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，22條晶瑩剔透的“絲帶”狀曲面玻璃幕墻環(huán)繞著國家速滑館。作為唯一新建冰上競賽場館，國家速滑館“冰絲帶”為世界貢獻了由中國設計、中國技術、中國材料、中國制造組成的奧運場館建設“中國方案”。近日，浙江大學建筑工程學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(yī)生”緊盯工程全過程

　　“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，簡單地說，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，形成一個馬鞍形雙曲面屋頂。

　　相較于傳統(tǒng)的剛性屋面結構體系，柔性的索網(wǎng)屋面在滿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(jié)就安裝上浙大自主開發(fā)的無線傳感器，用以進行實時監(jiān)測和力學分析。

　　在索網(wǎng)的施工過程中，采取“先地面拼裝、再整體提升”的工序，但由于場地空間限制，鋪在地面等待張拉的鋼索需要微微拱起才能越過“瓶頸”。倘若沒有準確的數(shù)據(jù)支撐，誰也不能輕易下令彎折動輒幾噸的鋼索。“這時候，我們的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠實時掌握彎曲對鋼索的影響，為現(xiàn)場決策指揮和安全施工提供了重要依據(jù)。”施工方評價說：“浙大的無線傳感器就像一雙雙眼睛，緊緊‘盯’著工程的建設全過程。”

　　“最強大腦”實時監(jiān)測數(shù)據(jù)安全

　　無線傳感器不僅在建設時發(fā)揮作用，建成后的“冰絲帶”依舊通過“健康醫(yī)生”的方式測量著“脈搏”與“心跳”。

　　“拿到數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，是我們開展監(jiān)測分析的全過程。”羅堯治教授團隊的許賢教授說，團隊對速滑館的應力、位移、加速度、溫度、風壓、索力等六大類參數(shù)進行監(jiān)測，測試點數(shù)也達千余個，數(shù)量之多創(chuàng)下了單一建筑結構之最。

　　那么，這些監(jiān)測大數(shù)據(jù)如何更好地決策呢？走進位于浙大紫金港校區(qū)的空間結構健康監(jiān)測平臺，記者看到，這里匯集著來自各地的監(jiān)測數(shù)據(jù)，也實時處理著來自“冰絲帶”的數(shù)據(jù)。作為多學科融合的云端數(shù)據(jù)庫，浙大團隊采用的是統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，這種數(shù)據(jù)融合便于更好地開展建筑物結構分析。

　　這套監(jiān)測系統(tǒng)是由浙大自主開發(fā)設計的，早在2010年就開始應用于國家體育館“鳥巢”的運營監(jiān)測，已經(jīng)有10多年的工程經(jīng)驗，同時也應用于大興國際機場，監(jiān)測面積是世界最大。“我們會根據(jù)每個項目的具體需求來改造這套系統(tǒng)，在施工的關鍵環(huán)節(jié)和惡劣天氣條件下，我們還會加密監(jiān)測。”許賢說。

　　　“風吹雪打”模擬考驗索網(wǎng)模型

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

　　“國家速滑館屋蓋跨度大、鋼索多、內力協(xié)調復雜，這要求結構必須實現(xiàn)高精度的建造。”鄧華說，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)施工方案是關鍵技術問題。

　　“設計難，但要將‘冰絲帶’從圖紙打造成冬奧會的標志性場館同樣困難。”鋪在地上的索網(wǎng)怎樣平穩(wěn)提起來，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……這些都需要進行敏感性分析。于是，團隊在浙大打造了一個縮小版的“冰絲帶”模型，模擬索網(wǎng)結構的建造全過程，并驗證結構的設計性能。

　　團隊基于大量的數(shù)值仿真結果和試驗測試數(shù)據(jù)，在索網(wǎng)的整體提升、張拉控制、施工驗收和預張力監(jiān)測等方面提出了系統(tǒng)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支撐。

　　此外，浙大科技團隊還通過沙袋等形式，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模擬風吹雪打的環(huán)境，驗證屋頂?shù)膹姸群涂剐巫兡芰Α！编嚾A說。