众巧匠构筑精品 “冰丝带”续写传奇——国家速滑馆工程施工侧记

文 / 宋伟莎 刘时新 曹馨月

2018年1月16日是一个载入北京城建集团史册的日子：北京城建集团以联合体身份中标冬奥会标志性场馆——国家速滑馆PPP项目。北京城建集团紧握机遇，成为全球首个既建造夏奥会主场馆又建造冬奥会主场馆的建筑工程总承包商。

2020年5月17日是一个让国家速滑馆项目团队备受振奋的日子：工程以148.5分的年度最高分获得中国钢结构金奖年度杰出工程大奖。

对标“鸟巢”，超越“鸟巢”。进场第一天，“双奥”总工李久林便为“冰丝带”定下建设标准。在此后的800多个日日夜夜里，北京城建集团工程总承包部项目团队以敢为人先的担当、只争朝夕的实干、善于突破的智造，精心编织“冰丝带”，续写奥运建筑传奇，奉献一座见证中国发展、彰显城建力量的时代丰碑。

城建担当 成就创新高度

2018年1月，国家速滑馆公司副总经理、总工程师、北京城建集团副总工程师李久林面对质疑，大胆提出在国家速滑馆（以下简称速滑馆）索网施工中应用国产高钒密闭索的主张。“生产高钒密闭索在国内有技术储备，缺的是验证国产索可行性的载体，就看谁肯迈出第一步。”在李久林看来，生逢伟大时代，能够建设伟大工程，就得扛起责任、担起风险，勇做第一个吃螃蟹的人！

他们在对国产高钒密闭索应用历史、技术能力等进行摸底过程中发现，随着国内加工高钒密闭索的渐进发展，只要能做出索体外层的Z型钢丝，就能突破高钒密闭索国产化的瓶颈了。

把准痛点，精准出击。优化Z型钢丝拉丝技术指标、攻关拉丝模具……项目团队与河北巨力联合开展技术攻关，仅用3个月便突破核心瓶颈，研制出第一根试制索。对试制索开展弹性模量试验、静载破断试验、索夹滑移试验、Z型钢丝特性相关试验等，还专门聘请独立的第三方检验机构对钢索加工的每道工序进行平行检验，验证了国产索的安全性和可靠性。

1. 安装完成的玻璃幕墙

2. 锁网屋面单元式金属铝板施工配重水桶

3. 屋面防水施工

为控制索体成型质量，在进行钢索加工时，项目部派专人驻厂，从原钢来源，到Z型钢丝拉丝全过程，到最终的索体成型等进行全过程监督，最终总长20450米的钢索全部一次成型。从2018年10月21日第一车高钒密闭索运入施工现场，到2019年3月19日索网张拉完成，敢为人先的担当和尝试使国产高钒密闭索在国内大型场馆中成功首次应用，填补了国内技术空白。

对标“鸟巢”，创新的步伐不止于此。

2018年6月15日，当首件预制弧形看台板在构件厂通过验收，看台工程负责人蔡亚宁难掩内心的激动。得益于“鸟巢”看台板经验的积累，速滑馆看台板“青出于蓝而胜于蓝”：实现变直为曲，所有曲线之处都做成了弧形，与灵动的“冰丝带”极为贴切。“不仅如此，速滑馆1911块看台板全部为预制，还做了大量预留预埋，我们还把桩基施工时剔凿下来的桩头粉碎制成再生骨料，用作看台板原料，实现在项目的闭环绿色应用。”蔡亚宁说，每块看台板安装用时不超半小时，整体误差低于2毫米，国内预制混凝土行业质量再一次实现突破。

平行施工 “织”出冬奥速度

从2018年1月22日进场开始桩基施工，到2020年1月24日除夕亮灯迎新春，项目团队仅用24个月便先后实现“冰丝带”的精耕细作、拔地而起、天幕编织和丝带飞舞，创造出卓尔不群的冬奥速度。这背后是城建铁军只争朝夕的昼夜奋战，更得益于基于平行施工的高效高精度建造。

国家速滑馆总建筑面积9.7万平方米，要用2年时间完工，工程体量不大，但结构异常复杂：8500吨超大跨度钢结构环桁架、全球跨度最大的单层双向正交马鞍形索网结构、3360块玻璃幕墙拼出自由流畅的天坛形曲面“外衣”、1080块单元式屋面板与索网完美拟合、1.2万平方米的亚洲最大冰面……

“速滑馆各施工环节环环相扣、施工精度要求极高，正常情况下得在土建结构完工后进行钢结构环桁架施工，环桁架拼装完、现场实测实量后，才进行索的加工和施工，但若这样按部就班地施工，工期得增加6个月，时间不允许。”项目经理张怡说，在进行地上土建结构施工的同时，开展钢结构、索结构的材料加工和正式施工，这种土建、钢、索结构平行施工的方式是与时间赛跑的“制胜法宝”。

基于平行施工思路，项目部将BIM技术、仿真分析与装配式相结合，实现对钢、索等的工厂加工、现场组装，在施工现场实现与造汽车一样造场馆的智慧建造，以“南北两侧原位吊装、东西两侧整体滑移”方式让8500吨钢结构环桁架快速就位，以“地面编网、整体提升、整体张拉”方式把158根钢索精准织成“天幕”。

基于BIM模型，对钢结构环桁架在不同焊接温度、自重、滑移、卸载等因素下变形量进行仿真分析，计算出变形值，在加工和施工时弥补变形，确保施工达到设计精度；对索网结构施工进行全过程仿真分析，确定每个关键施工步骤对应的索力、球铰支座滑动轨迹、变形等关键技术参数理论值，为索的加工和施工监测提供依据……地下结构施工期间，4个月的时间里，BIM建模、仿真计算分析、方案论证成为技术团队的“主旋律”，钢结构、索结构技术难点逐个攻破、施工方案逐步确定。

1. 施工人员安装直立锁边金属屋面板T型码

2. 工人进行球铰支座焊接，锁定钢结构环桁架

然而，对于提前开始索的加工，项目团队仍有顾虑：万一加工出的钢索长度与实际需要不符、有误差怎么办？

在一次次方案论证中，项目团队和厂家联合研发出一种索长误差消纳机制：在每根索的两端安装像套筒一样的调节螺杆，每端都可通过调整调节螺杆对索长进行10公分的微调，以此消除实测实量后存在的索长误差。

2018年7月到11月，如果能在30多米的高空俯瞰2万平方米的施工现场，以椭圆形的混凝土框架为空间分界线，场内、场外平行施工拼出的速度一目了然：

地上混凝土框架昼夜抢工时，场外东西车库顶板上钢结构环桁架拼装及滑移胎架搭设井然有序、场内预制看台板吊装见缝插针；地上混凝土结构全部完工时，场外东西两侧环桁架拼装完成即将开始滑移、场内预制看台板吊装接近尾声；场外环桁架滑移过半时，框架上南北两侧环桁架吊装过半，场内开始地面编索；环桁架成功合龙对接成椭圆形整体时，地面编索完成，即将开始索网提升张拉……

场内场外平行施工、时间空间无缝衔接，整个施工现场如同一个区域分工明确的总装厂，仅用4个月就完成原本按照顺序施工需10个月的工程量。

城建方案 提供克难范例

钢铁“巨龙”高低轨接力滑移

2018年11月16日，两段长181.9米、宽40.5米的环桁架如同“巨龙”盘踞在东西车库顶板，即将与已原位拼装成形的南北两侧环桁架“会师”。

上午9时，天公作美，天朗气清。16个液压千斤顶如同液压机器人同时发力，推动西侧环桁架以每秒0.5毫米的速度向前滑移。庞然大物的动作可谓“惊天动地”，初见这种阵势的人都捏着一把汗。而原项目生产副经理、曾参与“鸟巢”钢结构施工的高树栋却成竹在胸。

此前，项目部已对环桁架、滑移胎架、滑移轨道、轨道支撑架等滑移方案进行严密的模拟仿真计算。平行施工思路下，东西两侧各2750吨重的环桁架将分别分两段滑移到位。

“第一段是低空轨道滑移，由胎架拖着环桁架在位于地面的轨道上滑移，东西两侧各滑移18米和58米；第二段是高空轨道滑移，胎架留在主体结构外，环桁架在高空轨道单独滑移到主体结构上，东西两侧各滑移29米。”高树栋说这是国内首次以高低空接力方式进行的一次滑移，这种方式既能规避在东西车库顶板大量安装高空胎架承载力不够的难题，又能节省支撑材料的用量。

环桁架平滑移动、在高低空轨道顺畅过渡、平稳落位后精准合龙，是高树栋关注的重中之重。“同步性是整个滑移的核心，既关乎滑移精度，也关乎滑移安全。”高树栋说，为确保滑移同步性，项目部设立了双保险：通过位移传感器实时监测滑移进度并进行微调；通过全站仪实时检测各测点移动数值，在每条轨道上每隔5公分标记刻度线，每滑移一步进行一次微调，每滑移10米后暂停滑移，用全站仪进行一次全方位的校核和调整。

滑移期间，一拨人紧盯千斤顶数控中心，一拨人拿着全站仪、钢卷尺在环桁架下测量，成为冬日里确保庞然大物前进精度的最美身影。

采取沙箱卸载方式在8个点位同步卸载，确保环桁架平稳均匀下降；在每个合龙口设置约10米长的嵌补分段，在卸载完成后现场吊装，为弥补误差留出调节空间……7天滑移，7天卸载，2018年11月30日，当最后一根杆件精准就位，8500吨环桁架成功合龙，合龙口间隙不超过1公分，构件错边不超过2毫米，精度超乎项目部想象。

但这时的钢结构还不算完全意义上的施工完成：安装在48根劲性柱顶部，连接劲性柱与环桁架的48个球铰支座还未焊死，环桁架尚未锁定形成固定形态。

“除长轴方向4个球铰支座有限位措施限定移动范围外，其他球铰支座在水平方向是可以自由滑动的。”原项目总工程师史自卫说这种巧妙的设置主要是考虑到索结构、钢结构和劲性柱之间力的传导，为变形留出空间，避免索网和环桁架变形对劲性柱施加过大的力。

劲性柱几乎是整个场馆的支撑，托举起环桁架以上所有重量。索结构与环桁架、环桁架与劲性柱之间“牵一发而动全身”，受力会从索网层层传导至劲性柱。索网在张拉、荷载时会带动环桁架变形，若环桁架已锁定，所有变形都会传导至劲性柱，受力过大的劲性柱甚至可能被扯断。

“这种层层传导的受力体系决定不能立即焊死球铰支座。”史自卫说这也决定球铰支座锁死的条件非常苛刻：气温在10～20摄氏度、屋面索和幕墙索张拉完成、索网荷载完成，三个条件缺一不可。

步步精心编织“天幕”

国家速滑馆屋面支撑用柔性的索网代替纯钢结构，用钢量只占传统钢结构屋面的1/4，既节能又美观。索网南北向最大跨度198米、有稳定索30对，东西向最大跨度124米、有承重索49对，外加120根幕墙索，索体总长20450米，是目前全球跨度最大、规模最大的单层双向正交马鞍形索网结构。

3. 吊装屋面最后一块单元块，国家速滑馆工程实现封顶封围

“这就为索网施工带来极大挑战，为此我们采用‘地面编网、整体提升、整体张拉’的方式施工。”张怡说这种方式在编网阶段把高空作业变为低空作业，创造了与钢结构平行施工的可能，也降低了安全风险。

展索、编网、提升、张拉、荷载，处处有门道，步步得精心。地面编网精度决定着索网提升张拉的成败，精准把控索夹位置和拧紧力是确保编网精度的关键。

“索夹的作用是固定，每个索夹下层固定一对承重索、上层固定一对稳定索，确保每根索在索网提升张拉过程中不会滑动、受力均衡。1142个索夹以4米的间距分布，将158根索串联固定形成一张巨大的索网。”高树栋说。

索网的空间马鞍形态导致每个索夹都有一定的方向和倾斜度，这就要求每个索夹必须“对号入座”；并且但凡有一个索夹拧紧力与设计值不符，索网张拉时就会因受力不均产生变形甚至造成事故。

“在工厂下料时，索夹的位置就要清晰地标记到索上。”高树栋说他们通过仿真分析计算出每根索在达到设计状态时的长度和索力，加工厂在拉力机上将每根索拉到设计力值状态后，标记锁夹位置、确定索长，随后剪断成索。

2018年12月30日，经过45天的“穿针引线”，一张长198米、宽124米的巨型大网在地面编织完成。此时，钢结构环桁架也已合龙。

对158根索连接耳板的坐标、倾角等进行实测实量，根据测量数据计算索长偏差，根据偏差值调整索两端调节螺杆将索调整到实际所需长度；对304套液压千斤顶逐个检查……测量、计算、调差、检查，技术准备、安全措施有条不紊，索网将在液压千斤顶的“拉拽”下，先提升后张拉，缓缓与钢结构环桁架“会师”。

根据项目部方案，在索网由松弛到绷紧的初张拉阶段，张拉一步到位、不再分步；当索网绷上劲后，开始稳定张拉，这时便按照3公分一步的方式进行。30对稳定索的稳定张拉距离从6公分到37公分不等，快则两三步张拉到位，最慢也只需8步。

张拉过程中确保每根索同步、均衡受力是确保索网安全的关键和难点，可谓“步步惊心”。在索网施工微信群里，不论清晨还是深夜，项目、业主、设计、监理、分包人员对索力、距离、索网位形等数据进行实时“健康监测”，将实际数据和实验室数据反复比对，每个数字都分毫不差后才进行下一步张拉。

经过2天的稳步张拉，2019年3月19日上午10时索网张拉完成，整个索网变成壮观稳固的马鞍形“天幕”，项目部独创的张拉方法被评定为“达到国际领先水平”。索网的成功张拉也填补了国内大吨位、大面积、超大跨度单层正交索网同步张拉技术空白，为今后特大跨度索网施工提供了范例。

按照原定计划，该焊死48个球铰支座、锁定环桁架，开始屋面和幕墙施工了。然而，设计团队在最初设定的气温10～20摄氏度、屋面索和幕墙索张拉完成的基础上，又为锁定环桁架增加了一个必备条件：索网屋面荷载完成。

索网张拉阶段，环桁架在劲性柱上的水平移动肉眼可见。索网上屋面板重达1000吨，若直接安装屋面板，会导致索网变形、带动环桁架变形，最终将力传导至劲性柱。如果在此之前把48个球铰支座焊死，一旦环桁架变形过大，则可能把劲性柱扯断。为避免可能发生的风险，得在索网上模拟屋面荷载，随着屋面板的安装逐步置换、撤除配重，使索网始终保持在稳定的受力状态。

经过反复论证，项目部决定以挂配重的方式进行荷载，而水桶容易加减水量、更能经受风吹日晒的优点使其成为配重首选。653个水桶从索网上垂吊而下，使现场有种“万条垂下钢丝绦”的美感。

“索网施工非常完整，满足设计要求，同意锁定环桁架。”2019年4月26日，晴空万里，气温适宜，环桁架锁定验收会让项目部备受振奋。一声令下，焊花飞舞。不到一天，48个球铰支座焊接完成，钢结构环桁架与劲性柱牢牢锁定形成固定状态，与钢、索紧密相连的屋面和幕墙可以开始施工了！

精雕细琢 打造冬奥品质

为适应柔性索网容易变形的特点，设计方将最初设定的直立锁边金属屋面调整为拟合索网网格形态的单元块屋面，每个单元块之间留有9公分缝隙，为适应索网变形留出空间。

但这样的调整为项目带来棘手难题：防水材料在缝隙处是不能断裂、必须整体铺设的，单元块屋面体系下屋面防水该怎么做？

反复试验、考量后，项目部把目标瞄向了变形适应性强的EPDM材质防水材料，但EPDM材料行业应用度低，到底能不能适应索网变形？是用国产材料还是进口材料？项目部没有经验可循。

从2018年12月到次年8月，“做实验”成为破解之道。“通过仿真计算，屋面9公分的缝隙最大变形是2公分，我们选取5公分宽、9公分长的防水材料拉长2公分，循环往复做了2万次来回拉伸实验，观察材料是塑性变形还是弹性变形。”史自卫说，2万次拉伸试验验证了EPDM材料的可行性。

紧接着，项目部又选取3个厂家制作1∶1的实体样板放到施工现场，观察其在经历风吹日晒后的性能，经过近2个月的现场试验，最终确定了防水体系和做法，为屋面防水的“滴水不漏”奠定基础。

项目BIM团队负责人苏李渊说，索网张拉后每一个“方格”的空间形态都不一样，使本应呈1/4对称的单元板块尺寸、形态各异，而且1080块屋面单元板中有540块是带天窗、带天沟、同时带天窗和天沟等的复杂造型，如果不通过BIM深化设计得出数据，是无法进行加工定制的。

“环绕场馆盘旋的22条灯管就是我们所说的‘冰丝带’，这22条‘冰丝带’就像运动员高速滑动时留下的冰刀轨迹，也将呈现精彩的灯光秀，但灯管中的灯带位置却大有讲究。”指着冰丝带样板，张怡说。2.5厘米宽的灯带不是简单地放置在直径4厘米的灯管空间内，而是专门安装在两片玻璃交合处一毫米的缝隙上，随后不断调试灯带角度，使灯光恰好通过两层玻璃间的彩釉层导出，最终呈现柔和的灯光效果。

对玻璃材质反复比选，选用半钢化玻璃降低玻璃自爆率；对玻璃幕墙与S型钢龙骨连接点形式反复研讨，在连接点设置上引入误差消纳机制，确保玻璃幕墙既稳定精准安装在S型钢龙骨上，又有适应S型钢龙骨变形的空间；利用全站仪、激光扫描仪对S型钢龙骨、玻璃幕墙随安随验、反复微调……精益求精的追求，使3360块形态各异的玻璃幕墙以小于5毫米的误差，拼接出美轮美奂的天坛造型。

“我们不只是在建楼，更是在雕刻艺术品。”为让“冰丝带”早日舞动“双奥”之城，“双奥”建设者正不舍昼夜、匠心打磨。当2022年北京重燃奥运圣火时，一届精彩、非凡、卓越的奥运盛会将在中华大地精彩上演。