵骨，設(shè)計(jì)、制造和施工團(tuán)隊(duì)付出了艱辛的努力，一次次挑戰(zhàn)自我、突破難關(guān)。

2021年10月，國家速滑館項(xiàng)目榮獲中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)特等獎(jiǎng);2020年5月，它榮獲2019年度中國鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)年度杰出工程大獎(jiǎng)，這是國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的最高獎(jiǎng)項(xiàng)。

圈內(nèi)人對此評價(jià)是：“當(dāng)之無愧！”

一開始，北京建院復(fù)雜結(jié)構(gòu)研究院鋼結(jié)構(gòu)研究所副所長王哲以為外側(cè)幕墻就是挑戰(zhàn)所在，“ 做下來才發(fā)現(xiàn)，這個(gè)項(xiàng)目沒有簡單的地方”。

力之美

“如果把建筑比喻成一個(gè)孩子，那么，建筑師決定他長什么樣，結(jié)構(gòu)工程師為他造骨架，設(shè)備工程師為他造器官，電氣工程師為他造血管經(jīng)絡(luò)。”王哲告訴《瞭望東方周刊》。

王哲是北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司（以下簡稱為北京建院）的一名結(jié)構(gòu)工程師，專注研究“骨子里的城市美”。誕生于1949年的北京建院是我國第一家國有大型民用建筑設(shè)計(jì)研究機(jī)構(gòu)，其下屬的復(fù)雜結(jié)構(gòu)研究院專攻復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。王哲現(xiàn)任復(fù)雜結(jié)構(gòu)研究院鋼結(jié)構(gòu)研究所副所長，團(tuán)隊(duì)成員30余人，主要工作便是給難度高、非常規(guī)形態(tài)的建筑搭骨架。

鄭方是北京建院的副總建筑師，也是國家速滑館的設(shè)計(jì)總負(fù)責(zé)人。2017年，由鄭方牽頭，北京建院成立了近40人的國家速滑館項(xiàng)目組，王哲的鋼結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)進(jìn)駐5人。

在鄭方的設(shè)計(jì)圖上，速滑館外側(cè)幕墻造型是在立面基準(zhǔn)線上彎曲4次，形成層疊褶皺，如同天壇層疊的屋頂，因此被稱為天壇曲面，視覺效果自然流暢;不同于天壇的土木結(jié)構(gòu)，它需要用鋼和玻璃實(shí)現(xiàn)類似“冰皮”的通透效果。

王哲第一眼盯上的就是設(shè)計(jì)圖上那“拐來拐去”的天壇曲面：“就結(jié)構(gòu)而言，這不是個(gè)合理、高效的受力形態(tài)，屬于‘失穩(wěn)形態(tài)——是個(gè)有挑戰(zhàn)的活兒。”

近年來，許多新建索網(wǎng)結(jié)構(gòu)體育場館的外形都是上大下小，形似一個(gè)“大碗”，比如鳥巢、蘇州奧體中心等。和它們不同的是，國家速滑館在“碗”的坯子外面，多了一個(gè)天壇曲線造型的“冰皮”，用以實(shí)現(xiàn)建筑外觀和某些功能。因此，變量更多，建設(shè)難度更高。

王哲曾參與世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡貴州“天眼”和北京大興機(jī)場的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它們都屬于非常規(guī)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)難度等級(jí)高。

“從結(jié)構(gòu)難度而言，國家速滑館與貴州“天眼”和北京大興機(jī)場有得一拼，某些方面甚至要求更高、更嚴(yán)格。”王哲說。

陳彬磊是北京建院的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總監(jiān)，他如此形容北京建院幾個(gè)代表作的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之美：北京大興機(jī)場為“極之美”，深圳灣體育中心為“簡之美”，北京小湯山醫(yī)院為“急之美”，商務(wù)部大樓改造項(xiàng)目為“變之美”，國家速滑館為“力之美”。

織天幕

一開始，王哲以為外側(cè)幕墻就是挑戰(zhàn)所在，“做下來才發(fā)現(xiàn)，這個(gè)項(xiàng)目沒有簡單的地方”。

屋面結(jié)構(gòu)是另一大挑戰(zhàn)。

最初，屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為桁架方案。對于大跨度空間而言，桁架是首選。大興機(jī)場的中央大廳是直徑180米的大跨度無柱空間，驚艷世人。但在結(jié)構(gòu)工程師眼中，大跨度并不難解決，加高桁架的高度即可，這一技術(shù)已相當(dāng)成熟。

國家速滑館屋面南北向跨度198米，東西向124米，桁架的合理高度應(yīng)為8米-10米。

“那樣的話，建筑整體會(huì)被拉高，從扁的‘冰錐形變成胖的‘冰桶形，會(huì)變丑，造型受影響太大。”王哲說。

索網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以解決這一問題。單根鋼索直徑僅約70毫米，雙索交錯(cuò)也不過百余毫米，加上其他必要的空間，整個(gè)屋面結(jié)構(gòu)高度可控制在0.5米之內(nèi)，與8米-10米相比，這一數(shù)據(jù)令人欣慰。

最終，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了世界上跨度最大的單層雙向正交馬鞍形索網(wǎng)的體育館屋面，從南北向拉伸出60根穩(wěn)定索，東西向拉伸出98根承重索，二者雙向縱橫交錯(cuò)，編織成一張“天幕”，形成屋面“骨架”。

“就像一個(gè)羽毛球拍‘繃在了場館上方。”王哲打了個(gè)比方，只不過這個(gè)“球拍”不是平面，而是馬鞍形曲面，最高處與最低處落差達(dá)18米。

與桁架不同，索網(wǎng)結(jié)構(gòu)屬于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)——鋼索本身是軟的，只有先給它一部分力，才能有“剛度”，承載重量。用王哲的話來說，羽毛球拍的線得先繃緊了，才能打球。

不僅是“天幕”的158根索，還有支撐外側(cè)幕墻的120根斜拉索，都需要預(yù)先給力繃住，每一根索需要的力度大小各不相同，而“力”與“形”又會(huì)相互影響。國家速滑館幾乎全部由三維曲面構(gòu)成，結(jié)構(gòu)上彼此聯(lián)動(dòng)，每一根鋼索的受力甚至一個(gè)螺栓的定位等都會(huì)牽一發(fā)動(dòng)全身，稍有誤差，都將導(dǎo)致形態(tài)發(fā)生改變或者功能受到影響。

“難”并不意味著無法實(shí)現(xiàn)。最終，團(tuán)隊(duì)為這個(gè)項(xiàng)目開發(fā)出“多重彈性邊界索網(wǎng)找形方法”，用以解決這些問題。此外，項(xiàng)目中引入的外側(cè)帶斜拉索的圈梁索網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系，也是在世界建筑場館中的首次應(yīng)用。

為了保證實(shí)操階段萬無一失，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)利用計(jì)算機(jī)空間建模，將場館建設(shè)完整演習(xí)了一遍;由于變量多，模擬工況達(dá)33956種，僅“天幕”部分的主要工況就超3000種，運(yùn)算量過于龐大，普通計(jì)算機(jī)無法滿足需求，需利用超算中心才能完成。王哲說，常規(guī)建筑的工況一般不超過1000種。

由于項(xiàng)目施工復(fù)雜，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要大量介入施工方案，和施工團(tuán)隊(duì)難免意見不一致。王哲回憶：“過程中大家經(jīng)常‘吵架——吵得多了去了。但每一次都會(huì)在數(shù)據(jù)、邏輯和事實(shí)面前取得一致。現(xiàn)在嘛，彼此都比較融洽，關(guān)系不錯(cuò)，就像戰(zhàn)友。”

國產(chǎn)索

鋼索最終確定選用高釩密閉索，其強(qiáng)度等級(jí)為1570兆帕，即每平方毫米可承受1570牛頓的力。1平方毫米約為普通鉛筆的筆芯橫截面大小，1570牛頓為160公斤物體的重力大小，近3個(gè)成年人的重量。

索網(wǎng)方案確定之后，面臨的選擇是：用進(jìn)口索還是國產(chǎn)索？

當(dāng)時(shí)國內(nèi)還未能生產(chǎn)建筑用的大直徑高強(qiáng)度高釩密閉索，僅有供礦山等領(lǐng)域用的、強(qiáng)度等級(jí)為數(shù)百兆帕的小直徑高釩密閉索。

進(jìn)口索價(jià)格高，供貨周期長，而國產(chǎn)索需要科研攻克技術(shù)關(guān)，但可以借冬奧契機(jī)推動(dòng)國產(chǎn)化，打破發(fā)達(dá)國家對市場的壟斷。

建設(shè)團(tuán)隊(duì)調(diào)研并走訪了多家國內(nèi)具備高釩密閉索生產(chǎn)潛力的企業(yè)，摸清情況后，最終的決定是：用國產(chǎn)索。

北京城建集團(tuán)總工程師、國家速滑館總工程師李久林是推動(dòng)這一決定落地的關(guān)鍵人物之一。多年前，他亦是推動(dòng)“鳥巢”所需Q460高強(qiáng)鋼國產(chǎn)化的關(guān)鍵人物，我國高強(qiáng)鋼行業(yè)自此呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，對建設(shè)節(jié)能減排、科技發(fā)展起到強(qiáng)大助推作用。

最后，河北巨力索具股份有限公司中標(biāo)，并成功研發(fā)出1570級(jí)的高釩密閉索。隨之而來的，同樣是國內(nèi)高釩密閉索產(chǎn)業(yè)的高速增長，進(jìn)口索價(jià)格降低一半以上。

國產(chǎn)索的耐久性如何，是王哲關(guān)注的重點(diǎn)，畢竟以前沒有工程案例實(shí)踐。而國家速滑館的設(shè)計(jì)使用壽命為100年。

“冰絲帶”索網(wǎng)全景

疲勞實(shí)驗(yàn)是檢測質(zhì)量的重要手段。

考慮到單根鋼索可能承受的最大力和最小力，以及最大折角2度等因素，進(jìn)行200萬次疲勞拉伸測試;模擬現(xiàn)場風(fēng)、水、氣等環(huán)境因素對樣本進(jìn)行耐腐蝕性檢測……實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對100年使用壽命預(yù)期“可持樂觀態(tài)度”。

王哲介紹，巨力索具科研攻關(guān)高釩密閉索，攻克的關(guān)鍵技術(shù)是將高強(qiáng)度等級(jí)的圓形鋼絲拉伸為Z型鋼絲，“巨力往前邁出了創(chuàng)新的一小步，各種因素聚合之下，帶動(dòng)了行業(yè)的進(jìn)步，社會(huì)意義重大”。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，超大跨度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)解決屋面高度、首次在建筑上實(shí)現(xiàn)外側(cè)帶斜拉索的結(jié)構(gòu)體系、在鋼索錨固處放置索力保持器以防高溫松弛……創(chuàng)新更是無所不在。

王哲團(tuán)隊(duì)甚至改良了鋼索索夾的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，令原本160公斤重的索夾降為120公斤，場館用到的索夾超1000個(gè)，此舉既減輕了屋面重量，又有利于現(xiàn)場施工操作。

在他看來，要往前發(fā)展，就一定得創(chuàng)新。“創(chuàng)新的結(jié)果對社會(huì)的影響有多大，我們無法控制;但每一個(gè)工程設(shè)計(jì)，我們都會(huì)不停地去創(chuàng)新。對我們來說，創(chuàng)新幾乎成為奧運(yùn)建設(shè)融入骨髓的工作方法。”他想了想，又補(bǔ)充道：“你不讓我創(chuàng)新，我也會(huì)去創(chuàng)新。”