冰雪盛宴中的混凝土力量
第24屆冬奧會正在如火如荼地進行中。
流暢大氣的“冰絲帶”、偉岸的鋼結(jié)構(gòu)“鳥巢”和靈動的膜結(jié)構(gòu)“水立方”共同組成北京這座世界首個“雙奧之城”的標(biāo)志性建筑群。
在這場舉世矚目的冰雪盛宴中,綠色低碳與高科技是“壓艙石”。其中,混凝土的多項科技創(chuàng)新成果圓滿地構(gòu)筑出了冬奧工程的“經(jīng)脈”與“骨骼”。一個個冬奧工程的華美英姿下面,都有一副強健的“臂膀”在支撐著,那便是來自混凝土的力量。
特種混凝土制成“冰絲帶”的堅強“內(nèi)核”
作為亞洲建造最大冰面的技術(shù)支撐,“冰絲帶”工程大面積采用特種混凝土。建設(shè)中主要采用了3 種特種混凝土:抗凍混凝土、補償收縮混凝土和自密實混凝土。
“冰絲帶”即國家速滑館,是北京冬奧工程中的“驕子”。絲帶飛揚,連通世界。“冰絲帶”彰顯了中國建筑行業(yè)的先進水平,其智能建造及智慧場館技術(shù)標(biāo)志著土木工程正向信息化、數(shù)字化發(fā)展,這為全球基礎(chǔ)設(shè)施和重大工程建設(shè)提供了經(jīng)驗,起到了推廣示范作用。北京冬奧會期間,“冰絲帶”主要承擔(dān)速度滑冰比賽和訓(xùn)練項目。“冰絲帶”,寓意冰和速度的結(jié)合,與另外兩個重要建筑“水立方”“鳥巢”相呼應(yīng),形成“水”“火”“冰”的質(zhì)感對比。
“冰絲帶”建筑面積約8萬平方米,其建筑結(jié)構(gòu)體系主要由屋頂索網(wǎng)、環(huán)桁架、斜拉索和混凝土結(jié)構(gòu)組成。2018年9月30日,由北京城建集團施工總承包的2022年冬奧會北京賽區(qū)標(biāo)志性工程——國家速滑館工地9.7萬平方米的混凝土結(jié)構(gòu)提前兩天實現(xiàn)封頂目標(biāo),為后期工程目標(biāo)奠定了堅實的基礎(chǔ)。
“冰絲帶”結(jié)構(gòu)工程分為混凝土結(jié)構(gòu)、鋼環(huán)桁架結(jié)構(gòu)、幕墻結(jié)構(gòu)和屋面索網(wǎng)結(jié)構(gòu),其中混凝土結(jié)構(gòu)被稱為“內(nèi)核”,類似于人的骨骼。
作為亞洲建造最大冰面的技術(shù)支撐,“冰絲帶”工程大面積采用特種混凝土。建設(shè)中主要采用了3種特種混凝土。
一是抗凍混凝土。在低溫環(huán)境下,凍融破壞會造成混凝土開裂、剝落,是影響混凝土耐久性的主要因素。在混凝土中摻入適量鋼纖維,可提高混凝土的抗裂能力,達到改善凍融性能的效果。因此,在國家速滑館冰下地面建造過程中使用了特種CF50P8F250鋼纖維抗凍混凝土。
二是補償收縮混凝土。用膨脹劑配制補償收縮混凝土是減少混凝土結(jié)構(gòu)開裂的重要措施之一,國家速滑館工程空間尺度大,易產(chǎn)生開裂問題,因此要大量采用補償收縮混凝土。
三是自密實混凝土。這項工程部分設(shè)計為大截面復(fù)雜異形勁性結(jié)構(gòu),混凝土澆筑較困難,設(shè)計時采用了自密實混凝土。自密實混凝土由于組分更加復(fù)雜,其力學(xué)性能有別于普通混凝土,因此施工工藝也在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上進行了改進。工程中的底板、外墻、頂板梁全部采用補償收縮混凝土;競賽場地比賽區(qū)域采用抗凍等級高達F250的抗凍混凝土;同時,競賽場地比賽區(qū)域中每個制冰單元之間左右各2米還使用了抗凍鋼纖維混凝土。在8.9萬立方米的地下結(jié)構(gòu)混凝土用量中,特殊混凝土占比90%以上。
水泥廢樁頭造看臺 泡沫混凝土鋪路基
“冰絲帶”在建造過程中,首次應(yīng)用了綠色再生混凝土,將“冰絲帶”基礎(chǔ)灌注樁剔鑿下來的混凝土樁頭在北京首鋼資源綜合利用科技開發(fā)有限公司加工為再生骨料。再生骨料經(jīng)過通過精心的配合比設(shè)計和嚴控質(zhì)量,成為C45再生混凝土,用其生產(chǎn)的清水混凝土使看臺構(gòu)件質(zhì)量得到了保證。從“冰絲帶”的基礎(chǔ)工程中走出,又變身再生混凝土重新回到“冰絲帶”,這種方式的循環(huán)利用在國內(nèi)尚屬首次。
“冰絲帶”不僅在外觀上具有非常鮮明的標(biāo)志性,更重要的是在科技、綠色、節(jié)儉辦奧運方面具有新時代體育場館的引領(lǐng)性作用。“冰絲帶”的輕型屋蓋系統(tǒng),長跨約200米,短跨約130米,用鋼量僅有傳統(tǒng)屋蓋系統(tǒng)的1/4。對水泥廢樁頭進行回收再利用,轉(zhuǎn)化成制作看臺的原材料。同時,“冰絲帶”所采用的看臺板為國內(nèi)首例弧線清水混凝土看臺板,預(yù)制看臺構(gòu)件雖然尺寸多樣、弧度多變,但卻嚴絲合縫地拼裝成為一個宏大的看臺;環(huán)桁架安裝的同時,土建和鋼結(jié)構(gòu)施工同步進行,為總進度目標(biāo)的實現(xiàn)打下了基礎(chǔ)。環(huán)桁架整體滑移所用的支撐體系,周轉(zhuǎn)于北京大興國際機場等建設(shè)項目,以后還可以再次投入新的建設(shè)項目中,并在生命周期內(nèi)反復(fù)利用。這些高效、環(huán)保的新技術(shù)、新工藝是“冰絲帶”建設(shè)不斷刷新“冬奧速度”的關(guān)鍵。
“冰絲帶”預(yù)制看臺在“鳥巢”的基礎(chǔ)上無論從主體板型、主受力節(jié)點、采用標(biāo)準和工法等多個方面,還是在整體效果、結(jié)構(gòu)安全、功能、綠色生產(chǎn)與施工和安裝等方面都有突破性提升。同時,“冰絲帶”在建造過程中,秉承“科技、智慧、綠色、節(jié)儉”的理念,首次應(yīng)用了綠色再生混凝土,將“冰絲帶”基礎(chǔ)灌注樁剔鑿下來的混凝土樁頭在北京首鋼資源綜合利用科技開發(fā)有限公司加工為再生骨料。再生骨料經(jīng)過通過精心的配合比設(shè)計和嚴控質(zhì)量,成為C45再生混凝土,用其生產(chǎn)的清水混凝土使看臺構(gòu)件質(zhì)量得到了保證。從“冰絲帶”的基礎(chǔ)工程中走出,又變身再生混凝土重新回到“冰絲帶”,這種方式的循環(huán)利用在國內(nèi)尚屬首次,樹立了國內(nèi)工程建筑垃圾的閉鏈再生應(yīng)用的典范。這一技術(shù)的應(yīng)用,一方面可以大量利用廢舊混凝土,減少建筑業(yè)對天然骨料的消耗;另一方面還可以減輕混凝土廢棄物造成的生態(tài)環(huán)境惡化的問題。同時,為實現(xiàn)工程整體綠建三星目標(biāo)打下堅實的基礎(chǔ)。
全長約42.2公里的冬奧會重點保障工程興延高速公路總體呈南北走向,南起北京西北六環(huán)路雙橫立交,北至京藏高速營城子立交收費站以北。線路主要途經(jīng)昌平區(qū)、延慶區(qū)。其中,全長2600多米的白羊溝特大橋和1200多米的梯子峪隧道也是極具挑戰(zhàn)的重點控制性工程。
在道路施工過程中,專門采用循環(huán)利用的方法,把隧道排出的礦山水廣泛用于工地降塵、混凝土養(yǎng)護等;在山頭爆破時,創(chuàng)造性地采用高壓揚程水泵,大大降低了沙塵污染;此外,還通過集中儲存,把隧道洞門、山體等挖掘的優(yōu)良土壤歸類放置,工程完工后,在復(fù)墾時再運回田地。技術(shù)小組還引進推行輕質(zhì)氣泡混凝土用于路基施工,不僅施工速度快,確保了路基強度等設(shè)計要求,而且施工靈活,實現(xiàn)了節(jié)能目標(biāo)。
“水立方”與“冰立方”的奇妙轉(zhuǎn)換
從木箱、鋁板到混凝土支撐面板,從腳手架到鋼結(jié)構(gòu)支撐體系,團隊經(jīng)過近3年的反復(fù)比較斟酌,最終薄壁H型鋼和輕質(zhì)混凝土預(yù)制板的搭建方式,得到了國際冰壺協(xié)會的認可。終于,由2600多根鋼構(gòu)件和1500多塊混凝土預(yù)制板支撐起的冰壺場地驚艷亮相。
“水立方”是北京奧運會的標(biāo)志性建筑之一,游泳運動員曾在這里打破過21項世界紀錄,被稱為世界上最快的游泳池。但在北京冬奧會上,曾驚艷世界的奧運場館“水立方”變身“冰立方”,作為冰壺等項目的比賽場地。由此,“水立方”也成為世界首個實現(xiàn)“水冰轉(zhuǎn)換”的場館。
眾所周知,水與冰是同一個物質(zhì),但卻是兩種形態(tài)。如何在保有“水立方”水上功能的基礎(chǔ)上,不破壞游泳池“一磚一瓦”,實現(xiàn)場館的可持續(xù)利用?答案是需要改造。根據(jù)改造方案,國家游泳中心改造涉及建筑、結(jié)構(gòu)、防水、膜維修等工程領(lǐng)域,約70個獨立施工區(qū),5萬平方米的改造面積。其中,改造中最大的難點在于保有“水立方”水上功能的基礎(chǔ)上新增冰上功能的“水冰轉(zhuǎn)換”,即在比賽大廳中部通過搭建可轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及安裝可拆裝制冰系統(tǒng),形成具有4條標(biāo)準賽道的冰壺場地。
“冰立方”項目最終選擇了鋼結(jié)構(gòu)加輕質(zhì)混凝土預(yù)制板結(jié)構(gòu)體系。
在泳池里“搭架子”看似簡單,但這套冰場可轉(zhuǎn)換鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計考量和安裝精度十分精密。如何保證冰面在穩(wěn)定牢固的同時,還能達到冬奧會比賽要求?秘密就藏在支撐冰面的可轉(zhuǎn)換鋼結(jié)構(gòu)中。
這套鋼結(jié)構(gòu)由2600根3米高、2米長的薄壁H型鋼搭建而成,每根梁柱裝有柱腳,每個連接點裝有可拆卸高強度螺絲,確保鋼架堅固結(jié)實。架體搭設(shè)完畢后,施工團隊進行了荷載試驗,最終試驗結(jié)果顯示,每平方米增加1噸的荷載,鋼結(jié)構(gòu)的最大變形僅有1.6毫米,符合3毫米以內(nèi)的設(shè)計要求。作為支撐冰面“骨架”的一部分,制冰基礎(chǔ)層施工也十分重要。首先要在混凝土預(yù)制板面上鋪一層PE膜,然后再鋪兩層擠塑保溫板,保溫板之上再鋪一層PE膜和抗滑移層,最上一層便是制冰管架。
沒有可供借鑒的先例,全部靠自己探索創(chuàng)新。從木箱、鋁板到混凝土支撐面板,從腳手架到鋼結(jié)構(gòu)支撐體系,團隊經(jīng)過近3年的反復(fù)比較斟酌,最終薄壁H型鋼和輕質(zhì)混凝土預(yù)制板的搭建方式,得到了世界冰壺聯(lián)合會的認可。終于,由2600多根鋼構(gòu)件和1500多塊混凝土預(yù)制板支撐起的冰壺場地驚艷亮相。為了保障它的平穩(wěn)運行,設(shè)計團隊還在鋼結(jié)構(gòu)中安裝了功能各異的傳感器,它們就像人的觸覺神經(jīng),用來評估場地各項性能。通過一系列的舉措,最終可實現(xiàn)冰壺場館比賽大廳確保任何熱負荷條件下,冰壺賽道冰面溫度達到-8.5℃,冰面以上1.5米處溫度保持在10℃,相對濕度不超過30%,看臺溫度16~18℃,實現(xiàn)室內(nèi)高大空間溫度的分區(qū)調(diào)控,既滿足了冰壺比賽環(huán)境的需要,又為觀眾營造了舒適的觀賽環(huán)境。
這種轉(zhuǎn)換模式不僅實現(xiàn)了“水立方”與“冰立方”互換,還實現(xiàn)了轉(zhuǎn)換材料重復(fù)利用,大幅降低后期拆除改造成本。特別要點贊綠色、節(jié)能、智能化的“冰立方”的骨骼脈絡(luò)。國家游泳中心是典型的外柔內(nèi)剛,外部只看到充氣薄膜,好像弱不禁風(fēng),而支撐這些薄膜的則是堅實的鋼結(jié)構(gòu),里面觀眾看臺和室內(nèi)建筑物為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。就這樣,地上部分的鋼結(jié)構(gòu)與地下部分的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形成一個牢固的整體。正是靠著優(yōu)越的結(jié)構(gòu)形式和良好的整體性,“水立方”才擁有了“過硬的身體”,達到了抗震8級烈度的標(biāo)準。
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