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“冰丝带”里混凝土创造中国奇迹,期待“一起向未来”

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随着2022北京冬奥会一天天临近,一首《一起向未来》已传遍大街小巷;新建、改建的冬奥比赛场馆渐渐掀开神秘面纱,它们充满中国文化元素的名字,让人们一下子就记住,如国家雪车雪橇中心的昵称是“雪...

随着2022北京冬奥会一天天临近,一首《一起向未来》已传遍大街小巷;新建、改建的冬奥比赛场馆渐渐掀开神秘面纱,它们充满中国文化元素的名字,让人们一下子就记住,如国家雪车雪橇中心的昵称是“雪游龙”,国家跳台滑雪中心的昵称为“雪如意”,首钢滑雪大跳台的昵称叫“雪飞天”等等;人们在期待未来日子里观看各项冬奥比赛的同时,更对场馆的科技智能化、低碳绿色环保和可持续利用津津乐道。



北京赛区有7个场馆,分别是国家体育场(举办开、闭幕式)、国家游泳中心、首都体育馆、国家速滑馆、国家体育馆、五棵松体育中心和首钢滑雪大跳台中心,承担短道速滑、花样滑冰、速度滑冰、冰球、冰壶、自由式滑雪和单板滑雪等七个大项的比赛。

被誉为“冰丝带”的国家速滑馆是冬奥会北京新建最大场馆。其设计以独特的外观展现了速滑运动的优雅、精确、速度和动感,将在北京冬奥会和冬残奥会期间举办速度滑冰比赛。它由3360块幕墙玻璃拼成完美的“冰丝带”;椭圆形的“冰丝带”之上,屋面双曲马鞍形索网跨度创世界体育场馆之最;它拥有1.2万m2亚洲最大的冰面,未来将在这里上演“速度与激情”;它还是一座绿色环保的智慧场馆,在物联网和大数据的技术支持下,场馆中引入了全新的BIM运维系统和定位导航系统。

作为北京冬奥会标志性场馆的“冰丝带”,如今能够完美地呈现在世人面前,是因为在它华美的外表下面,有一副强健的臂膀在支撑着,那便是来自混凝土的力量。

六大特点诠释混凝土先进技术

“冰丝带”的结构型式为钢筋混凝土框架+钢结构,地下两层、地上三层,总建筑面积约9.7万m2,其中地下工程建筑面积约6.8万m2

据“冰丝带”工程总承包单位北京城建集团有限责任公司工程总承包部副总工程师蔡亚宁介绍,项目的地下结构共使用钢筋超过2万t、模板约16.5万m2、混凝土10万多m3,以及劲性钢结构2500t以上。在地下结构使用的10万多m3的混凝土中,90%以上为特种混凝土,它们具有六大特点。

一是极高比例地使用了补偿收缩混凝土

“冰丝带”工程地下结构混凝土总用量10万多m3,其中底板、地下室外墙和楼板梁等水平构件均为补偿收缩混凝土,超过混凝土总用量的90%;限制膨胀率一般部位要求0.015%—0.025%,后浇带部位限制膨胀率要求为0.025%—0.045%。如此高比例地使用补偿收缩混凝土在工程中并不多见。

二是大量使用了高抗冻等级的混凝土

“冰丝带”项目比赛场地区域的抗水板混凝土的抗冻等级高达F250(F为快冻法),总量约为6000m3。一般来说,北京地区即使如道路等暴露在室外的具有反复抗冻融可能的工程,使用的混凝土抗冻等级通常不会超过F200。该部位混凝土同时还要求具有补偿收缩性能(限制膨胀率一般部位要求0.015%—0.025%)和抗渗性能(抗渗等级P8)。如此大规模使用抗冻等级F250的混凝土北京地区尚属首例。

三是罕见使用了兼具多种高耐久要求的“五项全能”高性能混凝土

配制出具有较高强度等级、较高抗渗等级、较高补偿收缩、高抗冻等级、掺加钢纤维的多种性能复合的高性能高耐久混凝土,“五项全能”指标于一身的混凝土实非易事。“冰丝带”比赛场地范围不同制冰单元分界线两侧各2m范围使用了“五项全能”混凝土,总用量达2300m3

四是基础底板多处为大体积混凝土,最厚处达7.6m

“冰丝带”项目底板厚度主要有2000mm、1500mm、600mm等,大部分属于大体积混凝土。由于底板中设计有大量的电梯井坑、集水坑、管沟等,造成底板基槽中有超过130多个局部深坑,上述不同深度、不同大小和不同走向的局部深坑互相嵌套,标高十分复杂,给基础桩和底板钢筋施工带来很大挑战,同时造成底板混凝土局部厚度增大,底板混凝土局部最大厚度达7.6m,如此厚度的底板大体积混凝土给施工质量控制带来较大挑战。

五是世界范围内首次将全再生低强度等级堆石和高自密实性混凝土用于工程实践

人们通常认为自密实混凝土适用于薄壁、钢筋密集、结构形状复杂或振捣困难的结构,以及对施工噪声有特殊要求的工程,且配制较高强度等级的SCC30~SCC50相对容易。“冰丝带”打破常规,与清华大学合作,将其2017年荣获国家发明奖二等奖的堆石混凝土推广应用到本项目,用全再生骨料低强度等级C15高自密实性能堆石混凝土(RFC+HSC)代替素混凝土进行回填,利废量约为50t。堆石混凝土主要应用于水利工程,在交通和铁路行业也有应用,但在世界范围内将堆石混凝土应用于体育建筑类工程尚属首次。

六是地上现浇构件使用高强高自密实性的自密实混凝土

“冰丝带”工程地上的支撑平台和屋盖的劲性(梁)柱由于钢筋特别密集,为了保证劲性(梁)柱混凝土浇筑密实,该部位采用了高强度自密实混凝土(HSCC60)。利用自密实混凝土的特点成功保证了复杂构件的混凝土施工质量。

全国首例弧形清水混凝土预制看台亮相

提起预制清水混凝土看台,业内人士即刻就会想起“鸟巢”。10多年过去了,“鸟巢”预制清水混凝土看台混凝土厚重的质感和淳朴的色泽仍让人念念不忘。

“冰丝带”的看台又将有怎样的呈现呢?曾经出色完成“鸟巢”预制看台任务的大部分原班人马:北京城建集团有限责任公司携手北京榆构集团,又一次合体操刀,再次创造奇迹。

北京城建集团国家速滑馆工程总承包部总工程师史自卫介绍,“冰丝带”场馆8000个永久座席大多采用了清水预制看台板,清水预制看台板共有预制构件1911件、331种型号。清水预制看台构件除看台板外,还包括栏板、踏步、弧形通道侧板等。

限于当时的清水预制看台构件模板加工技术和精度,当年“鸟巢”清水预制看台弧形区域采用“以直代曲”和“以折代曲”,通过一段一段的直线或折线看台板拼接而成。由于“冰丝带”弧形区域的弧度较之“鸟巢”大,无论哪种代曲方式,都很难实现理想的弧线效果。为保证“冰丝带”预制看台的成形效果,本次工程不但在弧形部分而且在出入口侧板部分都设计了高精度的弧形清水看台构件,这就对加工和安装提出了非常高的要求。

北京榆构集团是以“装配式建筑方案设计及咨询—PC研发生产—装配式建筑施工”为核心产业链的一体化集团。曾圆满完成了“鸟巢”预制看台工程的各项工作,并积累了丰富的设计、生产和施工等工作经验。据北京榆构总工程师刘昊表示,能够参与“冰丝带”这样的国家级重要项目工程,我们深感光荣,同时也是慎之又慎,努力以行业内最高标准、最一流的工艺水平去做深化设计和预制建设。刘昊介绍,“冰丝带”预制看台构件要实现清水效果,兼具结构和装饰双重功效,因此对原材料质量稳定性、混凝土搅拌质量、生产工艺控制等要求非常高。由于当时生产加工安装阶段为夏季,雨季和高温对清水混凝土表面外观控制不利,加大了翻转、倒运、运输、安装等工序的难度,成品保护控制难度也非常大。

由于弧形区域曲率半径较小,弧形看台构件加工难度大,且没有工程经验可借鉴,属于国内首例预制弧形看台板,因此北京榆构基于自身在预制建筑领域多年的深耕,专门研制了弧形看台板钢模实现其预制。

弧形清水预制看台的使用是在充分总结和借鉴“鸟巢”清水板台的制作和安装技术基础上,通过技术创新和研发实现的。史自卫介绍说,看台板从空中放到指定位置之前,都要先利用四边的测量控制线对看台板位置进行精准矫正,与控制线吻合后再慢慢放下,一块预制看台板的安装往往要花费1个小时以上,尤其是弧形看台板和主要出入口的预制侧板,安装难度更大。施工过程中,从测量放线、找平施工、安放橡胶垫块、清理预留孔、灌浆、起吊、上螺栓、吊装就位、偏差调整等等,十多道工序环环相扣,每个班组约十余名工人多工种互相配合,工作有条不紊。

由于每个区域每块预制看台构件的尺寸都不相同,所需安装的位置也是唯一。因此,工厂生产出来时,每一块预制看台板端头都添加了一个二维码,重量、尺寸、吊装位置和生产日期等,工人只要扫一下二维码,所有信息一目了然。

北京榆构建筑工程有限公司总工程师刘海波介绍,“冰丝带”预制看台板采用类似搭积木的“上压下”组合形式,导致任何一块看台板如果出现安装偏差,后期都无法重新调整,所以每块看台板都必须按照测量控制线精准安装,一次到位。

由于看台板是安装在土建现浇混凝土梯形梁上,一般现浇混凝土结构的偏差较大,而预制看台板的加工精度相对较高,所以为了保证二者之间精确吻合,针对“冰丝带”存在弧形结构和阶梯梁截面复杂等特点,施工安装过程中采用了最先进的三维测量技术,既保证了土建现浇梯形梁的定位准确,又保证了每块预制看台板能够精确安装到位,避免出现安装偏差积累,确保安装工程顺利进行。

刘海波还指出,预制看台构件安装中,存在与钢结构和屋面索网等专业之间的交叉施工,有些看台板需要在钢结构施工之前安装到位,有些部位则必须待钢结构卸载完成并拆除临时支撑后才能安装,所以需要互相协调配合,因此在总包单位的统一组织部署下,齐心协力保证了工程顺利进行。

预制看台构件的清水表面非常娇贵,一旦棱角被磕碰受损或表面被污染,修复起来非常困难。所以在看台构件倒运和安装过程中,所有安装人员都小心谨慎,钢管、撬棍等工具尽量轻拿轻放;每安装一段后,立即清理并涂刷混凝土保护剂,然后铺上软垫,最后还要用多层复合板做硬质防护,才能避免看台板受损。

曾参与“鸟巢”预制看台生产和吊装工作的蔡亚宁,此次在现任北京城建集团有限责任公司总工程师和国家速滑馆“冰丝带”总工程师、也是曾经执掌“鸟巢”项目的“双奥总工”——李久林的指导下,具体负责了“冰丝带”预制弧形看台的各项工作。她透露,“冰丝带”预制看台在“鸟巢”的基础上无论从主体板型、主受力节点、采用标准和工法等多个方面,还是在整体效果、结构安全、功能、绿色生产与施工和安装等都有了突破性提升。同时,“冰丝带”在建造过程中,秉承“科技、智慧、绿色、节俭”的理念,首次应用了绿色再生混凝土,将国家速滑馆基础灌注桩剔凿下来的混凝土桩头在北京首钢资源综合利用科技开发有限公司加工为再生骨料,通过精心的再生混凝土配合比设计和严控质量,用C45再生混凝土生产的清水混凝土看台构件质量得到了保证,用回了“冰丝带”,这在国内尚属首次,树立了国内工程建筑垃圾的闭链再生应用的典范。这一技术的应用,一方面可以大量利用废旧混凝土,减少建筑业对天然骨料的消耗;另一方面还可以减轻混凝土废弃物造成的生态环境恶化的问题。为实现工程整体绿建三星的目标打下坚实的基础。

科技创新、智慧建造、绿色环保、可持续利用,是冬奥场馆为中国树立的新形象,更是中国混凝土为世界贡献的力量。


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