预制装配式技术在冬奥场馆建设中的开发与应用

许庆，潘睿，王一维，阮新伟，陈祥国

0 引言

与传统建造技术相比，装配式技术将部分工作放到构件加工的工厂中进行，具有高效、节能、受环境影响较小、可重复利用的优点[1]，符合绿色建造理念。中国住建部在2017年分别印发《“十三五”装配式建筑行动方案》《国务院办公厅关于促进建筑业持续健康发展的意见》等文件，全面推进装配式技术发展。为响应新时代下建造行业发展的新常态，2022年北京冬奥会和冬残奥会提出了“绿色办奥”的理念[2]，倡导使用装配式技术建造场馆，为冬奥会场馆建设与运维提出了新的发展机遇与挑战。研究典型冰雪环境下赛道及临时设施预制装配式技术体系，对保障冬奥场馆的安全建造、体育赛事的顺利运行及绿色办奥有着重要的指导意义。

1 冬奥场馆临时设施装配式技术的应用——以国家跳台滑雪中心为示范工程

1.1 国家跳台滑雪中心概况及关键问题

国家跳台滑雪中心位于张家口崇礼赛区，又名“雪如意”（图1），承担本届冬奥会的跳台滑雪和北欧两项赛事，是我国首座跳台滑雪场馆，具有工程量大、技术难度高的特点。该场馆配套了比赛起点区、裁判塔、转播台、临时看台、临时支撑等众多竞赛临时设施，是保障冬奥赛事顺利进行的关键。赛事运行期间，附属临时设施长期处于低温、冰冻环境，国内外符合冬奥会典型冬季冰雪环境下临时设施的设计、施工规范严重缺失。在山区环境中，此起彼伏的地形以及变幻莫测的气候条件使得山区风特性十分复杂，山地风是场馆中临时设施设计与建设中必须要考虑的重要因素，需要探究山地风特性作为明确滑雪跳台局部风环境的设计与建设基础。

图1 “雪如意”外观

场馆赛道依据山势走势而建，常年受低温冰雪环境影响，交通、运输、安装多有不便，且其自身自重大、赛道曲线型成型控制精度要求高。相比于普通建筑，滑雪跳台在施工及运维的过程中，对其临时支撑的承载能力及稳定性提出了更高的要求。而传统的临时支撑体系难以胜任复杂山势地形下赛道设施高要求、高精度的建造，需要开发新型的临时支撑体系。

项目团队以实现场馆的安全建造及可持续运营为目标，围绕临时建筑及设施和临时支撑体系等方面开展科技攻关，为实现场馆的绿色建造、保障冬奥赛事的顺利进行提供了重要技术支撑。

1.2 冬奥场区临时建筑设施标准体系研究

与国外相比，我国适用于冬奥会高标准、高要求规范的严重缺失是冬奥临时建筑设施面临的最大问题。项目团队深入调研2006都灵冬奥会、2014索契冬奥会等历届冬奥会临时设施相关建设标准，针对水、暖通、电气、建筑、结构5大主要专业，17个小项进行了模块化标准体系的调研，根据场地临时设施的建筑围护、舒适性等相关要求，在现有国内标准和规范的基础上，结合外国相关规范，形成适用于2022北京冬奥会的赛道临时建筑的建筑功能和建筑围护等技术标准体系。

建筑专业涉及到的国外规范对于建筑构件的燃烧性能和耐火极限要求较国内规范要更加灵活，国内规范相对而言要更加严格，实际设计过程中可根据不同部位、不同建筑类别灵活掌握。结构专业中涉及到的长细比、挠度等国内规范的要求细化到了具体的构件，鉴于临时建筑建筑构造与永久建筑要求不同，该项指标参照国内规范显然更加合理。此外，对于混凝土保护层厚度规定，虽然国外规范按照环境类别进行了更详细的划分，但国内规范更适用于我国的环境类别，用于临时建筑建议参照国内规范。在给排水专业设计过程中，美国标准与中国标准表述意思相近，但对于如何执行的理解差别较大。总体来说，中国标准在实际应用中，可操作性更强。国内外在暖通专业的通风空调系统规范差别不大，空调设备以及系统的适用场所也基本一致，参照国内或者国外规范均可。室外设计参数则是以项目所在地的实际气象参数为依据，按国内规范要求取值。电气专业的国外规范侧重于体系指导，涉及面全、覆盖率广，而国内的则更侧重于实操性指导，使得设计过程中更加有理可依、有据可循，更加适用于我国比赛场馆临时设施的建设。

综上所述，项目组经深入调研，选用8项国内规范、9项国际规范，形成适用于北京冬奥的临时建筑标准体系（表1）。

表1 临时建筑标准体系（绘制：许庆）

基于临时建筑标准体系，项目团队研发了箱式装配式临时建筑技术。临时箱式房建筑由顶盖、底座、角柱以及若干块可更换的墙板组成[3]；采用模块化设计，所有零部件及整体均采取标准化尺寸，便于生产加工及现场组装或整体吊装；以箱体为基本单元，框架全部采用特殊冷弯镀锌型钢构件，维护材料采用防火材料，水暖电器、装饰装潢以及功能配套全部在工厂预制完成。箱式临时建筑充分考虑了冬奥环境下临时建筑服役环境、服役目标等要求，实现了高度集成化、模块化，满足工业化生产要求[4]；室内空间具备可扩展性，可按设计需求进行灵活组合，满足员工宿舍、办公室、临时酒店、展厅等多场景应用需求；可反复利用，符合“绿色办奥”的可持续发展的设计理念。

1.3 山地风环境研究

国家跳台滑雪中心位于山区地形条件下，其风荷载是在设计中考虑的重要参数[5-6]。我国现行规范《GB50009-2012建筑结构荷载规范》中提供的各个城市基本风压数据均为基于当地空旷地形下实测风速计算[7]，故规范中提供的设计参考值在复杂山底地形条件下的适用性有待验证。为了解赛区风场特性，项目组在山顶、中段、山底等多个位置布置超声风速仪进行现场风速测量（图2）。本文主要基于跳台山顶、起点区、着陆点、山底等测点获得的短期实测数据对当地风速极值分布情况进行研究。

图2 国家跳台滑雪中心“雪如意”气象观测站分布图

我国规定基本风速应采用极值I型概率分布函数进行统计分析。采用极值I型分布的方法可较为准确地估计地区内的基本风速。但这种方法需要长期、连续的风速实测数据，提取各年的年最大风速进行分析，数据的利用率较低。考虑到赛区风速测点架设时间较短、风速实测数据较少，应采用有限数目样本的统计分析方法，对赛区内的基本风速进行估计。这类方法包括越界峰值法、r-LOS 法、独立风暴法、改进独立风暴法。这些方法首先从单段风压提取多个独立峰值，再通过概率统计的方法，推演出样本极值概率模型，由此得出需要保证率的极值估计值[8]。

基于跳台山顶、跳台起点、跳台着陆点以及跳台山底测点获得的实测数据，取峰值为15 m/s时，根据周最大平均风速以及越界峰值法进行极值I型分布拟合，得出结果（表2-5）。

表2 跳台山顶不同重现期下设计风压情况（绘制：许庆）

根据计算结果可知，山地地形对极值风速具有较大的影响，跳台山顶的极值风速最大，起点与着陆点次之，山底的极值风速最小。采用不同数据提取方法对风速极值分布情况影响较大，相比于超越阈值法，采用周最大风速获得的数值偏于安全。采用周最大风速及大于超越阈值法拟合获得的风速极值获得结果，即10年、50年、100年重现期对应的设计风速值分别为25.0m/s、27.6m/s、29.0m/s，其对应的设计风压分别为0.39Pa/m、0.48Pa/m、0.53Pa/m。小于建筑荷载规范规定张家口地区的基本风压0.35Pa/m、0.55Pa/m、0.60Pa/m。从分析结果来看，城市统一的基本风压的具备包络性，出于安全考虑，可采用城市统一的基本风压进行临时设施风荷载设计。

1.4 建造时临时装配式支撑体系研究

国家滑雪中心主要赛道设施位于山地环境中，常年受低温冰雪环境影响，交通、运输、安装多有不便。在建造过程中，传统脚手架支撑体系承载能力低，稳定性较差，在复杂山地地形条件下强行搭建容易产生安全隐患，甚至引发工程事故；传统型钢支撑虽然具备较强的承载能力，但其施工工序复杂、工期较长、重复使用性较差、成本较高，需要开发新型临时支撑体系。

（1）格构式临时装配式支撑体系

表3 跳台起点不同重现期下设计风压情况（绘制：许庆）

表4 跳台着陆点不同重现期下设计风压情况（绘制：许庆）

表5 跳台山底不同重现期下设计风压情况（绘制：许庆）

顶峰俱乐部钢结构为大跨度空间异形桁架结构，且自重大、跨度大、空间异形构件众多，为保证建设过程的稳固与精度，工程特设计以钢管格构柱为主要支架的格构式临时装配式支架体系。临时支撑体系有3种模数：3.2m、4.8m、6.4m，支撑上端设置田字形钢平台，上铺铝合金格栅板铺设设备（图3）。临时支撑与地面连接可采用螺栓连接，或使用带配重H型钢焊接，利用ANSYS软件对整个结构体系进行有限元计算，明确杆件应力及位移不利部位，结合吊装单元确定临时支撑数量及分布，制定吊装及卸载转型方案。钢管格构柱支架临时支架体系解决了跳台顶峰俱乐部钢结构安装支撑定位及安装作业问题，保证了结构安装受力及定位要求和施工作业安全要求。此外，在顶峰俱乐部施工完成后，格构式临时装配支撑体系拆卸后成功应用于裁判塔，看台等临时建筑的建造，实现装配式支撑的循环应用。

图3 不同模数格构临时支撑示意图

（2）钢管贝雷梁转换体系

滑雪中心的滑道区为桩基承台基础—混凝土框架主体结构，基底条件高低不平，相邻基础最大标高差值11m，最高支撑高度达到30m，普遍梁截面2.6m×0.9m，最大梁截面3.8m×1.0m，最大组合线荷载达到12.8t/m，滑道板最大倾角37°，架体承受水平力极大，安全风险高。需采用稳固支撑体系，并解决受山体地形条件限制常规架体无法搭设问题。

为保证混凝土浇筑过程中安全及质量，项目组发明了钢管贝雷梁转换架体作为支撑体系，解决山体基地标高不一的问题，同时满足大跨度、大荷载混凝土构件支撑架承载力要求。这种支撑体系采用45#H型钢作为横向转换梁，贝雷架为纵向转换梁，将支座与支撑架体连为一体（图4）。

图4 装配式钢管贝雷梁转换施工体系

格构式临时装配式支撑体系和钢管贝雷梁转换体系是对装配式技术深化应用的技术成果，为提升“雪如意”施工质量、控制施工进度、保障施工安全等方面提供了重要技术支撑。

2 预制装配式技术在赛道设施建造过程中的应用——以首钢滑雪大跳台为示范工程

首钢滑雪大跳台中心选址首钢老工业园区北区，是2022年北京冬奥会自由式滑雪和单板滑雪比赛的赛场（图5）。其由赛道、裁判塔和看台区域3个部分组成，主体结构为大跨度复杂空间结构，采用全刚性连接，工程量约4100t，结构长度164m，最大宽度34m，最大跨度80.2m，最高标高为62m。

图5 首钢滑雪大跳台

大跳台作为滑雪项目比赛地点，选手需要在其上完成空翻、回转等高难度技术动作，对赛道曲线成型控制精度要求高。由于赛道钢桁架、飘带管桁架为空间弯扭结构，详图深化、结构制作及焊接变形控制难度大。跳台的配套斜行电梯设备对电梯井格构柱尺寸精度要求高，赛道钢桁架及飘带丝带管桁架线型复杂，高空安装及测量定位难度大。且跳台主体结构单根杆件质量大，单根最大重量为185.3t，最小重量也有60t，传统装配式建筑连接技术难以胜任，需要研发新的技术体系，在保障赛道线形控制精度的同时，降低高空作业风险，提高施工效率。

项目团队围绕滑雪大跳台预制装配式技术开展科技攻关，将结构分为单元标准模块，研发了大构件分段制作、模块化安装技术和赛道线形控制技术，支撑了世界首座永久性滑雪跳台的建设工作的顺利进行，对冬奥场馆未来建设有着重要的示范意义。

2.2 结构单元标准模块研究

首钢大跳台体量巨大，建造时需要结合其整体结构形式，并且综合考虑工业生产、交通运输、拆装方便等多种因素，化繁为简，将大跳台划分为一种或多种标准化单元模块，从而满足建筑单元模块化以及建筑形式多样化的需求。

在工程施工准备阶段先使用Tekla软件建模，综合考虑大跳台结构的特点以及施工、运输等因素，进行结构形式和模块化深化设计（图6）。首钢大跳台被分为变截面V型钢柱、赛道桁架、斜箱型格构柱、下丝带、上飘带5个部分，结合现场各专业施工实际情况分段吊装。

图6 滑道桁架分段示意

2.3 大构件分段制作、模块化安装技术

模块化建筑的特点决定了工厂加工制作和安装的重要性，针对一系列加工制作的问题，需要对复杂空间钢桁架制作技术、厚板焊接技术、大部件模块化地面拼装技术、大部件单元吊装技术等进行系列研究，保证模块化能够保质保量，实现高效装配化。

（1）空间异型桁架制作技术

利用数字化坐标转换技术，将空间结构原位关键点坐标转换到变位坐标施工胎架上，降低施工作业高度，减少技术措施投入，在确保异型钢构件组装精度同时，提高施工效率。

（2）高强钢厚板焊接技术

主体结构钢板安装过程需要焊接Q345GJC的80mm高强钢，焊接难度较大。需要对坡口形式、焊接材料，对焊接参数、预热温度、层间温度、后热温度及时间做出明确规定，制定焊接工艺并经焊接工艺评定合格。对不同结构构件制定消除焊接应力预防焊接收缩变形的预控与纠正措施、焊接方式及焊接顺序。

（3）大部件模块化地面拼装技术

根据测量数据，进行数字模拟预拼装，依据模拟结果修正下一步安装模块相应尺寸，在确保构件安装精度的同时，减少高空作业，提高施工质量及效率。

（4）大单元吊装技术

根据大跳台主体结构形式、安装作业条件以及施工工期，为保证安装质量及工期要求，采用大单元吊装技术，减少高空散拼施工，提高高空拼装精度，降低施工安全风险（图7）。

图7 滑道桁架大单元吊装

2.4 跳台赛道结构曲线成型控制技术

结合钢结构装配式安装特点，分析研究满足于结构受力、单元运输和吊装安全的单元模块子单元结构和合理的内部构件连接形式，针对预制结构特点，考虑多种拼接节点构造及配套设计方法，通过3D实体结构扫描确保赛道曲线成型精度。

（1）同步分级卸载技术

为保证施工安全，根据大跳台主体结构和临时支撑体系受力特点，决定使用同步分级卸载技术。通过千斤顶顶住桁架之后，切除一定高度的支撑型钢，然后再将千斤顶缓慢放压到切割高度，结构静置2小时，经检查无异常后再次进行下一步的卸载，循环逐步分级缓慢地进行卸载，最终使临时支架体系退出受力，主体结构依靠自身承重（图8）。

图8 同步分级卸载技术

（2）精密测量技术

大跳台结构复杂，安装定位难，通过三维模型给定构件定位相对坐标，采用智能全站仪精密测量技术，在安装的整个过程中，对构件定位测量，保证了大跳台主体结构的安装精度。安装结束后，使用3D激光扫描技术测量赛道表面平整度，并将实测的赛道线型理论模型进行对比，与理论模型误差在±30mm以内，满足建造精度要求（图9）。

图9 精密测量技术

3 结语

本文以国家跳台滑雪中心和首钢滑雪大跳台为例，围绕冬奥场馆赛道及临时设施预制装配式技术开展研究，通过对建筑、防火设计、临建设计、暖通、围护、给排水、电气等领域国内外标准技术规范的梳理，建立了适用于冬奥典型冰雪环境的临时建筑设施标准体系，探明了场区复杂山地地形对结构风荷载的影响规律，填补了国内技术标准的空白；研发了建造时临时装配式支撑体系、大构件分段制作、模块化安装技术、精密测量技术等系列赛道设施建造技术体系，在高精度控制赛道设施曲线同时，提升了施工质量和施工效率，保障了施工安全。冬奥环境下预制装配式技术系列研究成果为冬奥场馆的安全建造及可持续运维提供了宝贵的经验，对于我国冰雪运动的推广具有十分重要的意义。