冰丝带：科技成就骨感美

　　“这个场馆非常美丽。”2021年10月，在国家速滑馆进行的“相约北京”速度滑冰中国公开赛上，荷兰运动员克莱依维尔德如此点赞。

　　国家速滑馆有着绚丽、通透的外观，外墙曲面由低到高盘旋成22条飘逸的丝带，就像运动员在冰上划过的痕迹，因此又得昵称“冰丝带”。

　　支撑起建筑绚丽“外衣”的，是一副钢结构主受力“骨架”，主要包括屋面索网、环桁架和外侧幕墙斜拉索。“骨架”虽由钢材料打造而成，却显得轻灵、飘逸。为了将其打造成无懈可击的钢筋铁骨，设计、制造和施工团队付出了艰辛的努力，一次次挑战自我、突破难关。

　　2021年10月，国家速滑馆项目荣获中国钢结构协会科学技术特等奖；2020年5月，它荣获2019年度中国钢结构金奖年度杰出工程大奖，这是国内钢结构行业的最高奖项。

　　圈内人对此评价是：“当之无愧！”

　　力之美

　　“如果把建筑比喻成一个孩子，那么，建筑师决定他长什么样，结构工程师为他造骨架，设备工程师为他造器官，电气工程师为他造血管经络。”王哲告诉《瞭望东方周刊》。

　　王哲是北京市建筑设计研究院有限公司（以下简称为北京建院）的一名结构工程师，专注研究“骨子里的城市美”。诞生于1949年的北京建院是我国第一家国有大型民用建筑设计研究机构，其下属的复杂结构研究院专攻复杂结构设计。王哲现任复杂结构研究院钢结构研究所副所长，团队成员30余人，主要工作便是给难度高、非常规形态的建筑搭骨架。

　　郑方是北京建院的副总建筑师，也是国家速滑馆的设计总负责人。2017年，由郑方牵头，北京建院成立了近40人的国家速滑馆项目组，王哲的钢结构团队进驻5人。

　　在郑方的设计图上，速滑馆外侧幕墙造型是在立面基准线上弯曲4次，形成层叠褶皱，如同天坛层叠的屋顶，因此被称为天坛曲面，视觉效果自然流畅；不同于天坛的土木结构，它需要用钢和玻璃实现类似“冰皮”的通透效果。

　　王哲第一眼盯上的就是设计图上那“拐来拐去”的天坛曲面：“就结构而言，这不是个合理、高效的受力形态，属于‘失稳’形态——是个有挑战的活儿。”

　　近年来，许多新建索网结构体育场馆的外形都是上大下小，形似一个“大碗”，比如鸟巢、苏州奥体中心等。和它们不同的是，国家速滑馆在“碗”的坯子外面，多了一个天坛曲线造型的“冰皮”，用以实现建筑外观和某些功能。因此，变量更多，建设难度更高。

　　王哲曾参与世界最大单口径射电望远镜贵州“天眼”和北京大兴机场的结构设计，它们都属于非常规结构，设计难度等级高。

　　“从结构难度而言，国家速滑馆与贵州“天眼”和北京大兴机场有得一拼，某些方面甚至要求更高、更严格。”王哲说。

　　陈彬磊是北京建院的结构设计总监，他如此形容北京建院几个代表作的结构设计之美：北京大兴机场为“极之美”，深圳湾体育中心为“简之美”，北京小汤山医院为“急之美”，商务部大楼改造项目为“变之美”，国家速滑馆为“力之美”。

　　织天幕

　　一开始，王哲以为外侧幕墙就是挑战所在，“做下来才发现，这个项目没有简单的地方”。 屋面结构是另一大挑战。

　　最初，屋面结构设计为桁架方案。对于大跨度空间而言，桁架是首选。大兴机场的中央大厅是直径180米的大跨度无柱空间，惊艳世人。但在结构工程师眼中，大跨度并不难解决，加高桁架的高度即可，这一技术已相当成熟。

　　国家速滑馆屋面南北向跨度198米，东西向124米，桁架的合理高度应为8米-10米。

　　“那样的话，建筑整体会被拉高，从扁的‘冰锥’形变成胖的‘冰桶’形，会变丑，造型受影响太大。”王哲说。

　　索网结构可以解决这一问题。单根钢索直径仅约70毫米，双索交错也不过百余毫米，加上其他必要的空间，整个屋面结构高度可控制在0.5米之内，与8米-10米相比，这一数据令人欣慰。

　　最终，团队设计出了世界上跨度最大的单层双向正交马鞍形索网的体育馆屋面，从南北向拉伸出60根稳定索，东西向拉伸出98根承重索，二者双向纵横交错，编织成一张“天幕”，形成屋面“骨架”。

　　“就像一个羽毛球拍‘绷’在了场馆上方。”王哲打了个比方，只不过这个“球拍”不是平面，而是马鞍形曲面，最高处与最低处落差达18米。

　　与桁架不同，索网结构属于预应力结构——钢索本身是软的，只有先给它一部分力，才能有“刚度”，承载重量。用王哲的话来说，羽毛球拍的线得先绷紧了，才能打球。

　　不仅是“天幕”的158根索，还有支撑外侧幕墙的120根斜拉索，都需要预先给力绷住，每一根索需要的力度大小各不相同，而“力”与“形”又会相互影响。国家速滑馆几乎全部由三维曲面构成，结构上彼此联动，每一根钢索的受力甚至一个螺栓的定位等都会牵一发动全身，稍有误差，都将导致形态发生改变或者功能受到影响。

　　“难”并不意味着无法实现。最终，团队为这个项目开发出“多重弹性边界索网找形方法”，用以解决这些问题。此外，项目中引入的外侧带斜拉索的圈梁索网结构体系，也是在世界建筑场馆中的首次应用。

　　为了保证实操阶段万无一失，设计团队利用计算机空间建模，将场馆建设完整演习了一遍；由于变量多，模拟工况达33956种，仅“天幕”部分的主要工况就超3000种，运算量过于庞大，普通计算机无法满足需求，需利用超算中心才能完成。王哲说，常规建筑的工况一般不超过1000种。

　　由于项目施工复杂，设计团队需要大量介入施工方案，和施工团队难免意见不一致。王哲回忆：“过程中大家经常‘吵架’——吵得多了去了。但每一次都会在数据、逻辑和事实面前取得一致。现在嘛，彼此都比较融洽，关系不错，就像战友。”

　　国产索

　　钢索最终确定选用高钒密闭索，其强度等级为1570兆帕，即每平方毫米可承受1570牛顿的力。1平方毫米约为普通铅笔的笔芯横截面大小，1570牛顿为160公斤物体的重力大小，近3个成年人的重量。

　　索网方案确定之后，面临的选择是：用进口索还是国产索？

　　当时国内还未能生产建筑用的大直径高强度高钒密闭索，仅有供矿山等领域用的、强度等级为数百兆帕的小直径高钒密闭索。

　　进口索价格高，供货周期长，而国产索需要科研攻克技术关，但可以借冬奥契机推动国产化，打破发达国家对市场的垄断。

　　建设团队调研并走访了多家国内具备高钒密闭索生产潜力的企业，摸清情况后，最终的决定是：用国产索。

　　北京城建集团总工程师、国家速滑馆总工程师李久林是推动这一决定落地的关键人物之一。多年前，他亦是推动“鸟巢”所需Q460高强钢国产化的关键人物，我国高强钢行业自此呈现井喷式发展，对建设节能减排、科技发展起到强大助推作用。

　　最后，河北巨力索具股份有限公司中标，并成功研发出1570级的高钒密闭索。随之而来的，同样是国内高钒密闭索产业的高速增长，进口索价格降低一半以上。

　　国产索的耐久性如何，是王哲关注的重点，毕竟以前没有工程案例实践。而国家速滑馆的设计使用寿命为100年。

　　疲劳实验是检测质量的重要手段。

　　考虑到单根钢索可能承受的最大力和最小力，以及最大折角2度等因素，进行200万次疲劳拉伸测试；模拟现场风、水、气等环境因素对样本进行耐腐蚀性检测……实验结果表明，对100年使用寿命预期“可持乐观态度”。

　　王哲介绍，巨力索具科研攻关高钒密闭索，攻克的关键技术是将高强度等级的圆形钢丝拉伸为Z型钢丝，“巨力往前迈出了创新的一小步，各种因素聚合之下，带动了行业的进步，社会意义重大”。

　　结构设计过程中，超大跨度索网结构解决屋面高度、首次在建筑上实现外侧带斜拉索的结构体系、在钢索锚固处放置索力保持器以防高温松弛……创新更是无所不在。

　　王哲团队甚至改良了钢索索夹的结构设计，令原本160公斤重的索夹降为120公斤，场馆用到的索夹超1000个，此举既减轻了屋面重量，又有利于现场施工操作。

　　在他看来，要往前发展，就一定得创新。“创新的结果对社会的影响有多大，我们无法控制；但每一个工程设计，我们都会不停地去创新。对我们来说，创新几乎成为奥运建设融入骨髓的工作方法。”他想了想，又补充道：“你不让我创新，我也会去创新。”

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