王劍英

國(guó)家速滑館屋面索網(wǎng)“天幕”施工建設(shè)場(chǎng)景

北京奧林匹克森林公園南園西北側(cè)，北京2022冬奧會(huì)速度滑冰項(xiàng)目比賽場(chǎng)館國(guó)家速滑館內(nèi)，建設(shè)者們斗志高昂，為即將到來(lái)的測(cè)試活動(dòng)做著最后的準(zhǔn)備。

國(guó)家速滑館有一個(gè)親切的昵稱——“冰絲帶”，因其建筑外立面盤旋著22條晶瑩美麗的“絲帶”狀曲面玻璃幕墻，取形于運(yùn)動(dòng)員高速滑進(jìn)時(shí)冰刀留下的軌跡，22這一數(shù)字則與2022年相呼應(yīng)。

場(chǎng)館的造型美觀、新穎，但將其從效果圖變?yōu)閷?shí)物，建設(shè)、施工難度極高，需突破多項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn);它被業(yè)內(nèi)稱為“世界級(jí)建造難題”，此前被納入這一級(jí)別的，有北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)綜合航站樓、港珠澳大橋等重大工程。

屋面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的成功實(shí)施是攻堅(jiān)克難的典型例證，在國(guó)家速滑館建設(shè)團(tuán)隊(duì)口中，這張索網(wǎng)被稱為“天幕”，這一階段的建設(shè)施工被稱為“編織天幕”。

2020年5月，國(guó)家速滑館斬獲“2019年度中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的最高工程大獎(jiǎng)——中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)年度杰出工程大獎(jiǎng)”，“天幕”的成功“編織”是其主要加分項(xiàng)。

“拿這個(gè)獎(jiǎng)，一方面是專家厚愛(ài)，另一方面，國(guó)家速滑館也當(dāng)之無(wú)愧。”國(guó)家速滑館公司副總經(jīng)理、總工程師李久林對(duì)《瞭望東方周刊》這樣表示。

“當(dāng)之無(wú)愧”的背后，有何不為人知的故事？

挑戰(zhàn)帶來(lái)興奮

2018年2月，李久林正式入駐國(guó)家速滑館項(xiàng)目，所有與工程、技術(shù)相關(guān)的重大問(wèn)題，都由他負(fù)責(zé)。

他曾是2008年“鳥巢”建設(shè)的總工程師?！傍B巢”成為北京奧運(yùn)會(huì)的時(shí)代標(biāo)志，亦成為京城的地標(biāo)建筑，他引以為豪。

“鳥巢”是重型鋼結(jié)構(gòu)建筑，作為主要承重構(gòu)件的桁架柱最大斷面達(dá)25米×20米，高度達(dá)67米，單榀最重達(dá)500噸，其總用鋼量達(dá)4.2萬(wàn)噸。它充滿了陽(yáng)剛美，與對(duì)面輕靈的“水立方”相得益彰。

“水立方”的輕靈質(zhì)感主要由“膜”材料實(shí)現(xiàn)。這次，國(guó)家速滑館要用鋼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輕盈流暢的整體視覺(jué)效果。

與“鳥巢”相較，用更少的鋼材建造一個(gè)更高性能的結(jié)構(gòu)體，這是可持續(xù)、綠色發(fā)展的要求，亦是對(duì)土木工程師們的挑戰(zhàn)——團(tuán)隊(duì)興奮地期待著這場(chǎng)實(shí)踐。

“天幕”有個(gè)頗拗口的專業(yè)術(shù)語(yǔ)：?jiǎn)螌与p向正交馬鞍形索網(wǎng)。可以簡(jiǎn)單理解為，有一個(gè)巨大的羽毛球拍“繃”在了場(chǎng)館的上方，只不過(guò)這個(gè)球拍不是由樹脂纖維制成，而是由粗大的鋼索編織而成，不是平面而是馬鞍形，更直白的類比是“薯片形”。

李久林正式進(jìn)駐國(guó)家速滑館項(xiàng)目后，面臨的第一個(gè)難題是：索網(wǎng)的材料怎么辦？用進(jìn)口索還是國(guó)產(chǎn)索？

國(guó)際上的普遍做法是，大型體育場(chǎng)館的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用高釩密閉索，它結(jié)構(gòu)緊密、表面平滑、防腐性佳、承載力強(qiáng)，但國(guó)內(nèi)此前沒(méi)有生產(chǎn)過(guò)建筑用高釩密閉索，而建筑用索有其特定標(biāo)準(zhǔn)，如抗拉、抗震、抗疲勞、抗腐蝕等。

在國(guó)際市場(chǎng)上，建筑用的高釩密閉索并不難買，“但全世界能做出來(lái)的工廠主要集中在歐美幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家，它屬于被少數(shù)人掌握的卡脖子技術(shù)，像芯片一樣。”李久林說(shuō)，當(dāng)時(shí)已經(jīng)有代理商追著找上門來(lái)，希望用其代理的國(guó)外索。

如何選擇？

不久前，北京市某工程的負(fù)責(zé)人特地來(lái)到國(guó)家速滑館，在登上屋頂實(shí)地考察一番后，回去就決定：“速滑館這么大工程都用了國(guó)產(chǎn)索，我們也一定要用國(guó)產(chǎn)的。”

“優(yōu)先用國(guó)產(chǎn)索”

當(dāng)時(shí)，整個(gè)團(tuán)隊(duì)——包括業(yè)主單位、設(shè)計(jì)單位、總承包單位、監(jiān)理單位等，普遍認(rèn)為應(yīng)“優(yōu)先考慮用國(guó)產(chǎn)索”。

“這和十多年前‘鳥巢建設(shè)用鋼的選擇情景，驚人地相似。”李久林說(shuō)。

十多年前，“鳥巢”建設(shè)伊始，同樣面臨核心材料的選擇難題。

由于“鳥巢”被設(shè)計(jì)為重型鋼結(jié)構(gòu)，且跨度達(dá)333米×297米，南北兩側(cè)有6根柱子受力極大，當(dāng)時(shí)有兩種材料方案：要么用150毫米厚的鋼板，Q345級(jí)別;要么用110毫米厚的高強(qiáng)鋼板，Q460級(jí)別。二者之間相隔Q390、Q420兩個(gè)技術(shù)等級(jí)。

從技術(shù)和綠色建筑角度而言，Q460是更好的選擇。但當(dāng)時(shí)，如果進(jìn)口，國(guó)際市場(chǎng)的供貨周期無(wú)法滿足建設(shè)進(jìn)度，而國(guó)內(nèi)廠家還沒(méi)有生產(chǎn)過(guò)建筑用Q460鋼。

李久林（右）在國(guó)家速滑館施工現(xiàn)場(chǎng)

“鳥巢”建設(shè)周期的各時(shí)間節(jié)點(diǎn)都已經(jīng)被“鎖死”，團(tuán)隊(duì)只能背水一戰(zhàn)：與我國(guó)首家寬厚鋼板生產(chǎn)和科研基地河鋼舞陽(yáng)鋼廠聯(lián)手攻關(guān)，從最基礎(chǔ)的力學(xué)性能開始研究，通過(guò)上百組實(shí)驗(yàn)、上萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)分析研究形成標(biāo)準(zhǔn)，乃至培訓(xùn)工人，最終生產(chǎn)出新中國(guó)第一批建筑用Q460鋼，一次合格。

“鳥巢”建設(shè)所用的700噸Q460鋼全部國(guó)產(chǎn)化，自此以后，央視大樓、北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)等重要工程紛紛選擇國(guó)產(chǎn)Q460鋼，我國(guó)高強(qiáng)鋼行業(yè)呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，對(duì)建設(shè)節(jié)能減排、科技發(fā)展起到了強(qiáng)大的助推作用。

那段激情歲月歷歷在目，最終的成功也給了團(tuán)隊(duì)巨大信心，國(guó)家速滑館最終下決心——用國(guó)產(chǎn)索！

時(shí)間不等人。進(jìn)駐工程1個(gè)多月后，李久林便帶隊(duì)考察了國(guó)內(nèi)最具備生產(chǎn)建筑用高釩密閉索能力的3家工廠，摸清基本情況。3家工廠均摩拳擦掌，表達(dá)了強(qiáng)烈的愿望，希望利用國(guó)家建設(shè)冬奧工程的平臺(tái)，打開國(guó)產(chǎn)索的建筑應(yīng)用市場(chǎng)。

2018年5月，河北巨力集團(tuán)中標(biāo)，以最大力量組織科研和生產(chǎn)，隨后建設(shè)起國(guó)內(nèi)第一條相關(guān)生產(chǎn)流水線;5個(gè)月后，第一車成品索到達(dá)國(guó)家速滑館施工現(xiàn)場(chǎng)。

2019年3月，“天幕”編織工作順利完工，屋面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)完美呈現(xiàn)。

過(guò)程中，有一個(gè)細(xì)節(jié)給李久林留下了深刻印象：巨力集團(tuán)中標(biāo)后，仍有國(guó)內(nèi)生產(chǎn)索的企業(yè)負(fù)責(zé)人主動(dòng)表態(tài)：“我們?cè)敢猱?dāng)備胎，隨時(shí)候補(bǔ)。如果他們不行，我們上！”

“本來(lái)他們屬于競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，為了突破難點(diǎn)，能有這樣的情懷，令人感動(dòng)！”李久林說(shuō)。

國(guó)家速滑館用上了國(guó)產(chǎn)索，這一消息迅速在行業(yè)內(nèi)引發(fā)震蕩：上海浦東足球場(chǎng)、三亞體育中心等在建大型場(chǎng)館均紛紛選擇國(guó)產(chǎn)索。

不久前，北京市某工程的負(fù)責(zé)人特地來(lái)到國(guó)家速滑館，在登上屋頂實(shí)地考察一番后，回去就決定：“速滑館這么大工程都用了國(guó)產(chǎn)索，我們也一定要用國(guó)產(chǎn)的?！?/p>

據(jù)了解，現(xiàn)在，越來(lái)越多國(guó)內(nèi)廠家具備生產(chǎn)高釩密閉索的能力，這推動(dòng)了整個(gè)國(guó)際市場(chǎng)上高釩密閉索價(jià)格水平和供貨周期的回落。

趙炳陶（右）在國(guó)家速滑館建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)

“這個(gè)東西原來(lái)是高高在上的，因?yàn)橹袊?guó)制造的力量，只能靠國(guó)外進(jìn)口的局面得以改變?！崩罹昧中牢勘硎尽?/p>

國(guó)家速滑館公司工程部的工程師趙炳陶則說(shuō)：“一個(gè)行業(yè)相當(dāng)于一張大網(wǎng)，很難實(shí)現(xiàn)齊頭并進(jìn)，必須有一個(gè)‘點(diǎn)去牽引著向前，高釩密閉索的突破就是這樣一個(gè)點(diǎn)。很幸運(yùn)能遇上這樣一個(gè)點(diǎn)?！?h3>從“買豆腐”到“研究種大豆”

推動(dòng)高端材料國(guó)產(chǎn)化體現(xiàn)了國(guó)家速滑館建設(shè)團(tuán)隊(duì)的情懷，但李久林說(shuō)，“如此重大的國(guó)家工程，光有情懷可不行?！?/p>

國(guó)家速滑館是北京2022冬奧會(huì)新建標(biāo)志型競(jìng)賽場(chǎng)館，且為永久性場(chǎng)館，要成為我國(guó)冬奧質(zhì)量的標(biāo)桿之作，“一開始就是奔著建筑行業(yè)最高獎(jiǎng)魯班獎(jiǎng)去的，”李久林說(shuō)。

采用國(guó)產(chǎn)索，做第一個(gè)吃螃蟹的，壓力巨大，實(shí)操階段必須保證萬(wàn)無(wú)一失;此外，建設(shè)工期緊張，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員眾多，任何環(huán)節(jié)都經(jīng)不起“重來(lái)一次”。團(tuán)隊(duì)只有以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)步驟將各種風(fēng)險(xiǎn)一一清除。

在高釩密閉索的科研攻關(guān)階段，設(shè)置了三道平行的監(jiān)測(cè)關(guān)卡以嚴(yán)格把控：巨力集團(tuán)自身的質(zhì)量控制體系、國(guó)家速滑館建設(shè)專家團(tuán)隊(duì)和第三方獨(dú)立專業(yè)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)，相當(dāng)于“上了三重保險(xiǎn)”。檢測(cè)及監(jiān)測(cè)覆蓋了科研攻關(guān)的全過(guò)程，包括鋼絲的拉絲、強(qiáng)化、鍍層、編繩……甚至是原材鋼絲的源頭選擇。

李久林曾在團(tuán)隊(duì)內(nèi)部打趣說(shuō)：“本想在市場(chǎng)上買盒豆腐回來(lái)，沒(méi)想到自己開始研究種大豆了?！?/p>

核心材料問(wèn)題解決了，但“編織天幕”的過(guò)程此前沒(méi)有現(xiàn)成經(jīng)驗(yàn)，仍屬于摸著石頭過(guò)河。

在國(guó)家速滑館停車場(chǎng)，一個(gè)已經(jīng)被拆成幾大塊的鋼模型靜靜躺在角落里。每次路過(guò)，趙炳陶都親切稱它“小家伙”。

“小家伙”其實(shí)不算小，尺寸22.5米×17.5米，是按照國(guó)家速滑館的建筑骨架，以1：12的比例做出來(lái)的實(shí)體模型，由浙江大學(xué)空間結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)制作，主要目的就是為了在“天幕編織”階段，從施工可行性到受力性能，對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行全方位反復(fù)驗(yàn)證。

在此之前，另一支小分隊(duì)已經(jīng)利用計(jì)算機(jī)空間建模，將速滑館建造過(guò)程完整地演習(xí)了一遍，“編織天幕”階段模擬了一千多種可能出現(xiàn)的工況，由于運(yùn)算量過(guò)于龐大，普通計(jì)算機(jī)無(wú)法滿足需求，需利用超算中心才能完成。

計(jì)算機(jī)模擬分析，實(shí)體模型仿真，都是為了盡量將可能出現(xiàn)的問(wèn)題“扼殺在搖籃里”。此外，實(shí)操推進(jìn)的每一步都采取了協(xié)同辦公和聯(lián)合驗(yàn)收機(jī)制：每天早上9點(diǎn)，設(shè)計(jì)方、監(jiān)理方、總包方、分包施工方、第三方監(jiān)測(cè)方和廠家代表準(zhǔn)時(shí)開會(huì)，分析上一步的結(jié)果，根據(jù)內(nèi)業(yè)資料和現(xiàn)場(chǎng)情況聯(lián)合驗(yàn)收，任何一方發(fā)現(xiàn)問(wèn)題先解決，待各方全部簽字確認(rèn)之后才能通過(guò)，再部署下一步。

為了節(jié)省時(shí)間、滿足工期，實(shí)操階段采用了平行施工：施工現(xiàn)場(chǎng)仿佛成了一個(gè)巨大的汽車組裝廠。

傳統(tǒng)土木建筑有句行話：“齊不齊，一把泥。”但這句話不適用于此，因?yàn)檫@是一個(gè)“精細(xì)活”。

“這么大體量的土木工程，真正實(shí)現(xiàn)了像建造汽車一樣來(lái)造一個(gè)建筑?！崩罹昧指锌?，它必須有汽車一樣的毫米級(jí)精度：鋼索上面安裝了1000多個(gè)傳感器，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)傳到后臺(tái)，采用智能機(jī)器人實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的高精度控制。

顏值巔峰

2018年12月28日，一個(gè)令趙炳陶難忘的日子。

兩年后，他依然清楚地記得那天出奇的冷，零下十幾度還刮著風(fēng)，但大家情緒高昂，因?yàn)檫B續(xù)數(shù)月的智慧加汗水艱辛付出后，沖鋒號(hào)吹響了，“天幕”正式進(jìn)入提升張拉階段——“羽毛球拍”在地面組裝完畢，開始往屋頂“提升”了。

“這不是一張普通的網(wǎng)，很不容易！”趙炳陶感嘆。

這是世界最大跨度的正交雙向單層馬鞍形索網(wǎng)，198米×124米的結(jié)構(gòu)體量，鋼索總長(zhǎng)度20410米，總重量968噸;其中東西向?yàn)?8根承重索，單索直徑64毫米，南北向?yàn)?0根穩(wěn)定索，單索直徑74毫米，雙向縱橫交錯(cuò)。

“這么大體量的土木工程，真正實(shí)現(xiàn)了像建造汽車一樣來(lái)造一個(gè)建筑。”李久林感慨，它必須有汽車一樣的毫米級(jí)精度：鋼索上面安裝了1000 多個(gè)傳感器，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)傳到后臺(tái)，采用智能機(jī)器人實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的高精度控制。

如此大面積且有韌性的一張鋼索網(wǎng)，采用地面編索、整體提升、同步張拉的措施。屋頂不是平面，最高處33.8米，最低處15.8米，落差18米。提升過(guò)程中要實(shí)現(xiàn)平面到馬鞍形的完美變形;每一條鋼索的受力變化，都牽一發(fā)動(dòng)全身，為保證索網(wǎng)整體安全、準(zhǔn)確到達(dá)預(yù)定位置，必須確保每根索的索力同步、均勻增長(zhǎng)，確保整體受力均衡。

這樣的施工在國(guó)內(nèi)沒(méi)有先例，難度首屈一指。

為了這次提升張拉，184臺(tái)不同型號(hào)的千斤頂、98臺(tái)油泵、14臺(tái)泵站、158套工裝、11臺(tái)25噸汽車吊、6臺(tái)直臂車和1套同步控制系統(tǒng)一齊上陣——在同一個(gè)項(xiàng)目中使用如此多設(shè)備，在國(guó)內(nèi)亦屬首次。

“天幕”的提升張拉共進(jìn)行了3個(gè)月。2019年1月29日，完成提升;3月19日，完成張拉;4月26日，完成鎖定。經(jīng)檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，鋼筋鐵骨“天幕”工程完美收官。

收官那天傍晚，金色的落日余暉灑在巨大的銀色“天幕”上，反射出柔美的光暈，趙炳陶從場(chǎng)館下方凝視這壯觀的景象，感受自然之美與人工之美的相互輝映，腦海中自動(dòng)升起了一個(gè)詞：“結(jié)構(gòu)的顏值巔峰”。這位理工男打起了一個(gè)文藝的比方：“鳥巢”好比少林寺，剛猛范兒;速滑館好比武當(dāng)派，飄逸范兒。

“天幕”工程如此艱巨且無(wú)先例，核心材料高釩密閉索在國(guó)內(nèi)還得科研攻關(guān)，那為何要選擇索網(wǎng)這一方案？有沒(méi)有別的替代方案？

李久林解釋，除了索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還對(duì)比了其他方案：鋼桁架和網(wǎng)架方案。從超大跨度而言，桁架和網(wǎng)架更為成熟，但屋頂厚度會(huì)高達(dá)8米-10米，且“冰絲帶”的完美造型難以實(shí)現(xiàn);索網(wǎng)則更加輕盈，用鋼量?jī)H為桁架的四分之一，且節(jié)省了幕墻和空調(diào)運(yùn)行的費(fèi)用，這種方式實(shí)現(xiàn)了用材、造價(jià)、安全性、建筑效果、可維護(hù)性等各方面綜合最優(yōu)效果。

2020年5月，喜訊傳來(lái)，國(guó)家速滑館以最高分148.5分榮獲 “2019年度中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)年度杰出工程”大獎(jiǎng)，這是國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的最高獎(jiǎng)項(xiàng)，每年不超過(guò)3個(gè)。此前獲得年度杰出工程大獎(jiǎng)的還有北京大興機(jī)場(chǎng)綜合航站樓、中國(guó)尊大廈等項(xiàng)目。

以中國(guó)工程院院士聶建國(guó)為首的12位現(xiàn)場(chǎng)評(píng)審專家一致認(rèn)為，國(guó)家速滑館工程團(tuán)隊(duì)通過(guò)智慧建造進(jìn)行科技攻關(guān)，完美解決了高性能鋼材應(yīng)用、鋼結(jié)構(gòu)滑移、索結(jié)構(gòu)應(yīng)用等眾多技術(shù)難題，其建設(shè)質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

現(xiàn)在，國(guó)家速滑館已完成了“精耕細(xì)作”“拔地而起”“編織天幕”“絲帶飛舞”和“最快的冰”五個(gè)建設(shè)階段，建設(shè)團(tuán)隊(duì)正全力打造“智慧的館”，為這處冬奧新場(chǎng)館、首都新地標(biāo)的最終揭幕貢獻(xiàn)力量。