預制裝配式技術在冬奧場館建設中的開發與應用

許慶，潘睿，王一維，阮新偉，陳祥國

0 引言

與傳統建造技術相比，裝配式技術將部分工作放到構件加工的工廠中進行，具有高效、節能、受環境影響較小、可重復利用的優點[1]，符合綠色建造理念。中國住建部在2017年分別印發《“十三五”裝配式建筑行動方案》《國務院辦公廳關于促進建筑業持續健康發展的意見》等文件，全面推進裝配式技術發展。為響應新時代下建造行業發展的新常態，2022年北京冬奧會和冬殘奧會提出了“綠色辦奧”的理念[2]，倡導使用裝配式技術建造場館，為冬奧會場館建設與運維提出了新的發展機遇與挑戰。研究典型冰雪環境下賽道及臨時設施預制裝配式技術體系，對保障冬奧場館的安全建造、體育賽事的順利運行及綠色辦奧有著重要的指導意義。

1 冬奧場館臨時設施裝配式技術的應用——以國家跳臺滑雪中心為示范工程

1.1 國家跳臺滑雪中心概況及關鍵問題

國家跳臺滑雪中心位于張家口崇禮賽區，又名“雪如意”（圖1），承擔本屆冬奧會的跳臺滑雪和北歐兩項賽事，是我國首座跳臺滑雪場館，具有工程量大、技術難度高的特點。該場館配套了比賽起點區、裁判塔、轉播臺、臨時看臺、臨時支撐等眾多競賽臨時設施，是保障冬奧賽事順利進行的關鍵。賽事運行期間，附屬臨時設施長期處于低溫、冰凍環境，國內外符合冬奧會典型冬季冰雪環境下臨時設施的設計、施工規范嚴重缺失。在山區環境中，此起彼伏的地形以及變幻莫測的氣候條件使得山區風特性十分復雜，山地風是場館中臨時設施設計與建設中必須要考慮的重要因素，需要探究山地風特性作為明確滑雪跳臺局部風環境的設計與建設基礎。

圖1 “雪如意”外觀

場館賽道依據山勢走勢而建，常年受低溫冰雪環境影響，交通、運輸、安裝多有不便，且其自身自重大、賽道曲線型成型控制精度要求高。相比于普通建筑，滑雪跳臺在施工及運維的過程中，對其臨時支撐的承載能力及穩定性提出了更高的要求。而傳統的臨時支撐體系難以勝任復雜山勢地形下賽道設施高要求、高精度的建造，需要開發新型的臨時支撐體系。

項目團隊以實現場館的安全建造及可持續運營為目標，圍繞臨時建筑及設施和臨時支撐體系等方面開展科技攻關，為實現場館的綠色建造、保障冬奧賽事的順利進行提供了重要技術支撐。

1.2 冬奧場區臨時建筑設施標準體系研究

與國外相比，我國適用于冬奧會高標準、高要求規范的嚴重缺失是冬奧臨時建筑設施面臨的最大問題。項目團隊深入調研2006都靈冬奧會、2014索契冬奧會等歷屆冬奧會臨時設施相關建設標準，針對水、暖通、電氣、建筑、結構5大主要專業，17個小項進行了模塊化標準體系的調研，根據場地臨時設施的建筑圍護、舒適性等相關要求，在現有國內標準和規范的基礎上，結合外國相關規范，形成適用于2022北京冬奧會的賽道臨時建筑的建筑功能和建筑圍護等技術標準體系。

建筑專業涉及到的國外規范對于建筑構件的燃燒性能和耐火極限要求較國內規范要更加靈活，國內規范相對而言要更加嚴格，實際設計過程中可根據不同部位、不同建筑類別靈活掌握。結構專業中涉及到的長細比、撓度等國內規范的要求細化到了具體的構件，鑒于臨時建筑建筑構造與永久建筑要求不同，該項指標參照國內規范顯然更加合理。此外，對于混凝土保護層厚度規定，雖然國外規范按照環境類別進行了更詳細的劃分，但國內規范更適用于我國的環境類別，用于臨時建筑建議參照國內規范。在給排水專業設計過程中，美國標準與中國標準表述意思相近，但對于如何執行的理解差別較大。總體來說，中國標準在實際應用中，可操作性更強。國內外在暖通專業的通風空調系統規范差別不大，空調設備以及系統的適用場所也基本一致，參照國內或者國外規范均可。室外設計參數則是以項目所在地的實際氣象參數為依據，按國內規范要求取值。電氣專業的國外規范側重于體系指導，涉及面全、覆蓋率廣，而國內的則更側重于實操性指導，使得設計過程中更加有理可依、有據可循，更加適用于我國比賽場館臨時設施的建設。

綜上所述，項目組經深入調研，選用8項國內規范、9項國際規范，形成適用于北京冬奧的臨時建筑標準體系（表1）。

表1 臨時建筑標準體系（繪制：許慶）

基于臨時建筑標準體系，項目團隊研發了箱式裝配式臨時建筑技術。臨時箱式房建筑由頂蓋、底座、角柱以及若干塊可更換的墻板組成[3]；采用模塊化設計，所有零部件及整體均采取標準化尺寸，便于生產加工及現場組裝或整體吊裝；以箱體為基本單元，框架全部采用特殊冷彎鍍鋅型鋼構件，維護材料采用防火材料，水暖電器、裝飾裝潢以及功能配套全部在工廠預制完成。箱式臨時建筑充分考慮了冬奧環境下臨時建筑服役環境、服役目標等要求，實現了高度集成化、模塊化，滿足工業化生產要求[4]；室內空間具備可擴展性，可按設計需求進行靈活組合，滿足員工宿舍、辦公室、臨時酒店、展廳等多場景應用需求；可反復利用，符合“綠色辦奧”的可持續發展的設計理念。

1.3 山地風環境研究

國家跳臺滑雪中心位于山區地形條件下，其風荷載是在設計中考慮的重要參數[5-6]。我國現行規范《GB50009-2012建筑結構荷載規范》中提供的各個城市基本風壓數據均為基于當地空曠地形下實測風速計算[7]，故規范中提供的設計參考值在復雜山底地形條件下的適用性有待驗證。為了解賽區風場特性，項目組在山頂、中段、山底等多個位置布置超聲風速儀進行現場風速測量（圖2）。本文主要基于跳臺山頂、起點區、著陸點、山底等測點獲得的短期實測數據對當地風速極值分布情況進行研究。

圖2 國家跳臺滑雪中心“雪如意”氣象觀測站分布圖

我國規定基本風速應采用極值I型概率分布函數進行統計分析。采用極值I型分布的方法可較為準確地估計地區內的基本風速。但這種方法需要長期、連續的風速實測數據，提取各年的年最大風速進行分析，數據的利用率較低。考慮到賽區風速測點架設時間較短、風速實測數據較少，應采用有限數目樣本的統計分析方法，對賽區內的基本風速進行估計。這類方法包括越界峰值法、r-LOS 法、獨立風暴法、改進獨立風暴法。這些方法首先從單段風壓提取多個獨立峰值，再通過概率統計的方法，推演出樣本極值概率模型，由此得出需要保證率的極值估計值[8]。

基于跳臺山頂、跳臺起點、跳臺著陸點以及跳臺山底測點獲得的實測數據，取峰值為15 m/s時，根據周最大平均風速以及越界峰值法進行極值I型分布擬合，得出結果（表2-5）。

表2 跳臺山頂不同重現期下設計風壓情況（繪制：許慶）

根據計算結果可知，山地地形對極值風速具有較大的影響，跳臺山頂的極值風速最大，起點與著陸點次之，山底的極值風速最小。采用不同數據提取方法對風速極值分布情況影響較大，相比于超越閾值法，采用周最大風速獲得的數值偏于安全。采用周最大風速及大于超越閾值法擬合獲得的風速極值獲得結果，即10年、50年、100年重現期對應的設計風速值分別為25.0m/s、27.6m/s、29.0m/s，其對應的設計風壓分別為0.39Pa/m、0.48Pa/m、0.53Pa/m。小于建筑荷載規范規定張家口地區的基本風壓0.35Pa/m、0.55Pa/m、0.60Pa/m。從分析結果來看，城市統一的基本風壓的具備包絡性，出于安全考慮，可采用城市統一的基本風壓進行臨時設施風荷載設計。

1.4 建造時臨時裝配式支撐體系研究

國家滑雪中心主要賽道設施位于山地環境中，常年受低溫冰雪環境影響，交通、運輸、安裝多有不便。在建造過程中，傳統腳手架支撐體系承載能力低，穩定性較差，在復雜山地地形條件下強行搭建容易產生安全隱患，甚至引發工程事故；傳統型鋼支撐雖然具備較強的承載能力，但其施工工序復雜、工期較長、重復使用性較差、成本較高，需要開發新型臨時支撐體系。

（1）格構式臨時裝配式支撐體系

表3 跳臺起點不同重現期下設計風壓情況（繪制：許慶）

表4 跳臺著陸點不同重現期下設計風壓情況（繪制：許慶）

表5 跳臺山底不同重現期下設計風壓情況（繪制：許慶）

頂峰俱樂部鋼結構為大跨度空間異形桁架結構，且自重大、跨度大、空間異形構件眾多，為保證建設過程的穩固與精度，工程特設計以鋼管格構柱為主要支架的格構式臨時裝配式支架體系。臨時支撐體系有3種模數：3.2m、4.8m、6.4m，支撐上端設置田字形鋼平臺，上鋪鋁合金格柵板鋪設設備（圖3）。臨時支撐與地面連接可采用螺栓連接，或使用帶配重H型鋼焊接，利用ANSYS軟件對整個結構體系進行有限元計算，明確桿件應力及位移不利部位，結合吊裝單元確定臨時支撐數量及分布，制定吊裝及卸載轉型方案。鋼管格構柱支架臨時支架體系解決了跳臺頂峰俱樂部鋼結構安裝支撐定位及安裝作業問題，保證了結構安裝受力及定位要求和施工作業安全要求。此外，在頂峰俱樂部施工完成后，格構式臨時裝配支撐體系拆卸后成功應用于裁判塔，看臺等臨時建筑的建造，實現裝配式支撐的循環應用。

圖3 不同模數格構臨時支撐示意圖

（2）鋼管貝雷梁轉換體系

滑雪中心的滑道區為樁基承臺基礎—混凝土框架主體結構，基底條件高低不平，相鄰基礎最大標高差值11m，最高支撐高度達到30m，普遍梁截面2.6m×0.9m，最大梁截面3.8m×1.0m，最大組合線荷載達到12.8t/m，滑道板最大傾角37°，架體承受水平力極大，安全風險高。需采用穩固支撐體系，并解決受山體地形條件限制常規架體無法搭設問題。

為保證混凝土澆筑過程中安全及質量，項目組發明了鋼管貝雷梁轉換架體作為支撐體系，解決山體基地標高不一的問題，同時滿足大跨度、大荷載混凝土構件支撐架承載力要求。這種支撐體系采用45#H型鋼作為橫向轉換梁，貝雷架為縱向轉換梁，將支座與支撐架體連為一體（圖4）。

圖4 裝配式鋼管貝雷梁轉換施工體系

格構式臨時裝配式支撐體系和鋼管貝雷梁轉換體系是對裝配式技術深化應用的技術成果，為提升“雪如意”施工質量、控制施工進度、保障施工安全等方面提供了重要技術支撐。

2 預制裝配式技術在賽道設施建造過程中的應用——以首鋼滑雪大跳臺為示范工程

首鋼滑雪大跳臺中心選址首鋼老工業園區北區，是2022年北京冬奧會自由式滑雪和單板滑雪比賽的賽場（圖5）。其由賽道、裁判塔和看臺區域3個部分組成，主體結構為大跨度復雜空間結構，采用全剛性連接，工程量約4100t，結構長度164m，最大寬度34m，最大跨度80.2m，最高標高為62m。

圖5 首鋼滑雪大跳臺

大跳臺作為滑雪項目比賽地點，選手需要在其上完成空翻、回轉等高難度技術動作，對賽道曲線成型控制精度要求高。由于賽道鋼桁架、飄帶管桁架為空間彎扭結構，詳圖深化、結構制作及焊接變形控制難度大。跳臺的配套斜行電梯設備對電梯井格構柱尺寸精度要求高，賽道鋼桁架及飄帶絲帶管桁架線型復雜，高空安裝及測量定位難度大。且跳臺主體結構單根桿件質量大，單根最大重量為185.3t，最小重量也有60t，傳統裝配式建筑連接技術難以勝任，需要研發新的技術體系，在保障賽道線形控制精度的同時，降低高空作業風險，提高施工效率。

項目團隊圍繞滑雪大跳臺預制裝配式技術開展科技攻關，將結構分為單元標準模塊，研發了大構件分段制作、模塊化安裝技術和賽道線形控制技術，支撐了世界首座永久性滑雪跳臺的建設工作的順利進行，對冬奧場館未來建設有著重要的示范意義。

2.2 結構單元標準模塊研究

首鋼大跳臺體量巨大，建造時需要結合其整體結構形式，并且綜合考慮工業生產、交通運輸、拆裝方便等多種因素，化繁為簡，將大跳臺劃分為一種或多種標準化單元模塊，從而滿足建筑單元模塊化以及建筑形式多樣化的需求。

在工程施工準備階段先使用Tekla軟件建模，綜合考慮大跳臺結構的特點以及施工、運輸等因素，進行結構形式和模塊化深化設計（圖6）。首鋼大跳臺被分為變截面V型鋼柱、賽道桁架、斜箱型格構柱、下絲帶、上飄帶5個部分，結合現場各專業施工實際情況分段吊裝。

圖6 滑道桁架分段示意

2.3 大構件分段制作、模塊化安裝技術

模塊化建筑的特點決定了工廠加工制作和安裝的重要性，針對一系列加工制作的問題，需要對復雜空間鋼桁架制作技術、厚板焊接技術、大部件模塊化地面拼裝技術、大部件單元吊裝技術等進行系列研究，保證模塊化能夠保質保量，實現高效裝配化。

（1）空間異型桁架制作技術

利用數字化坐標轉換技術，將空間結構原位關鍵點坐標轉換到變位坐標施工胎架上，降低施工作業高度，減少技術措施投入，在確保異型鋼構件組裝精度同時，提高施工效率。

（2）高強鋼厚板焊接技術

主體結構鋼板安裝過程需要焊接Q345GJC的80mm高強鋼，焊接難度較大。需要對坡口形式、焊接材料，對焊接參數、預熱溫度、層間溫度、后熱溫度及時間做出明確規定，制定焊接工藝并經焊接工藝評定合格。對不同結構構件制定消除焊接應力預防焊接收縮變形的預控與糾正措施、焊接方式及焊接順序。

（3）大部件模塊化地面拼裝技術

根據測量數據，進行數字模擬預拼裝，依據模擬結果修正下一步安裝模塊相應尺寸，在確保構件安裝精度的同時，減少高空作業，提高施工質量及效率。

（4）大單元吊裝技術

根據大跳臺主體結構形式、安裝作業條件以及施工工期，為保證安裝質量及工期要求，采用大單元吊裝技術，減少高空散拼施工，提高高空拼裝精度，降低施工安全風險（圖7）。

圖7 滑道桁架大單元吊裝

2.4 跳臺賽道結構曲線成型控制技術

結合鋼結構裝配式安裝特點，分析研究滿足于結構受力、單元運輸和吊裝安全的單元模塊子單元結構和合理的內部構件連接形式，針對預制結構特點，考慮多種拼接節點構造及配套設計方法，通過3D實體結構掃描確保賽道曲線成型精度。

（1）同步分級卸載技術

為保證施工安全，根據大跳臺主體結構和臨時支撐體系受力特點，決定使用同步分級卸載技術。通過千斤頂頂住桁架之后，切除一定高度的支撐型鋼，然后再將千斤頂緩慢放壓到切割高度，結構靜置2小時，經檢查無異常后再次進行下一步的卸載，循環逐步分級緩慢地進行卸載，最終使臨時支架體系退出受力，主體結構依靠自身承重（圖8）。

圖8 同步分級卸載技術

（2）精密測量技術

大跳臺結構復雜，安裝定位難，通過三維模型給定構件定位相對坐標，采用智能全站儀精密測量技術，在安裝的整個過程中，對構件定位測量，保證了大跳臺主體結構的安裝精度。安裝結束后，使用3D激光掃描技術測量賽道表面平整度，并將實測的賽道線型理論模型進行對比，與理論模型誤差在±30mm以內，滿足建造精度要求（圖9）。

圖9 精密測量技術

3 結語

本文以國家跳臺滑雪中心和首鋼滑雪大跳臺為例，圍繞冬奧場館賽道及臨時設施預制裝配式技術開展研究，通過對建筑、防火設計、臨建設計、暖通、圍護、給排水、電氣等領域國內外標準技術規范的梳理，建立了適用于冬奧典型冰雪環境的臨時建筑設施標準體系，探明了場區復雜山地地形對結構風荷載的影響規律，填補了國內技術標準的空白；研發了建造時臨時裝配式支撐體系、大構件分段制作、模塊化安裝技術、精密測量技術等系列賽道設施建造技術體系，在高精度控制賽道設施曲線同時，提升了施工質量和施工效率，保障了施工安全。冬奧環境下預制裝配式技術系列研究成果為冬奧場館的安全建造及可持續運維提供了寶貴的經驗，對于我國冰雪運動的推廣具有十分重要的意義。