王劍英

“冰絲帶”效果圖

“這個場館非常美麗。”2021年10月，在國家速滑館進行的“相約北京”速度滑冰中國公開賽上，荷蘭運動員克萊依維爾德如此點贊。

國家速滑館有著絢麗、通透的外觀，外墻曲面由低到高盤旋成22條飄逸的絲帶，就像運動員在冰上劃過的痕跡，因此又得昵稱“冰絲帶”。

支撐起建筑絢麗“外衣”的，是一副鋼結構主受力“骨架”，主要包括屋面索網(wǎng)、環(huán)桁架和外側幕墻斜拉索?！肮羌堋彪m由鋼材料打造而成，卻顯得輕靈、飄逸。為了將其打造成無懈可擊的鋼筋鐵骨，設計、制造和施工團隊付出了艱辛的努力，一次次挑戰(zhàn)自我、突破難關。

2021年10月，國家速滑館項目榮獲中國鋼結構協(xié)會科學技術特等獎;2020年5月，它榮獲2019年度中國鋼結構金獎年度杰出工程大獎，這是國內(nèi)鋼結構行業(yè)的最高獎項。

圈內(nèi)人對此評價是：“當之無愧！”

一開始，北京建院復雜結構研究院鋼結構研究所副所長王哲以為外側幕墻就是挑戰(zhàn)所在，“ 做下來才發(fā)現(xiàn)，這個項目沒有簡單的地方”。

力之美

“如果把建筑比喻成一個孩子，那么，建筑師決定他長什么樣，結構工程師為他造骨架，設備工程師為他造器官，電氣工程師為他造血管經(jīng)絡?！蓖跽芨嬖V《瞭望東方周刊》。

王哲是北京市建筑設計研究院有限公司（以下簡稱為北京建院）的一名結構工程師，專注研究“骨子里的城市美”。誕生于1949年的北京建院是我國第一家國有大型民用建筑設計研究機構，其下屬的復雜結構研究院專攻復雜結構設計。王哲現(xiàn)任復雜結構研究院鋼結構研究所副所長，團隊成員30余人，主要工作便是給難度高、非常規(guī)形態(tài)的建筑搭骨架。

鄭方是北京建院的副總建筑師，也是國家速滑館的設計總負責人。2017年，由鄭方牽頭，北京建院成立了近40人的國家速滑館項目組，王哲的鋼結構團隊進駐5人。

在鄭方的設計圖上，速滑館外側幕墻造型是在立面基準線上彎曲4次，形成層疊褶皺，如同天壇層疊的屋頂，因此被稱為天壇曲面，視覺效果自然流暢;不同于天壇的土木結構，它需要用鋼和玻璃實現(xiàn)類似“冰皮”的通透效果。

王哲第一眼盯上的就是設計圖上那“拐來拐去”的天壇曲面：“就結構而言，這不是個合理、高效的受力形態(tài)，屬于‘失穩(wěn)形態(tài)——是個有挑戰(zhàn)的活兒。”

近年來，許多新建索網(wǎng)結構體育場館的外形都是上大下小，形似一個“大碗”，比如鳥巢、蘇州奧體中心等。和它們不同的是，國家速滑館在“碗”的坯子外面，多了一個天壇曲線造型的“冰皮”，用以實現(xiàn)建筑外觀和某些功能。因此，變量更多，建設難度更高。

王哲曾參與世界最大單口徑射電望遠鏡貴州“天眼”和北京大興機場的結構設計，它們都屬于非常規(guī)結構，設計難度等級高。

“從結構難度而言，國家速滑館與貴州“天眼”和北京大興機場有得一拼，某些方面甚至要求更高、更嚴格?！蓖跽苷f。

陳彬磊是北京建院的結構設計總監(jiān)，他如此形容北京建院幾個代表作的結構設計之美：北京大興機場為“極之美”，深圳灣體育中心為“簡之美”，北京小湯山醫(yī)院為“急之美”，商務部大樓改造項目為“變之美”，國家速滑館為“力之美”。

織天幕

一開始，王哲以為外側幕墻就是挑戰(zhàn)所在，“做下來才發(fā)現(xiàn)，這個項目沒有簡單的地方”。

屋面結構是另一大挑戰(zhàn)。

最初，屋面結構設計為桁架方案。對于大跨度空間而言，桁架是首選。大興機場的中央大廳是直徑180米的大跨度無柱空間，驚艷世人。但在結構工程師眼中，大跨度并不難解決，加高桁架的高度即可，這一技術已相當成熟。

國家速滑館屋面南北向跨度198米，東西向124米，桁架的合理高度應為8米-10米。

“那樣的話，建筑整體會被拉高，從扁的‘冰錐形變成胖的‘冰桶形，會變丑，造型受影響太大。”王哲說。

索網(wǎng)結構可以解決這一問題。單根鋼索直徑僅約70毫米，雙索交錯也不過百余毫米，加上其他必要的空間，整個屋面結構高度可控制在0.5米之內(nèi)，與8米-10米相比，這一數(shù)據(jù)令人欣慰。

最終，團隊設計出了世界上跨度最大的單層雙向正交馬鞍形索網(wǎng)的體育館屋面，從南北向拉伸出60根穩(wěn)定索，東西向拉伸出98根承重索，二者雙向縱橫交錯，編織成一張“天幕”，形成屋面“骨架”。

“就像一個羽毛球拍‘繃在了場館上方?！蓖跽艽蛄藗€比方，只不過這個“球拍”不是平面，而是馬鞍形曲面，最高處與最低處落差達18米。

與桁架不同，索網(wǎng)結構屬于預應力結構——鋼索本身是軟的，只有先給它一部分力，才能有“剛度”，承載重量。用王哲的話來說，羽毛球拍的線得先繃緊了，才能打球。

不僅是“天幕”的158根索，還有支撐外側幕墻的120根斜拉索，都需要預先給力繃住，每一根索需要的力度大小各不相同，而“力”與“形”又會相互影響。國家速滑館幾乎全部由三維曲面構成，結構上彼此聯(lián)動，每一根鋼索的受力甚至一個螺栓的定位等都會牽一發(fā)動全身，稍有誤差，都將導致形態(tài)發(fā)生改變或者功能受到影響。

“難”并不意味著無法實現(xiàn)。最終，團隊為這個項目開發(fā)出“多重彈性邊界索網(wǎng)找形方法”，用以解決這些問題。此外，項目中引入的外側帶斜拉索的圈梁索網(wǎng)結構體系，也是在世界建筑場館中的首次應用。

為了保證實操階段萬無一失，設計團隊利用計算機空間建模，將場館建設完整演習了一遍;由于變量多，模擬工況達33956種，僅“天幕”部分的主要工況就超3000種，運算量過于龐大，普通計算機無法滿足需求，需利用超算中心才能完成。王哲說，常規(guī)建筑的工況一般不超過1000種。

由于項目施工復雜，設計團隊需要大量介入施工方案，和施工團隊難免意見不一致。王哲回憶：“過程中大家經(jīng)?！臣堋车枚嗔巳チ?。但每一次都會在數(shù)據(jù)、邏輯和事實面前取得一致。現(xiàn)在嘛，彼此都比較融洽，關系不錯，就像戰(zhàn)友?！?h3>國產(chǎn)索

鋼索最終確定選用高釩密閉索，其強度等級為1570兆帕，即每平方毫米可承受1570牛頓的力。1平方毫米約為普通鉛筆的筆芯橫截面大小，1570牛頓為160公斤物體的重力大小，近3個成年人的重量。

索網(wǎng)方案確定之后，面臨的選擇是：用進口索還是國產(chǎn)索？

當時國內(nèi)還未能生產(chǎn)建筑用的大直徑高強度高釩密閉索，僅有供礦山等領域用的、強度等級為數(shù)百兆帕的小直徑高釩密閉索。

進口索價格高，供貨周期長，而國產(chǎn)索需要科研攻克技術關，但可以借冬奧契機推動國產(chǎn)化，打破發(fā)達國家對市場的壟斷。

建設團隊調研并走訪了多家國內(nèi)具備高釩密閉索生產(chǎn)潛力的企業(yè)，摸清情況后，最終的決定是：用國產(chǎn)索。

北京城建集團總工程師、國家速滑館總工程師李久林是推動這一決定落地的關鍵人物之一。多年前，他亦是推動“鳥巢”所需Q460高強鋼國產(chǎn)化的關鍵人物，我國高強鋼行業(yè)自此呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，對建設節(jié)能減排、科技發(fā)展起到強大助推作用。

最后，河北巨力索具股份有限公司中標，并成功研發(fā)出1570級的高釩密閉索。隨之而來的，同樣是國內(nèi)高釩密閉索產(chǎn)業(yè)的高速增長，進口索價格降低一半以上。

國產(chǎn)索的耐久性如何，是王哲關注的重點，畢竟以前沒有工程案例實踐。而國家速滑館的設計使用壽命為100年。

“冰絲帶”索網(wǎng)全景

疲勞實驗是檢測質量的重要手段。

考慮到單根鋼索可能承受的最大力和最小力，以及最大折角2度等因素，進行200萬次疲勞拉伸測試;模擬現(xiàn)場風、水、氣等環(huán)境因素對樣本進行耐腐蝕性檢測……實驗結果表明，對100年使用壽命預期“可持樂觀態(tài)度”。

王哲介紹，巨力索具科研攻關高釩密閉索，攻克的關鍵技術是將高強度等級的圓形鋼絲拉伸為Z型鋼絲，“巨力往前邁出了創(chuàng)新的一小步，各種因素聚合之下，帶動了行業(yè)的進步，社會意義重大”。

結構設計過程中，超大跨度索網(wǎng)結構解決屋面高度、首次在建筑上實現(xiàn)外側帶斜拉索的結構體系、在鋼索錨固處放置索力保持器以防高溫松弛……創(chuàng)新更是無所不在。

王哲團隊甚至改良了鋼索索夾的結構設計，令原本160公斤重的索夾降為120公斤，場館用到的索夾超1000個，此舉既減輕了屋面重量，又有利于現(xiàn)場施工操作。

在他看來，要往前發(fā)展，就一定得創(chuàng)新?！皠?chuàng)新的結果對社會的影響有多大，我們無法控制;但每一個工程設計，我們都會不停地去創(chuàng)新。對我們來說，創(chuàng)新幾乎成為奧運建設融入骨髓的工作方法?！彼肓讼?，又補充道：“你不讓我創(chuàng)新，我也會去創(chuàng)新。”