国家速滑馆柔性索网结构下方除湿风管安装技术

吕 莉

(北京住总建设安装工程有限责任公司，北京 100028)

1 工程概况

国家速滑馆位于北京市北五环林翠桥东南，国家网球馆南侧，为北京2022年冬奥会举办速度滑冰的比赛场馆，又称“冰丝带”。工程建筑面积约9.7万m2，地下2层，地上3层，建筑高度33.8m，冰面面积约12 000m2，建成后将成为亚洲最大的人工冰场，与国家体育场“鸟巢”、国家游泳中心“水立方”共同组成北京——世界首个“双奥之城”的标志性建筑群，建筑效果如图1所示。

图1 国家速滑馆建筑效果

速滑馆屋面结构的外围周圈是大型环桁架钢结构，中心区域为目前世界最大跨度(198m×124m)最大单层双向正交马鞍形索网结构，由98根东西向排列的承重索和60根南北向排列的稳定索组成，索体直径分别为64mm和74mm，在场馆上方呈4m×4m间隔网状布置，索网均采用双索构造，并列平行安装，间距为300mm左右，总长度为20 450m。屋面索网总质量为581t，在承载力不变的情况下，索网整体用钢量为传统钢屋面的1/4，较传统网架屋面大大节约钢材，节省空间，降低能耗，符合“绿色办奥”理念。

场馆除湿系统是重要的空调系统。除湿送风风管从场馆4个方位穿环桁架进入索网区域，布置在索网下方，风管吊架的根部以索体为固定点，安装方法与在常规混凝土或其他钢结构上的做法完全不同。对除湿风管在索网区域的安装方法、支吊架选型设置、与索体固定的根部节点做法需进行深入的技术研究；风管固定在柔性的索网结构上，要充分考虑抗柔性屋面变形的技术措施；除湿风管安装在20～30m的高空区域，风管吊装要确保平稳安全，操作人员需配合风管吊装，在空中同步进行风管支吊架安装和风管连接，施工难度大。针对索网下方除湿风管安装的技术特点和难点，项目部进行了技术研究和技术创新，解决了大跨度索网结构安装除湿风管的难题。

2 除湿系统概况

场馆赛时容纳12 038个座席，人员呼吸及冰面温度很低造成空气中所能容纳的水蒸气含量大大降低，场馆要启动除湿设备及时去除空气中多余的水蒸气。除湿系统设计的气流组织，是在场馆中央区域的上方环形布置88个送风口向下送风，每个风口的最大送风量约1 350m3/h，场馆下方四周设置16个2 000mm×1 500mm回风口，将湿度大的空气送回至除湿机组。

工程设置的4台除湿机组，分别位于地下2层4个区域段的空调机房内，风管在机房进入土建结构竖井，自地下2层沿竖向垂直安装进入屋面环桁架，水平穿越环桁架后再进入索网区域。除湿风管在索网中心区域为D1 000mm的圆形螺旋缝风管，沿场馆内圈马道外侧呈椭圆形布置，一圈的总长度约420m。在地下机房直至与圆形风管连接前均为2 000mm×700mm的矩形管道，单台除湿机组矩形送风管总长度约为60m，具体布置如图2所示。

图2 除湿风管布置示意

3 除湿风管荷载计算

索网下除湿风管固定在索网结构上，索网结构为不稳定承重结构形式。风管安装的总体自重、荷载分布的均匀性要符合结构设计的承重要求，应经结构设计复核。

除湿风管荷载组成包括：2 000mm×700mm矩形风管及保温的自重；索网下D1 000mm圆形螺旋缝风管及保温的自重；风管支吊架总自重；风口及调节阀门总自重等。

1)2 000mm×700mm矩形风管长160m，质量M=8 139kg，保温质量M=1 765kg，总质量=9 904kg。

2)D1 000mm圆形风管长420m，质量M=10 354kg，保温质量M=2 824kg，总质量=13 178kg。

3)风管法兰采用└40×4，矩形风管加固采用└30×3， 按600mm长度安装，总质量约5 600kg。

4)风格支吊架总质量约为2 600kg。

5)风口及风阀质量每组按15kg考虑，共1 320kg。

因此，除湿风管系统总质量G=9 904+13 178+5 600+2 600+1 320=32 602kg。

按结构设计对索网承重数值要求：索网区域各专业管线、设备总承载≤4 000kN，质量≤400kg/m。除湿系统总质量为32.6t，与其他专业合计总质量<400t，满足设计要求；风管质量为56.2kg/m，满足索网结构承重要求。

4 除湿风管与索网固定安装

4.1 风管吊杆根部固定安装

1)风管吊杆与专用U形卡固定安装

南北向排列的风管以圆形风管为主，风管与东西向的承重索相垂直，风管采用两侧双吊方式，两侧吊杆上端固定在同一根索体上。吊杆与索体固定节点采用定制的专用U形卡，U形卡的上下卡与索网抱住，用螺栓在卡的翼边夹紧固定，在U形卡一端焊接100mm长短接管，管内螺纹用于连接风管的吊杆。U形卡与索体固定时内壁衬1mm锌板，对索体的钢绳起到保护作用，防止磨损和金属电化学腐蚀。

2)通过索网上方的槽钢转换横担固定

当风管遇弧度安装或拐弯安装时，风管走向与索网呈一定角度，风管支架固定吊点采用槽钢转换方式安装。槽钢转换横担与风管相垂直，两端通过U形卡与索体固定，一端固定在南北向稳定索上，一端固定在东西向承重索上。U形卡与索体固定，用圆钢制作支撑杆，两端套丝，一端与索体固定的U形卡短接杆固定，另一端穿槽钢上下边与槽钢固定，槽钢上部出杆部位用平垫、弹簧垫加自锁螺母和普通螺母进行双螺母固定。槽钢作为风管支撑的转换固定结构件，在风管两侧安装的吊杆固定在槽钢上，槽钢与吊杆连接孔必须进行机械开孔，加平垫和双螺母固定。

3)圆形风管软连接两侧支架固定

场馆圆形除湿风管固定在柔性的索网结构上，考虑柔性结构变形的情况，风管每隔15～20m安装300mm长保温加筋的柔性软连接，用于吸纳结构变形对管道的影响。按规范要求在软连接两侧安装支吊架，确保管道安装的稳定性。在软连接上方顺风管方向平行安装2根槽钢转换支架，槽钢长度500～600mm，用U形抱卡固定在双索结构上，风管吊杆再与槽钢固定。

3种安装方法如图3所示。

图3 风管吊杆根部固定安装

4.2 风管安装构件

除湿风管固定在索网结构上，根部固定件与常规混凝土结构不同。采用定制的专用U形卡、弹簧减振器、圆形风管抱箍等构件(见图4)。

1)U形卡 U形卡是定制的外加工件，采用50mm×5mm扁钢定制加工，与索体上下固定。U形卡半环与索体半径基本一致，预留1～1.5mm间隙，上下对接连接。与风管吊杆端固定连接的U形卡焊接长100mm的φ14短接杆，用于与风管吊杆连接，吊杆拧入短接杆处加螺母进行固定。U形卡翼边长度为40mm，上下机械开孔，用M12螺栓和自锁螺母加普通螺母双螺母固定。

2)弹簧减振器 风管安装的全部吊架均安装减振器，用于消纳柔性结构变形对风管安装的影响，选用阻尼弹簧减振器，除湿风管安装总计使用数量约为400个。减振器上端面与风管吊杆固定，上下螺母固定，下端连接吊杆与风管抱卡或横担固定牢固。

3)圆形风管抱箍 抱箍由上下2个半环组成，采用50mm×5mm扁钢制作，翼边长度为50mm，抱箍与风管间内衬3mm厚A级石棉橡胶板，起防滑、绝缘、绝热作用。风管上下抱箍翼边机械开孔，用M14自锁螺栓固定。

4.3 风管吊装

除湿风管安装高度为0.02～30m，沿内圈马道外侧1～2m间距安装，整体呈椭圆形，南北方向中间段为直管段，其余为弧形安装段，采用D1 000mm 的镀锌钢板圆形螺旋缝风管，为外加工产品，直管段标准尺寸为4m一节，风管法兰连接。风管吊装采用先分段组装、后整体吊装的方法，提高风管安装效率和安装质量。

圆形风管在场地平整区域进行组装，每3节为一组，长度为12m，D1 000mm风管加保温总质量约为580kg。风管组装完成后，利用自行研制的吊装机具将风管吊运至高空位置后进行安装。

4.3.1自行研制风管吊装机具

项目自行研制风管吊装机具用于风管吊装时固定风管。风管分节组装好后，固定在自制托具上，倒链一端固定在托具预留的吊耳上，进行风管的组段吊装。

自行设计研制的圆形风管吊装机具由上下扁钢抱卡、槽钢横托、固定吊耳和连接螺栓等组成。扁钢抱卡采用50mm×5mm扁钢煨制成与D1 000mm风管弧度一致的半圆形，两端翼边长度为50mm。槽钢横托采用[14，长度为1 600～1 700mm。固定吊耳在距槽钢横托两端50mm处焊接φ20圆钢，圆钢在槽钢上部煨制成半圆弧形状，与槽钢接触部位双侧满焊连接。风管下侧的扁钢抱卡与槽钢横托焊接两个支撑扁钢进行固定，支撑抱卡和横托满焊连接。上下抱卡采用φ12螺栓固定牢固，如图5所示。

图5 自行研制的风管吊装机具

4.3.2风管吊装

1)准备工作 风管吊装前，先完成电动倒链的安装及检验工作。将4个2t电动倒链安装在索网上，电动倒链的一端吊环固定在索体上，将另一端的链条放下，准备风管的吊装。

2)风管组装 将3节4m长的风管进行法兰组对连接，将风管离法兰500mm左右位置作为组装风管的吊装点。风管组装后将其固定在自行研制的托具上，将槽钢横托上的扁钢抱箍上下对正，螺栓固定牢固，再将电动倒链的挂钩与固定吊耳挂牢(见图6a)。

图6 风管吊装施工

3)风管整体提升 检查确认风管固定牢固后，操作上方的电动倒链，进行风管的整体提升，整体提升速度控制在1～2m/min，将风管平稳提升后，风管两侧由操作工人利用2台曲臂车进行风管支吊架安装和风管连接的操作(见图6b)。

4.4 圆形风管保温及强度严密性试验

场馆中心区域除湿风管采用的圆形螺旋缝风管为外购产品，由生产厂商提供检测报告，风管多节组装吊装前进行分项工程质量检查，合格后再进行下道工序。圆形风管每节标准长度为4m,吊装前将风管两侧的法兰端各预留出200mm长度不进行保温，其他部位严密保温。风管整体吊装安装后，对风管系统进行严密性试验即漏风量测试，合格后再将法兰连接口处的风管进行保温。

除湿风管工作压力为1 000Pa，为中压系统。按GB 50243—2016《通风与空调工程施工质量验收规范》4.2.1条，允许漏风量值Qm≤0.035 2P0.65，本工程风管漏风量测试值应<3 137m3/(h·m2)，现场实测值为0.932 8m3/(h·m2)，远小于规范允许漏风量值，证明风管制作加工工艺可靠，管道连接严密(见图7)。

图7 漏风量现场检测数据读取

4.5 风口安装

除湿风管采用妥思旋流风口。场馆内风口安装距离地面高度为18～23m，风口参数能达到下吹20m高度的要求，确保场馆送风。风口气流组织及现场安装如图8所示。

5 除湿风管抗变形技术措施

速滑馆屋面是在索网结构上安装适应索网柔性变形的单元板块，当屋面受雨、雪、风等荷载作用时会产生一定的变形量，除湿风管以索网为安装固定结构，也会随之产生一定变形，为解决因结构变形对硬性连接风管产生的应力，场馆内除湿风管采取以下抗变形技术措施。

图8 风口气流组织及现场安装

5.1 安装柔性软连接

风管安装软连接起到抗变形、抵消索网变形量的作用。软连接管采用带加筋保温的复合硅玻钛风管，内衬保温材质为超细玻璃棉，软连接长度为300mm，采用法兰连接，两侧安装支吊架。

软连接安装在以下位置： ①除湿风管从环桁架钢结构进入索网区域的连接处； ②矩形风管进入索网与环状圆形风管接口处； ③矩形风管穿越马道处； ④环形圆风管15～20m间隔安装软连接。本工程共计安装46个软连接，具体安装位置如图9所示。

图9 软连接安装位置

5.2 风管支吊架安装弹簧减振器

除湿风管双侧吊杆均安装减振器，以吸纳索网变形，除湿风管共计安装近400个阻尼弹簧减振器(见图10)。

图10 风管支吊架弹簧减振器安装

6 结语

国家速滑馆屋面为大型环桁架及柔性索网结构形式，在屋面下方安装大量机电管线及末端装置服务于体育场馆的各项使用功能。场馆除湿风管安装在柔性索网结构下方，以索网为固定结构，安装技术难度大，标准要求高。项目部在风管支吊托架选型，风管与索网结构固定的根部节点做法，风管高空作业安装方法，风管固定在柔性结构屋面的抗变形技术措施等方面进行了深入的技术研究，创新做法，解决安装难题，取得了良好的实施效果，为今后类似工程实施提供宝贵经验。