冰雪盛宴中的混凝土力量

第24屆冬奧會(huì)正在如火如荼地進(jìn)行中。  

流暢大氣的“冰絲帶”、偉岸的鋼結(jié)構(gòu)“鳥巢”和靈動(dòng)的膜結(jié)構(gòu)“水立方”共同組成北京這座世界首個(gè)“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(xiàng)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(gè)個(gè)冬奧工程的華美英姿下面，都有一副強(qiáng)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(jiān)強(qiáng)“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(bǔ)償收縮混凝土和自密實(shí)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(yáng)，連通世界?！氨z帶”彰顯了中國建筑行業(yè)的先進(jìn)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(yàn)，起到了推廣示范作用。北京冬奧會(huì)期間，“冰絲帶”主要承擔(dān)速度滑冰比賽和訓(xùn)練項(xiàng)目?！氨z帶”，寓意冰和速度的結(jié)合，與另外兩個(gè)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(tuán)施工總承包的2022年冬奧會(huì)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(shí)現(xiàn)封頂目標(biāo)，為后期工程目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)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(huì)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(dá)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(bǔ)償收縮混凝土。用膨脹劑配制補(bǔ)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(bǔ)償收縮混凝土。  

三是自密實(shí)混凝土。這項(xiàng)工程部分設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)采用了自密實(shí)混凝土。自密實(shí)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(jìn)行了改進(jìn)。工程中的底板、外墻、頂板梁全部采用補(bǔ)償收縮混凝土；競賽場地比賽區(qū)域采用抗凍等級高達(dá)F250的抗凍混凝土；同時(shí)，競賽場地比賽區(qū)域中每個(gè)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(jì)和嚴(yán)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(yùn)方面具有新時(shí)代體育場館的引領(lǐng)性作用?！氨z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(jìn)行回收再利用，轉(zhuǎn)化成制作看臺的原材料。同時(shí)，“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(yán)絲合縫地拼裝成為一個(gè)宏大的看臺；環(huán)桁架安裝的同時(shí)，土建和鋼結(jié)構(gòu)施工同步進(jìn)行，為總進(jìn)度目標(biāo)的實(shí)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(jī)場等建設(shè)項(xiàng)目，以后還可以再次投入新的建設(shè)項(xiàng)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(diǎn)、采用標(biāo)準(zhǔn)和工法等多個(gè)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(shí)，“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(jì)和嚴(yán)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(shí)，為實(shí)現(xiàn)工程整體綠建三星目標(biāo)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。  

全長約42.2公里的冬奧會(huì)重點(diǎn)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(fèi)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(diǎn)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(hù)等；在山頭爆破時(shí)，創(chuàng)造性地采用高壓揚(yáng)程水泵，大大降低了沙塵污染；此外，還通過集中儲(chǔ)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(shí)再運(yùn)回田地。技術(shù)小組還引進(jìn)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(qiáng)度等設(shè)計(jì)要求，而且施工靈活，實(shí)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(tuán)隊(duì)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(huì)的認(rèn)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(yùn)會(huì)的標(biāo)志性建筑之一，游泳運(yùn)動(dòng)員曾在這里打破過21項(xiàng)世界紀(jì)錄，被稱為世界上最快的游泳池。但在北京冬奧會(huì)上，曾驚艷世界的奧運(yùn)場館“水立方”變身“冰立方”，作為冰壺等項(xiàng)目的比賽場地。由此，“水立方”也成為世界首個(gè)實(shí)現(xiàn)“水冰轉(zhuǎn)換”的場館。  

眾所周知，水與冰是同一個(gè)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(shí)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(gè)獨(dú)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(diǎn)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(zhǔn)賽道的冰壺場地。  

“冰立方”項(xiàng)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(jì)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(shí)，還能達(dá)到冬奧會(huì)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(gè)連接點(diǎn)裝有可拆卸高強(qiáng)度螺絲，確保鋼架堅(jiān)固結(jié)實(shí)。架體搭設(shè)完畢后，施工團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了荷載試驗(yàn)，最終試驗(yàn)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(jì)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(tuán)隊(duì)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(huì)的認(rèn)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(yùn)行，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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(xiàng)性能。通過一系列的舉措，最終可實(shí)現(xiàn)冰壺場館比賽大廳確保任何熱負(fù)荷條件下，冰壺賽道冰面溫度達(dá)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(shí)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(shí)現(xiàn)了“水立方”與“冰立方”互換，還實(shí)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(diǎn)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(jiān)實(shí)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(gè)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(dá)到了抗震8級烈度的標(biāo)準(zhǔn)。