国家速滑馆（冰丝带）绿色建造关键技术_李久林.pdf

34 建设科技特 别 关 注The Special Focus“华夏奖”专刊2022 年“华夏建设科学技术奖”获奖项目（一等奖）国家速滑馆（冰丝带）绿色建造关键技术国家速滑馆是2022年冬奥会北京赛区唯一新建冰上竞赛场馆，总建筑面积12.6万平方米，冬奥赛时承担速度滑冰的比赛任务，总坐席1.2万座，将与鸟巢、李久林1,3 郑方2 罗岗1 李少华1 王哲2 陈利敏1,3 苏振华1 王建林1,3 白光波2 李燕敏4 王念念1 李丹2 高晋栋7 杨超5 邵宝健6(1.北京城建集团有限责任公司，北京 1 0 0 0 8 8；2.北京市建筑设计研究院有限公司，北京 1 0 0 0 4 5；3.北京国家速滑馆经营有限责任公司，北京 1 0 0 1 0 1；4.北京城建亚泰建设集团有限公司，北京 1 0 0 0 1 3；5.巨力索具股份有限公司，河北 0 7 2 5 5 0；6.江苏沪宁钢机股份有限公司，江苏 2 1 4 2 3 1；7.北京市建筑工程研究院有限责任公司，北京 1 0 0 0 3 9 )摘要 项目针对国家速滑馆世界最大索网屋面、高工艺曲面玻璃幕墙系统、1.2万 m2超大冰面展开研究，构建了一套绿色、安全、高效的建造技术体系，填补了相关领域研究空白，提高了我国大型建筑工程绿色化、装配化、智能化建造水平，为国家速滑馆等大型体育场馆的高质量建设提供了重要技术保障，为举办一届精彩、非凡、卓越的冬奥会作出了重要贡献。关键词 冰丝带；绿色建造；制冰；索网；围护结构Key Technology on Green Construction of National Speed Skating Oval(Ice Ribbon)Li Jiulin1,3,Zheng Fang2,Luo Gang1,Li Shaohua1,Wang Zhe2,Chen Limin1,3,Su Zhenhua1,Wang Jianlin1,3,Bai Guangbo2,Li Yanmin4,Wang Niannian1,Li Dan2,Gao Jindong7,Yang Chao5,Shao Baojian6(1.Beijing Urban Construction Group Co.,Ltd.,Beijing,100088；2.Beijing Institute of Architectural Design Co.,Ltd.,Beijing,100045；3.Beijing National Speed Skating Oval Operation Co.,Ltd.,Beijing,100101；4.Beijing Urban Construction Yatai Construction Group Ltd.,Beijing,100013；5.Juli Sling Co.,Ltd.,072550,Hebei；6.Jiangsu Huning Steel Structure&Machinery Co.,Ltd.,214231,Jiangsu；7.Beijing Construction Engineering Research Academy,Beijing,100039）Abstract:The project studies on the worlds largest roofing cable net,with high-technology curved glass curtain wall system and 12,000 large ice surface,and forms a green,safe and efficient construction technology system,fills the research gaps in related fields,and improves the green,assem-bled and intelligent construction level of the large building projects in China,which has provided important technical support for the high-quality construction of the National Speed Skating Oval and other large sports venues,and made important contributions to the holding of a wonderful,ex-traordinary and outstanding Winter Olympics.Keywords:Ice Ribbon,green construction,ice making,cable net,enclosure structure水立方共同组成世界首个双奥之城北京奥运片区标志性建筑群；秉持可持续发展和“绿色办奥”理念，将控制制冰运行能耗作为绿色节能设计的首要任务，选择马鞍DOI:10.16116/ki.jskj.2023.11.005建设科技 35一 等 奖形屋面和单层索网结构，压减了超过50%的室内空间，并将约75%的建筑面积设置于地下，同时也控制了建筑高度，节省了25%的幕墙、屋面等外围护结构面积（见图1）。但是建筑用高钒密闭索，长期依赖进口，价格高，供货周期长，如何实现高钒密闭索的国产化，以最低的代价保证工程的绿色化是工程建设攻关的难点之一。图1 国家速滑馆剖解图历届冬奥会速滑馆均采用氨或氢氟烃制冰。氢氟烃属于强温室气体效应制冷剂，全世界限制使用并逐步淘汰，氨有毒，制冰曾有安全事故发生；二氧化碳天然工质是最绿色、环保、安全的制冷剂；直冷制冰更高效，制冰效果更均匀。世界上仅有小型标准冰场采用，冬奥会没有应用先例。此外，受赛场气流环境条件影响，全世界最快的冰场均为高原冰场，北京属于平原低海拔地区，难以建成最快的冰场。除海拔高度外，影响速滑成绩的主要因素还包括冰面温度和硬度的均匀性以及冰面平整度，运动场地的环境因素等。如何在低海拔-平原地区建造最快的速度滑冰馆，是本次北京冬奥会的建造目的。与同类重点、难度大的工程相比，速滑馆工期最为紧张。面对多专业集成化、装配式建造、建筑构件精密加工、实现平原冰场最快的冰等难题，如何从建筑形态、结构选型、建材选用、施工部署等方面入手，高效、智能的实现“冰丝带”的绿色建造是团队的目标。为此，项目团队围绕“超大跨度柔性索网结构”“高性能单元式围护结构”“超大平面CO2跨临界直冷多功能冰场”的建造技术展开相关研究。1 超大跨度柔性索网结构建造关键技术针对椭圆马鞍形索网长短轴差异大等难题，首创了单层马鞍形索网+环桁架+幕墙斜拉索结构体系。提出了超大跨度索网结构位形和形态优化技术。考虑屋面构件重量，采用双曲抛物面作为索网结构的初始态位面。通过优化技术，可以确保张拉后的索网屋面保持正交正放形态、确保每个4m4m的分格处于同一平面，这样可以使得索网的屋面模块以相同规格的平面板形式加工，显著降低单元屋面板块的规格数量和加工难度，降低屋面维护构造的造价。索网结构形态优化方法示意图如图2-3所示。图2 索网结构位形优化示意图 图3 承重索垂度和稳定索拱度示意图图4 环桁架高低位变轨滑移 图5 索网张拉完成首创了基于平行施工的建造模式，实现了多专业装配化施工，节省工期3个月。研发了基于计算机控制的异位与原位混合安装、高低位二次变轨滑移的环桁架施工方法，合龙段间隙仅1cm，拉索耳板偏差10mm。自主研制建筑用大直径高钒密闭索，产品性能达到欧洲标准，并首次应用于国家重大建筑工程，打破了国外同类产品垄断、使密闭索价格降至1/3，供货期缩短1/2，促进了相关产业发展。研究形成了超大跨度单层正交索36 建设科技特 别 关 注The Special Focus“华夏奖”专刊网主被动、大吨位同步张拉技术，经检测索力全部低于验收标准要求的小于15%；针对荷载态的索网进行激光扫描，94.24%索夹位置偏差小于10mm，实现了索网高效施工和毫米级安装（见图4-5）。2 高性能单元式围护结构建造关键技术针对世界上跨度最大的单层双向正交索网结构体育馆，国家速滑馆突破超大跨度索网结构数字几何找形、结构性能优化关键技术，对屋面结构层进行了风洞试验以及风振模拟，并对不同工况下的屋面索网变形进行了有限元分析，计算结果显示屋面索网在不同工况下向下和向上位移最大为474mm左右。独创采用了“金属单元柔性屋面”系统。该屋面体系由单元板块构成，采用高效的组合式钢架单元板块构造、新型隐形变形缝构造、新型等高线天沟系统、新型防水卷材复合铺贴构造、新型屋面雨水溢流系统等诸多创新技术和材料，解决了与索网结构配套使用的围护系统柔性变形技术难题，填补了装配式模块化屋面系统的空白。采用实体扫描测量的逆向建模及加工技术，实现单元屋面的高精度加工。研发了水箱预负载技术，实现了环桁架支座提前锁定，节约工期2.5个月（见图6-7）。图6 单元式屋面节点 图7 装配式屋面安装研发了单索支承异面网壳600m连续曲面幕墙体系，形成平板玻璃比例超过50%的平曲耦合自由曲面。通过对幕墙不同部位的容差深化设计，保证了幕墙体系和主体结构的变形协调。研制了反弯设备和冰丝带模具，保证了小半径热弯半钢化玻璃高精度加工。研发了压块构造的安装节点，实现了单元式幕墙的独立安装，解决了索结构体系下大体量异形玻璃幕墙的施工难题，节约工期2个月。由中国建筑学会组织成果鉴定，专家组一致认为，项目实现了高标准的曲面玻璃幕墙工艺和性能，推动了曲面幕墙的技术进步，创造了建筑工艺美学新高度，实现功能、科学和艺术的结合（见图8-9）。图8 玻璃幕墙曲面耦合 图9 天坛型曲面幕墙3 超大平面CO2跨临界直冷多功能冰场建造技术首次建立了适用于多功能超大冰面的亚临界、跨临界多工况并行CO2直接蒸发制冰集中式制冷系统，攻克了中压回油、两段调温蓄能式热回收等关键技术难题，实现了室外宽温区多工况条件下CO2制冷系统，高效满足制冰、除湿、生活热水等多种功能（200万度电），能效提升20%以上（见图10-11）。图10 制冰系统示意图 图11 热回收系统图12 制冰管道安装 图13 超大平面抗冻融混凝土研发了超大平面抗冻融混凝土抗裂和高精平整度控制技术，实现了对12000超大平面抗冻融混凝土的微细裂纹的高精度控制，平整度小于3mm，高于国际滑联的5mm；首次使用40-50m的不锈钢盘管制作制冰排管，管道焊口多达11098道，创造性运用自融型自动焊接工艺和三维激光扫描技术，实现焊接一次合格率达到99.27%，制冰管道位置偏差小于5mm；解决了120km制冰排管抽真空,分次大体量充注CO2的技术难题。通过精准的系统调试，冰面温差控制在0.5以内，远超国际滑联1.5的要求。1.2万平米全冰面4个单元可独立控温，实现冰面“同时运行、不同使用”。冰面质（下转40页）40 建设科技特 别 关 注The Special Focus“华夏奖”专刊国内都市圈不同于国外概念，不是单一的通勤圈，而是通勤圈、商务圈、休闲圈共同构成的复合功能圈。二是企业关联网络在区域空间上呈现5公里创新链、30公里产业链以及100公里供应链的规律特征。4 聚焦三层次区域空间优化关键技术在城市群层面，研究结合“三圈、三链”关键技术，提出区域发展的核心空间演变趋势，识别长三角地区创新走廊、魅力空间等的主要特征并给出优化建议，如沪宁合走廊需集聚高端创新要素，强化对廊道外节点的带动作用；G60走廊需集聚产业人群创新要素，培育次位城市；沪苏湖走廊仍需进一步培育，积极发挥生态新经济的优势，促进创新合作与对流。在都市圈层面，“三圈、三链”关键技术支撑了 上海大都市圈空间协同规划中9个城市40个单元的空间协同。基于此提出的多中心、网络化的功能集群优化思路，为国内首个跨省域都市圈规划编制奠定了坚实基础。在城市层面，研究重点剖析都市圈内不同城市人口与经济关联的模型，构建数字画像，形成差异化规划策略与空间响应。同时，将相应技术方法与研究思路应用于长三角生态绿色一体化发展示范区国土空间规划，为国内首个跨省域国土空间规划编制提供了核心技术支撑。5 研究产出成果在核心成果应用方面，将基于人群出行特征的区域空间组织规律分析技术、基于企业数据的区域关联网络分析研究技术、面向区域空间结构优化的数据模型与应用技术等应用于长三角巨型城市区域发展研究新时代长三角一体化发展中长期战略研究等核心课题，并为多项跨省空间协同规划、都市圈规划编制规程、监测指数、研究报告等提供关键技术支撑。在学术产出方面，总结提炼形成专著、论文、知识产权等研究成果。出版经济地理空间重塑的三种力量专著，完成区域化视角下经济地理空间重塑研究博士论文，发表10余篇核心期刊论文，并申请3项知识产权，建设形成国内区域一体化研究的学术品牌。在社会效益方面，受邀在长三角一体化示范区开发者大会等30余场会议作汇报，与新华社联合发布的长三角一体化发展指数单篇阅读量达百万级，获得7项住建部、上海及行业颁发的荣誉奖项。业内院士专家评定后一致认为，研究针对人口高度集聚、经济社会文化高强度交流、人口资源环境紧约束的区域一体化贡献“中国方案”，达到国际领先水平。量得到了国际奥委会、国际滑联的高度认可。基于数字化调控的场地照明、人工环境调控技术，满足了高规格国际冰上赛事要求、为实现最快的冰营造了良好的人工冰场环境（见图1213）。4 项目实施效果项目多项成果经中国钢结构协会、中国测绘学会、中国建筑学会和北京市住房和城乡建设委员会等分别组织多位知名专家参与的科学技术成果鉴定达国际领先水平。获建筑防水行业科学技术一等奖、中国测绘学会科学技术奖一等奖、中国钢结构协会科学技术奖特等奖等行业科学技术奖。工程质量优良，获中国建设工程鲁班奖、中国钢结构金奖杰出工程大奖。经第三方测算，国家速滑馆实现建造阶段减排8.38万吨CO2，环保效益显著，获评绿建三星、绿色建造竞赛一等成果、住房和城乡建设部绿色施工科技示范工程。项目成果获得科技部、运行团队、冬奥工程建设指挥部的高度认可。2022年冬奥会期间，速度滑冰14个小项，刷新了10项奥运会纪录，其中1次打破世界纪录，追平2002年盐湖城冬奥会10项奥运会纪录，并列成为史上诞生速度滑冰奥运会纪录最多的一届冬奥会，被誉为“最快的冰”；北京冬奥会一半以上的记录出自国家速滑馆。2022年1月4日，习近平总书记视察国家速滑馆时强调：冰丝带设计和建设很好贯彻了绿色、共享、开放、廉洁的办奥理念。不仅硬件世界一流，制冰技术也世界领先，实现了低碳化、零排放，称赞场馆建设体现大国工匠精神！注：北京住总集团有限责任公司、北京江河幕墙系统工程有限公司、深圳广晟幕墙科技有限公司同为本项目参与单位。（上接36页）CC