國家速滑館大跨度馬鞍形索結構吊掛荷載施工技術*

王自偉，冀 智，張 雷，朱富力，駱建坡，陳利敏，徐 浩

(1.北京城建集團有限責任公司，北京 100088； 2.中國礦業大學，北京 100083)

1 工程概況

國家速滑館又稱“冰絲帶”，位于北京奧林匹克森林公園網球中心南側，是北京2022年冬奧會的標志性場館之一，也是北京冬奧會新建冰上競技場館。冬奧會期間，可進行冰球、冰壺、大道速滑等項目的比賽和訓練，為綜合性場館[1-10]，如圖1所示。冬奧會后，該場館將成為繼水立方、鳥巢后，又一個集社會服務功能和企業運營為一體的運動健身場館。

圖1 封頂后的國家速滑館

國家速滑館屋蓋設計為單層雙向正交馬鞍形索網結構，索網東西向最大跨度124m，南北向最大跨度198m，標高為15.800～33.800m，承重索和穩定索都采用雙索結構，共98根直徑64mm的承重索，60根直徑74mm的穩定索，索體總長約20 410m，總重約968t，是世界上類似結構中跨度和規模最大的索網結構[11]，如圖2所示。

圖2 國家速滑館屋面索網結構

施工過程中，索網等柔性屋面結構剛度尚未形成，荷載及邊界條件等都在不斷發生變化，從初始態到施工完成態需經歷剛性構件安裝、索體就位、張拉、結構加載、增減臨時支撐等多個環節，是包含眾多復雜因素的非線性過程[12]。為保證施工質量，施工過程中應進行找形及變形控制。本文提出新型吊掛荷載施工技術，可進行索網結構豎向位移找形，應用于國家速滑館大跨度柔性索網屋面施工中，可較好控制索網變形，保證工程質量。

2 工藝特點

國家速滑館大跨度索網屋面結構較柔，一定自重加上屋面系統質量，施工前后一般會有較大下撓變形，特別是在索網中心位置更加明顯。如不進行配重，而在索網上直接安裝屋面板系統，則施工前后索網會發生較大變形，進而使屋面板間隙隨安裝進度不斷發生變化，導致安裝不緊密，可能造成屋面漏水等情況。采取吊掛荷載施工技術，使施工前后及施工過程中索網承受荷載幾乎一樣，屋面板系統在安裝過程中，屋面板間幾乎不發生相對位置變化，屋面板可連續進行各工序施工，加快施工速度，還能保證屋面完整性和密封性。

通過在索網節點的IBC集裝桶內注水進行配重，隨屋面系統施工工藝逐步推進適時調節配重，區域內屋面系統施工完畢后完全卸載，最大程度保證施工前、施工中及施工后的變形一致。吊掛荷載吊掛點設置在索夾底部吊掛耳板上，當索夾沒有設計吊耳時，直接繞過索夾斜跨在索夾上，配套工法所增加的材料極少，最大程度節約成本。吊掛荷載采用的IBC集裝桶由高分子量低壓聚乙烯材料制成，衛生環保、耐酸抗堿、適用性強，可重復利用，使用成本低。采用水作為配重流體，來源及排放非常方便，同時配重大小可根據需要自由調節，成本低廉。

3 索網變形分析

施工前，使用ANSYS數值模擬軟件，對索網進行變形分析。各種工況條件及相應的最大豎向位移如表1 所示。索網向上最大豎向位移為332mm，向下最大豎向位移為520mm，吊掛活荷載后最大豎向位移為向下356mm(見圖3)。根據承重索和穩定索長度及變形分析得出，承重索拉索變化長度最大壓縮量為206mm，最大伸長量為52mm，承重索上單塊面板變化量向上1.79mm、向下7.1mm。穩定索拉索變化長度最大伸長量152mm，最大壓縮量35mm，穩定索上單塊面板變化量向上3.17mm、向下0.73mm，如表2，3所示。

表1 各工況下索網最大豎向位移 mm

表2 承重索變形分析

圖3 穩定索和承重索的變形分析

4 施工流程與操作要點

吊掛荷載安裝前，應根據工程情況確定吊掛荷載分布形式和荷載大小。分布方式為矩形、梅花形等，荷載大小根據設計屋面荷載進行確定。屋面下吊掛馬道荷載應與吊掛荷載協調計算，最終確定吊掛點實際荷載，形成完整的吊掛荷載施工方案。每個節點懸掛荷載為11.6kN。該施工階段結構外圍相對封閉，不考慮風荷載作用下吊掛荷載搖晃振動的影響。

表3 穩定索變形分析

1)吊掛鋼絲繩安裝與提升 當索網索夾安裝完成、驗收合格但未提升時，在索夾底部耳板位置穿掛鋼絲繩，鋼絲繩雙股用作吊掛，總長度需大于張拉完成時吊掛點離地(混凝土結構面)高度的2倍，以便后期操作人員在地面即可解除吊掛鋼絲繩。當索夾沒有設計吊耳時，鋼絲繩直接繞過索夾斜跨在索夾上。當吊掛荷載吊掛點設置在鋼結構馬道下部時，應設置在馬道橫梁上。吊掛點處使用柔性墊片保護鋼絲繩。索網提升與吊掛鋼絲繩安裝同步進行，互相配合，所有穿掛點在鋼絲繩安裝后施工完成，按照索網施工要求進行提升和固定。

2)索網節點配重測試 索網就位后選擇合適的測試點組裝IBC集裝桶及外框，逐步完成吊裝、固定、灌水、放水、拆卸等測試工作。測試過程中校核IBC集裝桶內容量，以保證配重精確。吊裝設備從上而下為25t汽車式起重機+曲臂車、吊掛鋼絲、15t電子吊秤、9m兜繩、IBC集裝桶外框、IBC集裝桶、鋼托盤等。

3)IBC集裝桶安裝及吊掛 根據鋼結構施工方案將索網結構下部馬道及其吊掛鋼絲繩安裝就位。按照就近原則，分區域將IBC集裝桶分散至每個吊掛點放置，必要時在每個吊掛點下設置1.5m×1.5m多層板保護下方臺板，合理劃分區域以便安裝車輛行走。IBC集裝桶就位后，安裝IBC集裝桶兜繩，截取9m長φ6鋼絲繩，將兜繩穿入IBC集裝桶外框，使用3個繩卡鎖死兜繩，以確保吊裝時鋼絲繩不滑脫。按照每個吊掛點編號，分別在兩端和兩側4個方向對稱吊掛IBC集裝桶。使用25t汽車式起重機和曲臂車配合吊掛IBC集裝桶，距地500mm。將所有IBC集裝桶吊掛就位后調整IBC集裝桶位置，保證距地高度，并使用鋼絲繩輔助定位，采用3m長鋼絲繩對IBC集裝桶牽引固定，保證IBC集裝桶靜止、不旋轉、不晃動、無磨損情況發生，并設置防風措施。

4)IBC集裝桶注水 使用直徑100mm水管，分別從兩端開始，從兩側依次注水，然后分別從中間部位依次推進，并派專人監督，保證索網逐步加載。注滿水后測量IBC集裝桶與地面距離，離地高度盡量控制在300～500mm，同時按編號標記和記錄。對每個吊點進行荷載測試，均達到11.6kN要求。

5)安全措施及日常維護 吊掛完成后，在每個IBC集裝桶上張貼安全標識。吊掛施工完成后，安排專人封閉管理整個吊掛區域，設置定型圍擋或警戒線，并配置相應警戒標識。按照實際吊掛點數量的5%額外購置IBC集裝桶，以便損壞后及時更換。專門設置1名管理人員和2名工人負責日常檢查和維護，檢查項目包括滲漏、水量、封閉情況等，并做好記錄，發現問題立即匯報并進行調整。

6)拆除工作 鋼結構環桁架球鉸支座鎖定后，吊掛荷載根據屋面施工需要調整和拆除IBC集裝桶。根據屋面單元板塊安裝部位，調整相應部位集裝桶，即安裝1個屋面單元板塊拆除IBC集裝桶。拆除時使用抽水泵將IBC集裝桶內的水從上口抽出，根據需要再利用或排至污水井。同時利用叉車拆除IBC集裝桶和吊掛鋼絲繩并清出場地外。

5 結語

1)吊掛荷載施工技術在最大程度上消除大跨度索網結構在施工前后及施工過程中變形不一致的問題，保證屋面板系統連續安裝，加快施工進度，同時保證屋面板系統施工質量。

2)施工技術配套成本低，具有良好的經濟性。吊掛鋼絲繩穿掛在索夾底部耳板上或直接斜跨在索夾上，節約成本。IBC集裝桶經濟環保、適用性強，采用水為配重荷載，經濟實惠、排放方便。

3)荷載吊掛無工人高空作業，安全性強。

該施工技術成功應用于國家速滑館屋面系統施工中，保證屋面系統安裝質量，提高經濟效益，加強施工安全性，推進我國索網結構等大跨度柔性屋面結構找形施工技術的創新與應用，對類似工程具有指導意義。