復雜地形下雙曲面氨制冷賽道夾具成型及安裝技術(shù)*

李 宇，宋茂祥，馮 濤，付紅偉，李 俊，徐 云

(上海寶冶集團有限公司，上海 200941)

0 引言

雪車雪橇項目是冬奧會中速度最快的項目，其專業(yè)性強、危險性高，被譽為冰雪運動中的“F1方程式”。為保障雪車雪橇項目安全、穩(wěn)定、順利、精彩地開展，國際奧委會對雪車雪橇中心賽道建設提出了高標準和高要求，且需通過2個國際單項組織(IBSF國際雪車聯(lián)合會、FIL國際雪橇聯(lián)合會)進行認證才能予以驗收。雪車雪橇中心賽道安裝定位難度大、成型復雜、焊接作業(yè)空間小，從設計和施工層面均為冬奧會賽事場館中難度最大的設施。

2022年北京冬奧會國家雪車雪橇中心位于延慶賽區(qū)，賽道整體為復雜的雙曲面結(jié)構(gòu)，高低起伏，成型不規(guī)則。總長度1 975m，垂直落差121m，設計最大速度134.4km/h，最大重力加速度4.7g，含16個彎道，其中第11個彎道為360°回旋彎。該賽道是國內(nèi)第1條、亞洲第3條、世界第17條奧運會標準賽道，且在彎道數(shù)量、賽道長度、速度、難度等方面均達到世界之最，建成后將成為世界最高水平的賽道。

北京冬奧會國家雪車雪橇中心賽道采用直接蒸發(fā)式氨制冷系統(tǒng)營造冰面環(huán)境，由制冷管道夾具、制冷管及外包混凝土等組合構(gòu)建三維曲面運動滑道，制冷管道總長11.9萬m。根據(jù)相關(guān)要求，管道夾具和制冷管道全部被混凝土包裹在內(nèi)部，最終形成的賽道曲面平滑，施工精度要求控制為±5mm。為達到毫米級的成型精度，制冷劑管道夾具作為賽道骨架，其設計、成型、安裝及檢測為決定賽道三維曲面造型精準成型的關(guān)鍵因素。

雪車雪橇中心賽道作為此次冬奧會中項目設計難度最高、施工難度最大、最復雜的設施，因國外技術(shù)封鎖，國內(nèi)無標準依據(jù)，也無以往的經(jīng)驗可供參考，只能通過技術(shù)研發(fā)及科研創(chuàng)新，在實踐中摸索，形成自有技術(shù)，解決綜合技術(shù)復雜的夾具深化設計、加工、校正、檢測、運輸、安裝等技術(shù)難題，形成獨具特色并涵蓋360°回旋彎的雪車雪橇中心賽道夾具的加工、安裝成套施工技術(shù)。

1 施工重難點分析

1)目前，傳統(tǒng)建造技術(shù)及應用于一般復雜建筑工程的BIM技術(shù)，均無法滿足冬奧會標準雪車雪橇賽道的復雜性要求，因此，利用數(shù)字模型的賽道整體三維建模與構(gòu)件分解方法，是保證本項目成果達到冬奧會標準的第一個難題，也是我國文化體育類項目中從未解決過的難題。

2)制冷管道夾具成型精度要求高，應合理選擇夾具材質(zhì)，滿足制冷工況下-18℃工作要求的同時，保證經(jīng)久耐用、經(jīng)濟可行；對夾具的形狀及規(guī)格等進行優(yōu)化，確定夾具切割形式、切割設備、檢測設備及檢驗方法等，從而確保夾具精度、強度、側(cè)向剛度、彎曲性能等滿足設計要求。完成高精度成型后，需進一步開展制冷管道夾具精準定位安裝技術(shù)及可調(diào)支撐系統(tǒng)的研制，從而確保夾具一次安裝成型、精度達標，滿足設計及國際單項組織的要求。

2 基于BIM參數(shù)化數(shù)字分析的全過程高精度深化設計

傳統(tǒng)BIM技術(shù)應用于形體簡單規(guī)則的建筑項目時，體現(xiàn)出良好的協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性、可出圖性和可視化性。但本項目主賽道為空間異形的雙曲面非線性結(jié)構(gòu)形體，組成構(gòu)件數(shù)量多，形態(tài)不一，傳統(tǒng)BIM技術(shù)已無法探尋各構(gòu)件的內(nèi)在聯(lián)系進而深化構(gòu)件形體，且針對精度要求高、異形曲面的項目，無法批量提取定位數(shù)據(jù)，不利于精確快速定位。因此，本項目充分發(fā)揮Rhino軟件與Grasshopper (GH)插件參數(shù)化組合的BIM數(shù)字分析技術(shù)優(yōu)勢，采用賽道整體三維建模與構(gòu)件分解方法，從基于BIM參數(shù)化建模的夾具設計應用、利用參數(shù)化提取安裝坐標數(shù)據(jù)的建設管理技術(shù)入手，根據(jù)夾具結(jié)構(gòu)形式及賽道空間雙曲面成型的設計要求，對夾具加工、運輸、檢測、安裝、加固等各環(huán)節(jié)進行控制，實現(xiàn)賽道夾具的加工和安裝成型精度，實現(xiàn)復雜雙曲面賽道的高精度深化設計與安裝。

2.1 基于BIM參數(shù)化建模的夾具設計應用

北京冬奧會雪車雪橇中心賽道基于BIM參數(shù)化建模，對1 350套管道夾具進行深化設計，140多萬個夾具安裝定位坐標、近11.9萬m管道深化優(yōu)化、智能分段工作均由Rhino+Grasshopper參數(shù)化配合完成。

深化優(yōu)化過程中，基于原有設計圖紙，利用Rhino軟件GH插件抓取圖層線條，批量自動校正原設計繪制誤差，獲得更精確的管道夾具斷面輪廓，如圖1所示。

圖1 夾具斷面輪廓

在此基礎上，根據(jù)原設計夾具截面圖紙確定每個截面管道位置，并明確管道截面和夾具線條曲線的相對位置關(guān)系，確定夾具U形造型及構(gòu)造。夾具節(jié)點如圖2所示，夾具U形內(nèi)側(cè)設計為鋸齒狀，外側(cè)保持平滑，內(nèi)側(cè)每個凹凸造型凸起長度為20mm，凹槽深20mm、長90mm，夾具整體寬40mm、厚20mm，整體長度和高度根據(jù)造型不同而不同。

圖2 夾具節(jié)點

利用Rhino軟件進行前期試驗，根據(jù)夾具智能編號、加工、安裝定位、掃描矯正、材料統(tǒng)計、三維坐標數(shù)據(jù)提取、管道構(gòu)件碰撞檢查、可視化方案演示等方面的經(jīng)驗總結(jié)，結(jié)合施工現(xiàn)場的實際需求，歸納總結(jié)正式賽道BIM技術(shù)實施方案，有效配合賽道的施工。

對于結(jié)構(gòu)復雜、造型多變、空間狀態(tài)呈雙曲面結(jié)構(gòu)的賽道(見圖3)，利用三維建模軟件搭配參數(shù)化計算方式解決構(gòu)件設計不規(guī)則問題，對比傳統(tǒng)BIM技術(shù)應用，具有更高的靈活性、數(shù)據(jù)統(tǒng)一批量處理性。

圖3 賽道結(jié)構(gòu)

2.2 利用參數(shù)化生成安裝坐標數(shù)據(jù)技術(shù)

賽道總長1 975m，分為54個賽段，單個賽段中又包含幾十個夾具，共包含140多萬個夾具安裝定位坐標。每個夾具均需進行具體定位，從而實現(xiàn)對施工安裝過程的精確指導。由于賽道扭曲、空間多變，導致每個夾具的定位均不同。因此，賽道上夾具定位工作量大，依靠傳統(tǒng)的BIM技術(shù)無法在短時間內(nèi)對所有夾具進行精確定位。

針對上述挑戰(zhàn)，根據(jù)原有設計圖紙，利用Rhino軟件GH插件，建立實際的地理位置信息，按1∶1在三維建模軟件中進行模擬，利用GPS定位到項目所在地，將原有設計定位移動到GPS定位處，根據(jù)基礎軸線定位可保證參數(shù)化提取的數(shù)據(jù)是實際地理位置信息。從Rhino軟件讀取信息后，通過自動化計算，得到三維空間點坐標，并將其分段歸類為54組，每組按軸線分為幾十個夾具，每個夾具按從低到高、從左至右的原則依次進行編號，導出三維空間坐標點數(shù)據(jù)，應用到現(xiàn)場安裝。參數(shù)化運算器的應用，可批量化、自動化生成夾具位置的精確數(shù)據(jù)，大大減少工作耗時并保證定位精度。

基于BIM參數(shù)化數(shù)字分析的全過程高精度深化設計與數(shù)據(jù)運用，突破了傳統(tǒng)BIM技術(shù)應用于形體簡單規(guī)則建筑項目的限制，實現(xiàn)賽道空間異形的雙曲面非線性結(jié)構(gòu)形體。利用參數(shù)化數(shù)字分析技術(shù)提取安裝坐標數(shù)據(jù)，開展異形結(jié)構(gòu)空間定位，解決制冷管道高精度制作與安裝難題，滿足制冷系統(tǒng)工藝要求，實現(xiàn)雪車雪橇中心賽道深化設計、高精度施工建設的全過程管理。

3 制冷管道夾具高精度成型及安裝精度控制

制冷管道夾具為賽道主骨架，每條賽道的造型隨山地高低起伏不斷變化，1條賽道由若干套夾具(間距1.5～2.5m)組成，每套夾具須隨賽道造型的變化而變化，因此，不能采用批量的模板統(tǒng)一制作。全長1 975m的賽道分為54個賽段，共1 350套夾具，夾具安裝精度要求在±5mm。

對于制冷管道夾具高精度成型與安裝，需對夾具形狀及規(guī)格等進行優(yōu)化，確定夾具切割形式、切割設備、檢測設備及檢驗方法等，確保夾具精度、強度、側(cè)向剛度、彎曲性能等滿足設計要求。同時在安裝過程中，需確保夾具一次安裝成型質(zhì)量達標，滿足設計及國際單項組織的要求。

3.1 夾具一次切割成型關(guān)鍵技術(shù)

原設計制冷管道夾具為圓鋼與板塊焊接結(jié)合，首先要對圓鋼按賽道斷面形式進行彎曲處理，再將鋼制板塊焊接在圓鋼上。但在制作過程中因圓鋼彎曲時平滑度不能精準控制，焊接時其焊接點位非常多(20～60)，導致夾具變形嚴重，最終精度和質(zhì)量難以保證。為解決夾具焊接變形和精度偏差較大的問題，同時確保鋼板強度、側(cè)向剛度、彎曲性能達到設計要求，采用20mm厚鋼板進行直接切割加工。因制冷管道為曲面，無法與夾具全面貼合固定，制作夾具時需保證管道的可調(diào)空間及其背部的鋼筋安裝空間。

1)夾具切割機具選擇 在試驗階段，對比數(shù)控激光切割和數(shù)控水力切割2種方式，最終選擇數(shù)控激光切割(見圖4)。

圖4 數(shù)控激光切割

2)夾具切割形式選擇 在試驗階段，采用整體切割和分段切割2種方式(見圖5)。整體切割一次成型，成型效果好、精度偏差小、材料損耗略大；分段切割(3段)成型效果好、材料損耗較小(約為整體切割的1/2)，但存在焊接變形等問題，根據(jù)項目要求控制精度，最終選擇整體切割方式。

圖5 夾具切割形式

3.2 夾具制作精度監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)

夾具精度測量是賽道建設偏差的核心因素之一，從最初的傳統(tǒng)定位測量至后期的高精度便攜式3D測量，優(yōu)化每個測量過程，逐次提高數(shù)據(jù)的精確度。

夾具制作完成后，采用傳統(tǒng)光學經(jīng)緯儀、三維激光測量儀、進口便攜式3D掃描儀、國產(chǎn)便攜式3D掃描儀4種設備進行校驗，結(jié)果如表1所示。由表1可知，國產(chǎn)便攜式3D掃描儀掃描速度快，掃描結(jié)果也能同步生成，且設備采購費用較低。因此，選擇國產(chǎn)便攜式3D掃描儀進行夾具制作精度校驗。

表1 夾具精度校驗設備比較

采用便攜式3D掃描儀對夾具制作精度進行三維掃描檢測，實時生成夾具3D模型。根據(jù)深化后的夾具圖紙，運用Rhino軟件參數(shù)化生成精準的夾具3D模型.stp或.obj格式文件，與3D掃描切割成的實際夾具點云模型進行對比，直觀反映各偏差點位信息，以控制加工誤差，便于在加工環(huán)節(jié)修正夾具。

3.3 夾具精準定位及安裝關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1支撐架形式設計及安裝工藝研究

夾具安裝時，需在兩端安裝臨時支撐架，用于固定夾具，防止夾具偏移。支撐架形式需根據(jù)夾具形狀和基礎形式單獨設計、制作和安裝。根據(jù)賽道不同類型基礎形式，支撐架安裝形式設計為獨立搖擺柱、加腋搖擺柱、無搖擺柱3種，如圖6所示。支撐架采用H型鋼、角鋼等多種型材制作，可解決賽道夾具安裝時穩(wěn)定性差的難題。

圖6 支撐布置

3.3.2夾具安裝工藝

1)夾具三維坐標測量點提取 制冷管道夾具安裝精度是賽道輪廓成型的決定因素。異形結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝要求苛刻，由于賽道高低起伏變化，每個夾具構(gòu)件安裝高度和角度均不同。根據(jù)設計圖紙，運用Rhino參數(shù)化生成精準夾具3D模型，確定夾具關(guān)鍵檢測點的三維坐標，自動提取約1 490 000組空間坐標與里程坐標SHL數(shù)據(jù)，配合夾具安裝測量及3D校正。根據(jù)管道夾具空間坐標位置，采用免棱鏡精密全站儀對制冷管夾具進行空間定位安裝，保證管道夾具標高、垂直度及角度；利用經(jīng)緯儀或吊線墜方式檢查管道夾具是否在設計中心線；將管道夾具與臨時夾具固定，臨時夾具相互連接支撐，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

2)夾具與底部支撐拼裝 根據(jù)夾具底部支撐結(jié)構(gòu)形式，夾具與支撐拼裝分為夾具與獨立搖擺柱底部支撐拼裝、夾具與加腋搖擺柱底部支撐拼裝、夾具與無搖擺柱支撐拼裝3種類型。拼裝前對夾具進行復查，確保夾具精度和安裝位置編號。將夾具平放在拼裝平臺上，根據(jù)圖紙調(diào)整夾具標高及各點與中心線的距離，在拼裝平臺上組裝夾具與支撐架，在支撐架上將夾具定位中心基準線標識清晰，以便后續(xù)的調(diào)整工作，通過調(diào)節(jié)裝置固定夾具橫向支撐，調(diào)節(jié)裝置與夾具、底部支撐均采用點焊。

3)夾具安裝要點 夾具底部支撐調(diào)整固定好后，將上檐口第1個調(diào)節(jié)裝置與豎直H型鋼臨時固定；根據(jù)夾具調(diào)節(jié)裝置布置圖，利用全站儀邊測量邊從上檐口向下檐口依次固定調(diào)節(jié)裝置。利用圖紙和三維模型確定夾具關(guān)鍵檢測點的三維坐標，關(guān)鍵檢測點主要布置在上檐口、豎直段、水平段、下檐口等部位，共在夾具上取5～8個點，也可根據(jù)具體要求增加測量點數(shù)量，如圖7所示。

圖7 夾具取點

4)夾具臨時斜支撐加固 夾具調(diào)整完畢后，不能受外力擠壓，為防止后續(xù)因管道安裝、鋼筋綁扎等因素導致的夾具位置偏移，須在每組夾具兩端安裝斜支撐和橫向支撐，支撐桿件采用角鋼和圓鋼。夾具臨時支撐點分別位于下檐口、水平段、中部、垂直段和上檐口，至少包括5個點，其中，中部支撐安裝位置需和土建模板施工隊伍相結(jié)合，避免影響模板安裝。

5)夾具加固后復測 為保證夾具不受焊接收縮影響而變形，所有支撐焊接完畢后，需利用精密全站儀再次對夾具復測，保證測量點的安裝精度符合設計要求。

通過上述技術(shù)，確保了賽道夾具精度、強度、側(cè)向剛度、彎曲性能等滿足設計要求。同時，滿足整體安裝精度在±5mm的偏差要求，關(guān)鍵點位提高安裝精度在±4mm，確保了全賽道支架高精度安裝，為雪車雪橇中心賽道的順利完工打下堅實基礎。

4 結(jié)語

雪車雪橇中心賽道作為此次冬奧會中項目設計難度最高、施工難度最大、最復雜的設施，通過技術(shù)研發(fā)及科研創(chuàng)新，形成自有技術(shù)，解決了綜合技術(shù)復雜的夾具深化設計、加工、校正、檢測、運輸、安裝等技術(shù)難題，保證了高標準的質(zhì)量要求，縮短了施工工期。

國家雪車雪橇中心建成后，中國雪橇隊、雪車隊、鋼架雪車隊自2020年10月9日開始進行滑行訓練(見圖8)，精湛的賽道建造技術(shù)為國家隊提供了良好的訓練場所，得到國家隊的一致好評。2020年10月26—31日，國家雪車雪橇中心迎來了國際單項組織雪車聯(lián)合會與雪橇聯(lián)合會的預認證測試，國際運動員、教練員、官員對雪車雪橇中心賽道制冷系統(tǒng)及其配套的設施給予了充分肯定。

圖8 國家隊在國家雪車雪橇中心訓練