光明日報記者 陸健 光明日報通訊員 柯溢能 吳雅蘭

　　流光溢彩，星月交輝，環(huán)形“冰絲帶”造型靈動(dòng)，22條晶瑩剔透的“絲帶”狀曲面玻璃幕墻環(huán)繞著(zhù)國家速滑館。作為唯一新建冰上競賽場(chǎng)館，國家速滑館“冰絲帶”為世界貢獻了由中國設計、中國技術(shù)、中國材料、中國制造組成的奧運場(chǎng)館建設“中國方案”。近日，浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院羅堯治教授團隊和鄧華、袁行飛教授團隊向記者解析了“冰絲帶”超大跨度索網(wǎng)結構建設施工與運維保障的科技智慧。

　　“健康醫生”緊盯工程全過(guò)程

　　“冰絲帶”屋面體系采用了雙曲面馬鞍形單層索網(wǎng)結構，是目前世界上跨度最大的單層雙向正交馬鞍形索網(wǎng)屋面體育館。所謂的索網(wǎng)結構，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是一張由鋼索編織而成的大網(wǎng)。這樣一張大網(wǎng)“扣”在了速滑館的上方，形成一個(gè)馬鞍形雙曲面屋頂。

　　相較于傳統的剛性屋面結構體系，柔性的索網(wǎng)屋面在滿(mǎn)足結構功能的前提下大大減小了結構的用鋼量。但是可想而知，它的施工難度也非常大。

　　每根索網(wǎng)都有幾噸重，只有通過(guò)合理的張拉，才能織成一張網(wǎng)。為了更好摸清鋼索狀態(tài)，羅堯治團隊在施工環(huán)節就安裝上浙大自主開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)傳感器，用以進(jìn)行實(shí)時(shí)監測和力學(xué)分析。

　　在索網(wǎng)的施工過(guò)程中，采取“先地面拼裝、再整體提升”的工序，但由于場(chǎng)地空間限制，鋪在地面等待張拉的鋼索需要微微拱起才能越過(guò)“瓶頸”。倘若沒(méi)有準確的數據支撐，誰(shuí)也不能輕易下令彎折動(dòng)輒幾噸的鋼索。“這時(shí)候，我們的現場(chǎng)監測數據能夠實(shí)時(shí)掌握彎曲對鋼索的影響，為現場(chǎng)決策指揮和安全施工提供了重要依據。”施工方評價(jià)說(shuō)：“浙大的無(wú)線(xiàn)傳感器就像一雙雙眼睛，緊緊‘盯’著(zhù)工程的建設全過(guò)程。”

　　“最強大腦”實(shí)時(shí)監測數據安全

　　無(wú)線(xiàn)傳感器不僅在建設時(shí)發(fā)揮作用，建成后的“冰絲帶”依舊通過(guò)“健康醫生”的方式測量著(zhù)“脈搏”與“心跳”。

　　“拿到數據、傳輸數據、處理數據，是我們開(kāi)展監測分析的全過(guò)程。”羅堯治教授團隊的許賢教授說(shuō)，團隊對速滑館的應力、位移、加速度、溫度、風(fēng)壓、索力等六大類(lèi)參數進(jìn)行監測，測試點(diǎn)數也達千余個(gè)，數量之多創(chuàng )下了單一建筑結構之最。

　　那么，這些監測大數據如何更好地決策呢？走進(jìn)位于浙大紫金港校區的空間結構健康監測平臺，記者看到，這里匯集著(zhù)來(lái)自各地的監測數據，也實(shí)時(shí)處理著(zhù)來(lái)自“冰絲帶”的數據。作為多學(xué)科融合的云端數據庫，浙大團隊采用的是統一的數據標準、統一的數據系統，這種數據融合便于更好地開(kāi)展建筑物結構分析。

　　這套監測系統是由浙大自主開(kāi)發(fā)設計的，早在2010年就開(kāi)始應用于國家體育館“鳥(niǎo)巢”的運營(yíng)監測，已經(jīng)有10多年的工程經(jīng)驗，同時(shí)也應用于大興國際機場(chǎng)，監測面積是世界最大。“我們會(huì )根據每個(gè)項目的具體需求來(lái)改造這套系統，在施工的關(guān)鍵環(huán)節和惡劣天氣條件下，我們還會(huì )加密監測。”許賢說(shuō)。

　　　“風(fēng)吹雪打”模擬考驗索網(wǎng)模型

　　在“冰絲帶”建設期間，浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院的另一團隊也發(fā)揮了重要作用。為了更好解決屋頂的建設難題，鄧華、袁行飛教授團隊通過(guò)12：1的縮尺模型，開(kāi)展了國家速滑館大跨度索網(wǎng)屋蓋結構建造關(guān)鍵技術(shù)及模型試驗研究。

　　“國家速滑館屋蓋跨度大、鋼索多、內力協(xié)調復雜，這要求結構必須實(shí)現高精度的建造。”鄧華說(shuō)，索網(wǎng)中需要施加巨大的張拉力，且必須保證與環(huán)桁架和幕墻索高精度地協(xié)同工作，因此確定安全、高效、精確的索網(wǎng)施工方案是關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

　　“設計難，但要將‘冰絲帶’從圖紙打造成冬奧會(huì )的標志性場(chǎng)館同樣困難。”鋪在地上的索網(wǎng)怎樣平穩提起來(lái)，到達屋面高度后需要張拉哪些索才能繃緊索網(wǎng)，最終可以容忍多大的誤差……這些都需要進(jìn)行敏感性分析。于是，團隊在浙大打造了一個(gè)縮小版的“冰絲帶”模型，模擬索網(wǎng)結構的建造全過(guò)程，并驗證結構的設計性能。

　　團隊基于大量的數值仿真結果和試驗測試數據，在索網(wǎng)的整體提升、張拉控制、施工驗收和預張力監測等方面提出了系統性的方案和建議，為“冰絲帶”大跨度索網(wǎng)屋蓋結構的高精度建造提供了有力的技術(shù)支撐。

　　此外，浙大科技團隊還通過(guò)沙袋等形式，在張拉好的索網(wǎng)施加荷載。“我們在模型上吊掛不同的荷載來(lái)模擬風(fēng)吹雪打的環(huán)境，驗證屋頂的強度和抗形變能力。”鄧華說(shuō)。