第24屆冬奧會正在如火如荼地進行中。
流暢大氣的“冰絲帶”、偉岸的鋼結構“鳥巢”和靈動的膜結構“水立方”共同組成北京這座世界首個“雙奧之城”的標志性建筑群。
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)新成果圓滿地構筑出了冬奧工程的“經脈”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“內核”
作為亞洲建造最大冰面的技術支撐，“冰絲帶”工程大面積采用特種混凝土。建設中主要采用了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標志著土木工程正向信息化、數(shù)字化發(fā)展，這為全球基礎設施和重大工程建設提供了經驗，起到了推廣示范作用。北京冬奧會期間，“冰絲帶”主要承擔速度滑冰比賽和訓練項目。“冰絲帶”，寓意冰和速度的結合，與另外兩個重要建筑“水立方”“鳥巢”相呼應，形成“水”“火”“冰”的質感對比。
“冰絲帶”建筑面積約8萬平方米，其建筑結構體系主要由屋頂索網、環(huán)桁架、斜拉索和混凝土結構組成。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)標志性工程——國家速滑館工地9.7萬平方米的混凝土結構提前兩天實現(xiàn)封頂目標，為后期工程目標奠定了堅實的基礎。
“冰絲帶”結構工程分為混凝土結構、鋼環(huán)桁架結構、幕墻結構和屋面索網結構，其中混凝土結構被稱為“內核”，類似于人的骨骼。
作為亞洲建造最大冰面的技術支撐，“冰絲帶”工程大面積采用特種混凝土。建設中主要采用了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構開裂的重要措施之一，國家速滑館工程空間尺度大，易產生開裂問題，因此要大量采用補償收縮混凝土。
三是自密實混凝土。這項工程部分設計為大截面復雜異形勁性結構，混凝土澆筑較困難，設計時采用了自密實混凝土。自密實混凝土由于組分更加復雜，其力學性能有別于普通混凝土，因此施工工藝也在原有技術的基礎上進行了改進。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構混凝土用量中，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，首次應用了綠色再生混凝土，將“冰絲帶”基礎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。再生骨料經過通過精心的配合比設計和嚴控質量，成為C45再生混凝土，用其生產的清水混凝土使看臺構件質量得到了保證。從“冰絲帶”的基礎工程中走出，又變身再生混凝土重新回到“冰絲帶”，這種方式的循環(huán)利用在國內尚屬首次。
“冰絲帶”不僅在外觀上具有非常鮮明的標志性，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首例弧線清水混凝土看臺板，預制看臺構件雖然尺寸多樣、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，土建和鋼結構施工同步進行，為總進度目標的實現(xiàn)打下了基礎。環(huán)桁架整體滑移所用的支撐體系，周轉于北京大興國際機場等建設項目，以后還可以再次投入新的建設項目中，并在生命周期內反復利用。這些高效、環(huán)保的新技術、新工藝是“冰絲帶”建設不斷刷新“冬奧速度”的關鍵。
“冰絲帶”預制看臺在“鳥巢”的基礎上無論從主體板型、主受力節(jié)點、采用標準和工法等多個方面，還是在整體效果、結構安全、功能、綠色生產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，首次應用了綠色再生混凝土，將“冰絲帶”基礎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。再生骨料經過通過精心的配合比設計和嚴控質量，成為C45再生混凝土，用其生產的清水混凝土使看臺構件質量得到了保證。從“冰絲帶”的基礎工程中走出，又變身再生混凝土重新回到“冰絲帶”，這種方式的循環(huán)利用在國內尚屬首次，樹立了國內工程建筑垃圾的閉鏈再生應用的典范。這一技術的應用，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打下堅實的基礎。
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，在復墾時再運回田地。技術小組還引進推行輕質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計要求，而且施工靈活，實現(xiàn)了節(jié)能目標。
“水立方”與“冰立方”的奇妙轉換
從木箱、鋁板到混凝土支撐面板，從腳手架到鋼結構支撐體系，團隊經過近3年的反復比較斟酌，最終薄壁H型鋼和輕質混凝土預制板的搭建方式，得到了國際冰壺協(xié)會的認可。終于，由2600多根鋼構件和1500多塊混凝土預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)“水冰轉換”的場館。
眾所周知，水與冰是同一個物質，但卻是兩種形態(tài)。如何在保有“水立方”水上功能的基礎上，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、結構、防水、膜維修等工程領域，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”水上功能的基礎上新增冰上功能的“水冰轉換”，即在比賽大廳中部通過搭建可轉換結構及安裝可拆裝制冰系統(tǒng)，形成具有4條標準賽道的冰壺場地。
“冰立方”項目最終選擇了鋼結構加輕質混凝土預制板結構體系。
在泳池里“搭架子”看似簡單，但這套冰場可轉換鋼結構的設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換鋼結構中。
這套鋼結構由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，確保鋼架堅固結實。架體搭設完畢后，施工團隊進行了荷載試驗，最終試驗結果顯示，每平方米增加1噸的荷載，鋼結構的最大變形僅有1.6毫米，符合3毫米以內的設計要求。作為支撐冰面“骨架”的一部分，制冰基礎層施工也十分重要。首先要在混凝土預制板面上鋪一層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，從腳手架到鋼結構支撐體系，團隊經過近3年的反復比較斟酌，最終薄壁H型鋼和輕質混凝土預制板的搭建方式，得到了世界冰壺聯(lián)合會的認可。終于，由2600多根鋼構件和1500多塊混凝土預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，設計團隊還在鋼結構中安裝了功能各異的傳感器，它們就像人的觸覺神經，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)室內高大空間溫度的分區(qū)調控，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。
這種轉換模式不僅實現(xiàn)了“水立方”與“冰立方”互換，還實現(xiàn)了轉換材料重復利用，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。國家游泳中心是典型的外柔內剛，外部只看到充氣薄膜，好像弱不禁風，而支撐這些薄膜的則是堅實的鋼結構，里面觀眾看臺和室內建筑物為鋼筋混凝土結構。就這樣，地上部分的鋼結構與地下部分的鋼筋混凝土結構形成一個牢固的整體。正是靠著優(yōu)越的結構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級烈度的標準。
圖為國家速滑館和“冰立方”。何慷民/攝
