冰雪盛宴中的混凝土力量

第24届冬奥会正在如火如荼地进行中。  

流畅大气的“冰丝带”、伟岸的钢结构“鸟巢”和灵动的膜结构“水立方”共同组成北京这座世界首个“双奥之城”的标志性建筑群。  

在这场举世瞩目的冰雪盛宴中，绿色低碳与高科技是“压舱石”。其中，混凝土的多项科技创新成果圆满地构筑出了冬奥工程的“经脉”与“骨骼”。一个个冬奥工程的华美英姿下面，都有一副强健的“臂膀”在支撑着，那便是来自混凝土的力量。  

特种混凝土制成“冰丝带”的坚强“内核”  

作为亚洲建造最大冰面的技术支撑，“冰丝带”工程大面积采用特种混凝土。建设中主要采用了3种特种混凝土：抗冻混凝土、补偿收缩混凝土和自密实混凝土。  

“冰丝带”即国家速滑馆，是北京冬奥工程中的“骄子”。丝带飞扬，连通世界。“冰丝带”彰显了中国建筑行业的先进水平，其智能建造及智慧场馆技术标志着土木工程正向信息化、数字化发展，这为全球基础设施和重大工程建设提供了经验，起到了推广示范作用。北京冬奥会期间，“冰丝带”主要承担速度滑冰比赛和训练项目。“冰丝带”，寓意冰和速度的结合，与另外两个重要建筑“水立方”“鸟巢”相呼应，形成“水”“火”“冰”的质感对比。  

“冰丝带”建筑面积约8万平方米，其建筑结构体系主要由屋顶索网、环桁架、斜拉索和混凝土结构组成。2018年9月30日，由北京城建集团施工总承包的2022年冬奥会北京赛区标志性工程——国家速滑馆工地9.7万平方米的混凝土结构提前两天实现封顶目标，为后期工程目标奠定了坚实的基础。  

“冰丝带”结构工程分为混凝土结构、钢环桁架结构、幕墙结构和屋面索网结构，其中混凝土结构被称为“内核”，类似于人的骨骼。  

作为亚洲建造最大冰面的技术支撑，“冰丝带”工程大面积采用特种混凝土。建设中主要采用了3种特种混凝土。  

一是抗冻混凝土。在低温环境下，冻融破坏会造成混凝土开裂、剥落，是影响混凝土耐久性的主要因素。在混凝土中掺入适量钢纤维，可提高混凝土的抗裂能力，达到改善冻融性能的效果。因此，在国家速滑馆冰下地面建造过程中使用了特种CF50P8F250钢纤维抗冻混凝土。  

二是补偿收缩混凝土。用膨胀剂配制补偿收缩混凝土是减少混凝土结构开裂的重要措施之一，国家速滑馆工程空间尺度大，易产生开裂问题，因此要大量采用补偿收缩混凝土。  

三是自密实混凝土。这项工程部分设计为大截面复杂异形劲性结构，混凝土浇筑较困难，设计时采用了自密实混凝土。自密实混凝土由于组分更加复杂，其力学性能有别于普通混凝土，因此施工工艺也在原有技术的基础上进行了改进。工程中的底板、外墙、顶板梁全部采用补偿收缩混凝土；竞赛场地比赛区域采用抗冻等级高达F250的抗冻混凝土；同时，竞赛场地比赛区域中每个制冰单元之间左右各2米还使用了抗冻钢纤维混凝土。在8.9万立方米的地下结构混凝土用量中，特殊混凝土占比90%以上。  

水泥废桩头造看台泡沫混凝土铺路基  

“冰丝带”在建造过程中，首次应用了绿色再生混凝土，将“冰丝带”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。再生骨料经过通过精心的配合比设计和严控质量，成为C45再生混凝土，用其生产的清水混凝土使看台构件质量得到了保证。从“冰丝带”的基础工程中走出，又变身再生混凝土重新回到“冰丝带”，这种方式的循环利用在国内尚属首次。  

“冰丝带”不仅在外观上具有非常鲜明的标志性，更重要的是在科技、绿色、节俭办奥运方面具有新时代体育场馆的引领性作用。“冰丝带”的轻型屋盖系统，长跨约200米，短跨约130米，用钢量仅有传统屋盖系统的1/4。对水泥废桩头进行回收再利用，转化成制作看台的原材料。同时，“冰丝带”所采用的看台板为国内首例弧线清水混凝土看台板，预制看台构件虽然尺寸多样、弧度多变，但却严丝合缝地拼装成为一个宏大的看台；环桁架安装的同时，土建和钢结构施工同步进行，为总进度目标的实现打下了基础。环桁架整体滑移所用的支撑体系，周转于北京大兴国际机场等建设项目，以后还可以再次投入新的建设项目中，并在生命周期内反复利用。这些高效、环保的新技术、新工艺是“冰丝带”建设不断刷新“冬奥速度”的关键。  

“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方面都有突破性提升。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“冰丝带”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。再生骨料经过通过精心的配合比设计和严控质量，成为C45再生混凝土，用其生产的清水混凝土使看台构件质量得到了保证。从“冰丝带”的基础工程中走出，又变身再生混凝土重新回到“冰丝带”，这种方式的循环利用在国内尚属首次，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。同时，为实现工程整体绿建三星目标打下坚实的基础。  

全长约42.2公里的冬奥会重点保障工程兴延高速公路总体呈南北走向，南起北京西北六环路双横立交，北至京藏高速营城子立交收费站以北。线路主要途经昌平区、延庆区。其中，全长2600多米的白羊沟特大桥和1200多米的梯子峪隧道也是极具挑战的重点控制性工程。  

在道路施工过程中，专门采用循环利用的方法，把隧道排出的矿山水广泛用于工地降尘、混凝土养护等；在山头爆破时，创造性地采用高压扬程水泵，大大降低了沙尘污染；此外，还通过集中储存，把隧道洞门、山体等挖掘的优良土壤归类放置，工程完工后，在复垦时再运回田地。技术小组还引进推行轻质气泡混凝土用于路基施工，不仅施工速度快，确保了路基强度等设计要求，而且施工灵活，实现了节能目标。  

“水立方”与“冰立方”的奇妙转换  

从木箱、铝板到混凝土支撑面板，从脚手架到钢结构支撑体系，团队经过近3年的反复比较斟酌，最终薄壁H型钢和轻质混凝土预制板的搭建方式，得到了国际冰壶协会的认可。终于，由2600多根钢构件和1500多块混凝土预制板支撑起的冰壶场地惊艳亮相。  

“水立方”是北京奥运会的标志性建筑之一，游泳运动员曾在这里打破过21项世界纪录，被称为世界上最快的游泳池。但在北京冬奥会上，曾惊艳世界的奥运场馆“水立方”变身“冰立方”，作为冰壶等项目的比赛场地。由此，“水立方”也成为世界首个实现“水冰转换”的场馆。  

众所周知，水与冰是同一个物质，但却是两种形态。如何在保有“水立方”水上功能的基础上，不破坏游泳池“一砖一瓦”，实现场馆的可持续利用？答案是需要改造。根据改造方案，国家游泳中心改造涉及建筑、结构、防水、膜维修等工程领域，约70个独立施工区，5万平方米的改造面积。其中，改造中最大的难点在于保有“水立方”水上功能的基础上新增冰上功能的“水冰转换”，即在比赛大厅中部通过搭建可转换结构及安装可拆装制冰系统，形成具有4条标准赛道的冰壶场地。  

“冰立方”项目最终选择了钢结构加轻质混凝土预制板结构体系。  

在泳池里“搭架子”看似简单，但这套冰场可转换钢结构的设计考量和安装精度十分精密。如何保证冰面在稳定牢固的同时，还能达到冬奥会比赛要求？秘密就藏在支撑冰面的可转换钢结构中。  

这套钢结构由2600根3米高、2米长的薄壁H型钢搭建而成，每根梁柱装有柱脚，每个连接点装有可拆卸高强度螺丝，确保钢架坚固结实。架体搭设完毕后，施工团队进行了荷载试验，最终试验结果显示，每平方米增加1吨的荷载，钢结构的最大变形仅有1.6毫米，符合3毫米以内的设计要求。作为支撑冰面“骨架”的一部分，制冰基础层施工也十分重要。首先要在混凝土预制板面上铺一层PE膜，然后再铺两层挤塑保温板，保温板之上再铺一层PE膜和抗滑移层，最上一层便是制冰管架。  

没有可供借鉴的先例，全部靠自己探索创新。从木箱、铝板到混凝土支撑面板，从脚手架到钢结构支撑体系，团队经过近3年的反复比较斟酌，最终薄壁H型钢和轻质混凝土预制板的搭建方式，得到了世界冰壶联合会的认可。终于，由2600多根钢构件和1500多块混凝土预制板支撑起的冰壶场地惊艳亮相。为了保障它的平稳运行，设计团队还在钢结构中安装了功能各异的传感器，它们就像人的触觉神经，用来评估场地各项性能。通过一系列的举措，最终可实现冰壶场馆比赛大厅确保任何热负荷条件下，冰壶赛道冰面温度达到－8.5℃，冰面以上1.5米处温度保持在10℃，相对湿度不超过30%，看台温度16～18℃，实现室内高大空间温度的分区调控，既满足了冰壶比赛环境的需要，又为观众营造了舒适的观赛环境。  

这种转换模式不仅实现了“水立方”与“冰立方”互换，还实现了转换材料重复利用，大幅降低后期拆除改造成本。特别要点赞绿色、节能、智能化的“冰立方”的骨骼脉络。国家游泳中心是典型的外柔内刚，外部只看到充气薄膜，好像弱不禁风，而支撑这些薄膜的则是坚实的钢结构，里面观众看台和室内建筑物为钢筋混凝土结构。就这样，地上部分的钢结构与地下部分的钢筋混凝土结构形成一个牢固的整体。正是靠着优越的结构形式和良好的整体性，“水立方”才拥有了“过硬的身体”，达到了抗震8级烈度的标准。