索结构典型工程：国家速滑馆马鞍形单层正交索网屋盖

国家速滑馆位于北京市朝阳区奥林匹克公园西侧，国家网球中心南侧，总建筑面积9.7万平方米，承担了2022冬奥运会速度滑冰项目的比赛和训练，是北京赛区唯一为这次冬奥会新建的冰上竞赛场馆。设计理念来源于老北京传统冬季冰上旋转的陀螺和飘动的丝带，两个灵感巧妙地合二为一，演变成了包裹外墙的22条“冰丝带”——代表着北京冬奥会举办的2022年。屋盖结构投影尺寸为：226m×153m，采用马鞍形单层正交索网。 

图1 国家速滑馆

为实现复杂的建筑体型，设计团队提出了由屋盖索网、环桁架和外侧幕墙拉索组成的钢结构主受力体系，巧妙搭建起支承建筑绚丽“外衣”的骨架。采用了承重索、稳定索及索夹组成中间索网，连接于四周钢结构环桁架，并在环桁架外侧设置幕墙拉索，形成刚柔相间、刚柔相济的协同受力体系。其中屋盖索网平面尺寸为：198m×124m，标高15.800m～33.800m，最大高差18m，是世界上跨度最大的单层正交索网结构，短轴方向拉索为承重索，长轴方向拉索为稳定索，索网中间节点采用了上下分层的正交节点形式，结构三维示意图、平面示意图、结构剖面及相关节点示意图见图2、3及图4所示。屋盖索网和幕墙拉索均采用了国产密封索，其中承重索和稳定索均为双索，拉索数量与长度等详见表1。

结构主要特点如下：

1）屋盖体系采用全柔性索网结构+单元式屋面相结合的方式；

2）拉索规格和内力都较大，承重索和稳定索均采用双索设计，增加了索网提升和张拉的难度；

3）索网最终成形态与施工过程和边界条件密切相关；

4）提升张拉施工过程中，环桁架支座可水平滑动，待张拉成型施加配重后才将支座全部约束，极大的增加了施工难度。

         

         

图2 结构三维示意图

         

         

图3 结构剖面意图

a）结构平面示意图 

 b）索网中间节点示意图

图4 结构平面和节点示意图

根据国家速滑馆实际情况，采用高空溜索或搭设满堂支撑架的方法都无法满足施工进度的要求，综合考虑施工安全、成本、工期等方面的因素，提出了“地面组装索网，承重索整体提升，稳定索同步张拉”的施工方法，该方法避免了大量满堂支架的搭设，大大节省了施工费用。低空组装提高了组装质量，高空作业量少，速度快，节省工期，是安全合理、先进科学的安装方法，总体施工工艺流程见图5。

图5 施工工艺流程图

1）屋面索网铺放与组装

① 吊车行走通道

屋盖索网每根拉索长度较长，最大长度为196m，索网间距为4米，索网在体育馆内的投影将整个空间几乎布满，采用吊车铺放拉索，吊车前期有空间，随着索系的安装，吊车将没有站位空间，因此必须设置吊车行走通道，以保护索体。双索水平间距为300mm，吊车拟采用25吨汽车吊，吊车轮距为2.1m，行驶状态总重量为400kN，最大轴荷100kN，最大轮荷50kN。索体的保护方式为：索体周围用160×220mm的枕木包住，枕木上方铺20mm厚钢板。行走通道和局部构造示意图见图6a。

② 承重索铺放

采用25吨汽车吊、放索盘以及卷扬机等设施铺放承重索，铺放较长承重索时，东西方向布置1～4台吊车，用卷扬机牵引一端索头，吊车提起索体，将拉索慢慢在地面展开，最后用吊车将另一端索头提至高空，将索头放置在看台上，见图6b。

③ 稳定索铺放

同样的方法，利用25吨汽车吊、放索盘以及卷扬机等设施铺放稳定索，在索体上方放置索体保护装置，吊车可以在场地内自由通行，铺放较长稳定索时，南北方向同时布置1～6台吊车，见图6c。

④ 索夹安装

该工程正交索网索夹数量为1142个，单个索夹重量约135kg，索夹同时夹持承重索和稳定索两个放向的四根拉索。先将承重索铺放在地面上，然后采用吊车或门式架和导链将索体提离地面，安装一半索夹将双索夹持在一起，安装过程中，注意对齐索体上的标记点，然后通过专用扳手将索夹螺栓拧紧。承重索铺放完成后，铺放稳定索，将索夹按照索体标记点将稳定索夹紧，并通过专用扳手将索夹螺栓拧紧，见图6d。

⑤ 幕墙拉索安装

采用汽车吊吊住拉索的上端在放索盘上进行展索，利用25t吊车和挂篮将拉索的上节点安装在顶部的环桁架上，下节点采用导链、举臂车等将其安装到位，见图6e。

a）吊车行走通道

b）承重索铺放

c）稳定索铺放

d）中间节点安装 

e）幕墙拉索安装

图6 索网铺放与组装

2）屋面索网提升与张拉

① 承重索整体提升

根据仿真计算结果进行千斤顶的配置和提升与张拉工装的设计。根据仿真计算结果，将两侧各3榀承重索均旋出30mm，承重索在提升过程中的索力为110kN～633kN，两侧3榀承重索的张拉力为690kN～1430kN。最终使用184个1000kN和600kN的千斤顶进行承重索整体提升，提升过程中应以控制工装索的牵引长度和牵引力为主，控制索网整体位形为辅，千斤顶位置和提升工装示意图见图7a。

② 稳定索同步张拉

根据仿真计算结果进行千斤顶的配置和张拉工装的设计。根据仿真计算结果，最大张拉力值为3200kN，每个张拉点均配备2台2500kN千斤顶和2根φ65的钢拉杆，共使用120台2500kN的千斤顶进行稳定索的同步张拉，千斤顶位置和张拉工装示意图见图7b。

③ 幕墙拉索张拉

索网提升与张拉前，幕墙拉索安装完成并进行预紧。经过仿真计算，稳定索张拉完成后，幕墙拉索最大张拉力768kN，采用一台100t千斤顶进行幕墙索张拉，张拉示意图见图7c。

a）承重索整体提升

b）稳定索同步张拉

c）幕墙拉索张拉

图7 索网提升与张拉