他们编织了“天幕”
时间：2021-01-10 03:45:39 来源：达达文档网 本文已影响 人 
王剑英
国家速滑馆屋面索网“天幕”施工建设场景
北京奥林匹克森林公园南园西北侧，北京2022冬奥会速度滑冰项目比赛场馆国家速滑馆内，建设者们斗志高昂，为即将到来的测试活动做着最后的准备。
国家速滑馆有一个亲切的昵称——“冰丝带”，因其建筑外立面盘旋着22条晶莹美丽的“丝带”状曲面玻璃幕墙，取形于运动员高速滑进时冰刀留下的轨迹，22这一数字则与2022年相呼应。
场馆的造型美观、新颖，但将其从效果图变为实物，建设、施工难度极高，需突破多项技术难点;它被业内称为“世界级建造难题”，此前被纳入这一级别的，有北京大兴国际机场综合航站楼、港珠澳大桥等重大工程。
屋面索网结构的成功实施是攻坚克难的典型例证，在国家速滑馆建设团队口中，这张索网被称为“天幕”，这一阶段的建设施工被称为“编织天幕”。
2020年5月，国家速滑馆斩获“2019年度中国钢结构行业的最高工程大奖——中国钢结构金奖年度杰出工程大奖”，“天幕”的成功“编织”是其主要加分项。
“拿这个奖，一方面是專家厚爱，另一方面，国家速滑馆也当之无愧。”国家速滑馆公司副总经理、总工程师李久林对《瞭望东方周刊》这样表示。
“当之无愧”的背后，有何不为人知的故事？
挑战带来兴奋
2018年2月，李久林正式入驻国家速滑馆项目，所有与工程、技术相关的重大问题，都由他负责。
他曾是2008年“鸟巢”建设的总工程师。“鸟巢”成为北京奥运会的时代标志，亦成为京城的地标建筑，他引以为豪。
“鸟巢”是重型钢结构建筑，作为主要承重构件的桁架柱最大断面达25米×20米，高度达67米，单榀最重达500吨，其总用钢量达4.2万吨。它充满了阳刚美，与对面轻灵的“水立方”相得益彰。
“水立方”的轻灵质感主要由“膜”材料实现。这次，国家速滑馆要用钢结构实现轻盈流畅的整体视觉效果。
与“鸟巢”相较，用更少的钢材建造一个更高性能的结构体，这是可持续、绿色发展的要求，亦是对土木工程师们的挑战——团队兴奋地期待着这场实践。
“天幕”有个颇拗口的专业术语：单层双向正交马鞍形索网。可以简单理解为，有一个巨大的羽毛球拍“绷”在了场馆的上方，只不过这个球拍不是由树脂纤维制成，而是由粗大的钢索编织而成，不是平面而是马鞍形，更直白的类比是“薯片形”。
李久林正式进驻国家速滑馆项目后，面临的第一个难题是：索网的材料怎么办？用进口索还是国产索？
国际上的普遍做法是，大型体育场馆的索网结构采用高钒密闭索，它结构紧密、表面平滑、防腐性佳、承载力强，但国内此前没有生产过建筑用高钒密闭索，而建筑用索有其特定标准，如抗拉、抗震、抗疲劳、抗腐蚀等。
在国际市场上，建筑用的高钒密闭索并不难买，“但全世界能做出来的工厂主要集中在欧美几个发达国家，它属于被少数人掌握的卡脖子技术，像芯片一样。”李久林说，当时已经有代理商追着找上门来，希望用其代理的国外索。
如何选择？
不久前，北京市某工程的负责人特地来到国家速滑馆，在登上屋顶实地考察一番后，回去就决定：“速滑馆这么大工程都用了国产索，我们也一定要用国产的。”
“优先用国产索”
当时，整个团队——包括业主单位、设计单位、总承包单位、监理单位等，普遍认为应“优先考虑用国产索”。
“这和十多年前‘鸟巢建设用钢的选择情景，惊人地相似。”李久林说。
十多年前，“鸟巢”建设伊始，同样面临核心材料的选择难题。
由于“鸟巢”被设计为重型钢结构，且跨度达333米×297米，南北两侧有6根柱子受力极大，当时有两种材料方案：要么用150毫米厚的钢板，Q345级别;要么用110毫米厚的高强钢板，Q460级别。二者之间相隔Q390、Q420两个技术等级。
从技术和绿色建筑角度而言，Q460是更好的选择。但当时，如果进口，国际市场的供货周期无法满足建设进度，而国内厂家还没有生产过建筑用Q460钢。
李久林（右）在国家速滑馆施工现场
“鸟巢”建设周期的各时间节点都已经被“锁死”，团队只能背水一战：与我国首家宽厚钢板生产和科研基地河钢舞阳钢厂联手攻关，从最基础的力学性能开始研究，通过上百组实验、上万个数据分析研究形成标准，乃至培训工人，最终生产出新中国第一批建筑用Q460钢，一次合格。
“鸟巢”建设所用的700吨Q460钢全部国产化，自此以后，央视大楼、北京大兴国际机场等重要工程纷纷选择国产Q460钢，我国高强钢行业呈现井喷式发展，对建设节能减排、科技发展起到了强大的助推作用。
那段激情岁月历历在目，最终的成功也给了团队巨大信心，国家速滑馆最终下决心——用国产索！
时间不等人。进驻工程1个多月后，李久林便带队考察了国内最具备生产建筑用高钒密闭索能力的3家工厂，摸清基本情况。3家工厂均摩拳擦掌，表达了强烈的愿望，希望利用国家建设冬奥工程的平台，打开国产索的建筑应用市场。
2018年5月，河北巨力集团中标，以最大力量组织科研和生产，随后建设起国内第一条相关生产流水线;5个月后，第一车成品索到达国家速滑馆施工现场。
2019年3月，“天幕”编织工作顺利完工，屋面索网结构完美呈现。
过程中，有一个细节给李久林留下了深刻印象：巨力集团中标后，仍有国内生产索的企业负责人主动表态：“我们愿意当备胎，随时候补。如果他们不行，我们上！”
“本来他们属于竞争关系，为了突破难点，能有这样的情怀，令人感动！”李久林说。
国家速滑馆用上了国产索，这一消息迅速在行业内引发震荡：上海浦东足球场、三亚体育中心等在建大型场馆均纷纷选择国产索。
不久前，北京市某工程的负责人特地来到国家速滑馆，在登上屋顶实地考察一番后，回去就决定：“速滑馆这么大工程都用了国产索，我们也一定要用国产的。”
据了解，现在，越来越多国内厂家具备生产高钒密闭索的能力，这推动了整个国际市场上高钒密闭索价格水平和供货周期的回落。
赵炳陶（右）在国家速滑馆建设现场
“这个东西原来是高高在上的，因为中国制造的力量，只能靠国外进口的局面得以改变。”李久林欣慰表示。
国家速滑馆公司工程部的工程师赵炳陶则说：“一个行业相当于一张大网，很难实现齐头并进，必须有一个‘点去牵引着向前，高钒密闭索的突破就是这样一个点。很幸运能遇上这样一个点。”
从“买豆腐”到“研究种大豆”
推动高端材料国产化体现了国家速滑馆建设团队的情怀，但李久林说，“如此重大的国家工程，光有情怀可不行。”
国家速滑馆是北京2022冬奥会新建标志型竞赛场馆，且为永久性场馆，要成为我国冬奥质量的标杆之作，“一开始就是奔着建筑行业最高奖鲁班奖去的，”李久林说。
采用国产索，做第一个吃螃蟹的，压力巨大，实操阶段必须保证万无一失;此外，建设工期紧张，现场作业人员众多，任何环节都经不起“重来一次”。团队只有以严谨的科学步骤将各种风险一一清除。
在高钒密闭索的科研攻关阶段，设置了三道平行的监测关卡以严格把控：巨力集团自身的质量控制体系、国家速滑馆建设专家团队和第三方独立专业检验机构，相当于“上了三重保险”。检测及监测覆盖了科研攻关的全过程，包括钢丝的拉丝、强化、镀层、编绳……甚至是原材钢丝的源头选择。
李久林曾在团队内部打趣说：“本想在市场上买盒豆腐回来，没想到自己开始研究种大豆了。”
核心材料问题解决了，但“编织天幕”的过程此前没有现成经验，仍属于摸着石头过河。
在国家速滑馆停车场，一个已经被拆成几大块的钢模型静静躺在角落里。每次路过，赵炳陶都亲切称它“小家伙”。
“小家伙”其实不算小，尺寸22.5米×17.5米，是按照国家速滑馆的建筑骨架，以1：12的比例做出来的实体模型，由浙江大学空间结构实验室设计制作，主要目的就是为了在“天幕编织”阶段，从施工可行性到受力性能，对设计成果进行全方位反复验证。
在此之前，另一支小分队已经利用计算机空间建模，将速滑馆建造过程完整地演习了一遍，“编织天幕”阶段模拟了一千多种可能出现的工况，由于运算量过于庞大，普通计算机无法满足需求，需利用超算中心才能完成。
计算机模拟分析，实体模型仿真，都是为了尽量将可能出现的问题“扼杀在摇篮里”。此外，实操推进的每一步都采取了协同办公和联合验收机制：每天早上9点，设计方、监理方、总包方、分包施工方、第三方监测方和厂家代表准时开会，分析上一步的结果，根据内业资料和现场情况联合验收，任何一方发现问题先解决，待各方全部签字确认之后才能通过，再部署下一步。
为了节省时间、满足工期，实操阶段采用了平行施工：施工现场仿佛成了一个巨大的汽车组装厂。
传统土木建筑有句行话：“齐不齐，一把泥。”但这句话不适用于此，因为这是一个“精细活”。
“这么大体量的土木工程，真正实现了像建造汽车一样来造一个建筑。”李久林感慨，它必须有汽车一样的毫米级精度：钢索上面安装了1000多个传感器，监测数据随时传到后台，采用智能机器人实现整个过程的高精度控制。
颜值巅峰
2018年12月28日，一个令赵炳陶难忘的日子。
两年后，他依然清楚地记得那天出奇的冷，零下十几度还刮着风，但大家情绪高昂，因为连续数月的智慧加汗水艰辛付出后，冲锋号吹响了，“天幕”正式进入提升张拉阶段——“羽毛球拍”在地面组装完毕，开始往屋顶“提升”了。
“這不是一张普通的网，很不容易！”赵炳陶感叹。
这是世界最大跨度的正交双向单层马鞍形索网，198米×124米的结构体量，钢索总长度20410米，总重量968吨;其中东西向为98根承重索，单索直径64毫米，南北向为60根稳定索，单索直径74毫米，双向纵横交错。
“这么大体量的土木工程，真正实现了像建造汽车一样来造一个建筑。”李久林感慨，它必须有汽车一样的毫米级精度：钢索上面安装了1000 多个传感器，监测数据随时传到后台，采用智能机器人实现整个过程的高精度控制。
如此大面积且有韧性的一张钢索网，采用地面编索、整体提升、同步张拉的措施。屋顶不是平面，最高处33.8米，最低处15.8米，落差18米。提升过程中要实现平面到马鞍形的完美变形;每一条钢索的受力变化，都牵一发动全身，为保证索网整体安全、准确到达预定位置，必须确保每根索的索力同步、均匀增长，确保整体受力均衡。
这样的施工在国内没有先例，难度首屈一指。
为了这次提升张拉，184台不同型号的千斤顶、98台油泵、14台泵站、158套工装、11台25吨汽车吊、6台直臂车和1套同步控制系统一齐上阵——在同一个项目中使用如此多设备，在国内亦属首次。
“天幕”的提升张拉共进行了3个月。2019年1月29日，完成提升;3月19日，完成张拉;4月26日，完成锁定。经检测，各项指标参数均在设计范围内，钢筋铁骨“天幕”工程完美收官。
收官那天傍晚，金色的落日余晖洒在巨大的银色“天幕”上，反射出柔美的光晕，赵炳陶从场馆下方凝视这壮观的景象，感受自然之美与人工之美的相互辉映，脑海中自动升起了一个词：“结构的颜值巅峰”。这位理工男打起了一个文艺的比方：“鸟巢”好比少林寺，刚猛范儿;速滑馆好比武当派，飘逸范儿。
“天幕”工程如此艰巨且无先例，核心材料高钒密闭索在国内还得科研攻关，那为何要选择索网这一方案？有没有别的替代方案？
李久林解释，除了索网结构，设计团队还对比了其他方案：钢桁架和网架方案。从超大跨度而言，桁架和网架更为成熟，但屋顶厚度会高达8米-10米，且“冰丝带”的完美造型难以实现;索网则更加轻盈，用钢量仅为桁架的四分之一，且节省了幕墙和空调运行的费用，这种方式实现了用材、造价、安全性、建筑效果、可维护性等各方面综合最优效果。
2020年5月，喜讯传来，国家速滑馆以最高分148.5分荣获 “2019年度中国钢结构金奖年度杰出工程”大奖，这是国内钢结构行业的最高奖项，每年不超过3个。此前获得年度杰出工程大奖的还有北京大兴机场综合航站楼、中国尊大厦等项目。
以中国工程院院士聂建国为首的12位现场评审专家一致认为，国家速滑馆工程团队通过智慧建造进行科技攻关，完美解决了高性能钢材应用、钢结构滑移、索结构应用等众多技术难题，其建设质量和标准达到国际领先水平。
现在，国家速滑馆已完成了“精耕细作”“拔地而起”“编织天幕”“丝带飞舞”和“最快的冰”五个建设阶段，建设团队正全力打造“智慧的馆”，为这处冬奥新场馆、首都新地标的最终揭幕贡献力量。
