國家速滑館柔性索網(wǎng)結(jié)構(gòu)下方除濕風(fēng)管安裝技術(shù)

呂 莉

(北京住總建設(shè)安裝工程有限責(zé)任公司，北京 100028)

1 工程概況

國家速滑館位于北京市北五環(huán)林翠橋東南，國家網(wǎng)球館南側(cè)，為北京2022年冬奧會舉辦速度滑冰的比賽場館，又稱“冰絲帶”。工程建筑面積約9.7萬m2，地下2層，地上3層，建筑高度33.8m，冰面面積約12 000m2，建成后將成為亞洲最大的人工冰場，與國家體育場“鳥巢”、國家游泳中心“水立方”共同組成北京——世界首個(gè)“雙奧之城”的標(biāo)志性建筑群，建筑效果如圖1所示。

圖1 國家速滑館建筑效果

速滑館屋面結(jié)構(gòu)的外圍周圈是大型環(huán)桁架鋼結(jié)構(gòu)，中心區(qū)域?yàn)槟壳笆澜缱畲罂缍?198m×124m)最大單層雙向正交馬鞍形索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由98根東西向排列的承重索和60根南北向排列的穩(wěn)定索組成，索體直徑分別為64mm和74mm，在場館上方呈4m×4m間隔網(wǎng)狀布置，索網(wǎng)均采用雙索構(gòu)造，并列平行安裝，間距為300mm左右，總長度為20 450m。屋面索網(wǎng)總質(zhì)量為581t，在承載力不變的情況下，索網(wǎng)整體用鋼量為傳統(tǒng)鋼屋面的1/4，較傳統(tǒng)網(wǎng)架屋面大大節(jié)約鋼材，節(jié)省空間，降低能耗，符合“綠色辦奧”理念。

場館除濕系統(tǒng)是重要的空調(diào)系統(tǒng)。除濕送風(fēng)風(fēng)管從場館4個(gè)方位穿環(huán)桁架進(jìn)入索網(wǎng)區(qū)域，布置在索網(wǎng)下方，風(fēng)管吊架的根部以索體為固定點(diǎn)，安裝方法與在常規(guī)混凝土或其他鋼結(jié)構(gòu)上的做法完全不同。對除濕風(fēng)管在索網(wǎng)區(qū)域的安裝方法、支吊架選型設(shè)置、與索體固定的根部節(jié)點(diǎn)做法需進(jìn)行深入的技術(shù)研究；風(fēng)管固定在柔性的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)上，要充分考慮抗柔性屋面變形的技術(shù)措施；除濕風(fēng)管安裝在20～30m的高空區(qū)域，風(fēng)管吊裝要確保平穩(wěn)安全，操作人員需配合風(fēng)管吊裝，在空中同步進(jìn)行風(fēng)管支吊架安裝和風(fēng)管連接，施工難度大。針對索網(wǎng)下方除濕風(fēng)管安裝的技術(shù)特點(diǎn)和難點(diǎn)，項(xiàng)目部進(jìn)行了技術(shù)研究和技術(shù)創(chuàng)新，解決了大跨度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)安裝除濕風(fēng)管的難題。

2 除濕系統(tǒng)概況

場館賽時(shí)容納12 038個(gè)座席，人員呼吸及冰面溫度很低造成空氣中所能容納的水蒸氣含量大大降低，場館要啟動除濕設(shè)備及時(shí)去除空氣中多余的水蒸氣。除濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)的氣流組織，是在場館中央?yún)^(qū)域的上方環(huán)形布置88個(gè)送風(fēng)口向下送風(fēng)，每個(gè)風(fēng)口的最大送風(fēng)量約1 350m3/h，場館下方四周設(shè)置16個(gè)2 000mm×1 500mm回風(fēng)口，將濕度大的空氣送回至除濕機(jī)組。

工程設(shè)置的4臺除濕機(jī)組，分別位于地下2層4個(gè)區(qū)域段的空調(diào)機(jī)房內(nèi)，風(fēng)管在機(jī)房進(jìn)入土建結(jié)構(gòu)豎井，自地下2層沿豎向垂直安裝進(jìn)入屋面環(huán)桁架，水平穿越環(huán)桁架后再進(jìn)入索網(wǎng)區(qū)域。除濕風(fēng)管在索網(wǎng)中心區(qū)域?yàn)镈1 000mm的圓形螺旋縫風(fēng)管，沿場館內(nèi)圈馬道外側(cè)呈橢圓形布置，一圈的總長度約420m。在地下機(jī)房直至與圓形風(fēng)管連接前均為2 000mm×700mm的矩形管道，單臺除濕機(jī)組矩形送風(fēng)管總長度約為60m，具體布置如圖2所示。

圖2 除濕風(fēng)管布置示意

3 除濕風(fēng)管荷載計(jì)算

索網(wǎng)下除濕風(fēng)管固定在索網(wǎng)結(jié)構(gòu)上，索網(wǎng)結(jié)構(gòu)為不穩(wěn)定承重結(jié)構(gòu)形式。風(fēng)管安裝的總體自重、荷載分布的均勻性要符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的承重要求，應(yīng)經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)核。

除濕風(fēng)管荷載組成包括：2 000mm×700mm矩形風(fēng)管及保溫的自重；索網(wǎng)下D1 000mm圓形螺旋縫風(fēng)管及保溫的自重；風(fēng)管支吊架總自重；風(fēng)口及調(diào)節(jié)閥門總自重等。

1)2 000mm×700mm矩形風(fēng)管長160m，質(zhì)量M=8 139kg，保溫質(zhì)量M=1 765kg，總質(zhì)量=9 904kg。

2)D1 000mm圓形風(fēng)管長420m，質(zhì)量M=10 354kg，保溫質(zhì)量M=2 824kg，總質(zhì)量=13 178kg。

3)風(fēng)管法蘭采用└40×4，矩形風(fēng)管加固采用└30×3， 按600mm長度安裝，總質(zhì)量約5 600kg。

4)風(fēng)格支吊架總質(zhì)量約為2 600kg。

5)風(fēng)口及風(fēng)閥質(zhì)量每組按15kg考慮，共1 320kg。

因此，除濕風(fēng)管系統(tǒng)總質(zhì)量G=9 904+13 178+5 600+2 600+1 320=32 602kg。

按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對索網(wǎng)承重?cái)?shù)值要求：索網(wǎng)區(qū)域各專業(yè)管線、設(shè)備總承載≤4 000kN，質(zhì)量≤400kg/m。除濕系統(tǒng)總質(zhì)量為32.6t，與其他專業(yè)合計(jì)總質(zhì)量<400t，滿足設(shè)計(jì)要求；風(fēng)管質(zhì)量為56.2kg/m，滿足索網(wǎng)結(jié)構(gòu)承重要求。

4 除濕風(fēng)管與索網(wǎng)固定安裝

4.1 風(fēng)管吊桿根部固定安裝

1)風(fēng)管吊桿與專用U形卡固定安裝

南北向排列的風(fēng)管以圓形風(fēng)管為主，風(fēng)管與東西向的承重索相垂直，風(fēng)管采用兩側(cè)雙吊方式，兩側(cè)吊桿上端固定在同一根索體上。吊桿與索體固定節(jié)點(diǎn)采用定制的專用U形卡，U形卡的上下卡與索網(wǎng)抱住，用螺栓在卡的翼邊夾緊固定，在U形卡一端焊接100mm長短接管，管內(nèi)螺紋用于連接風(fēng)管的吊桿。U形卡與索體固定時(shí)內(nèi)壁襯1mm鋅板，對索體的鋼繩起到保護(hù)作用，防止磨損和金屬電化學(xué)腐蝕。

2)通過索網(wǎng)上方的槽鋼轉(zhuǎn)換橫擔(dān)固定

當(dāng)風(fēng)管遇弧度安裝或拐彎安裝時(shí)，風(fēng)管走向與索網(wǎng)呈一定角度，風(fēng)管支架固定吊點(diǎn)采用槽鋼轉(zhuǎn)換方式安裝。槽鋼轉(zhuǎn)換橫擔(dān)與風(fēng)管相垂直，兩端通過U形卡與索體固定，一端固定在南北向穩(wěn)定索上，一端固定在東西向承重索上。U形卡與索體固定，用圓鋼制作支撐桿，兩端套絲，一端與索體固定的U形卡短接桿固定，另一端穿槽鋼上下邊與槽鋼固定，槽鋼上部出桿部位用平墊、彈簧墊加自鎖螺母和普通螺母進(jìn)行雙螺母固定。槽鋼作為風(fēng)管支撐的轉(zhuǎn)換固定結(jié)構(gòu)件，在風(fēng)管兩側(cè)安裝的吊桿固定在槽鋼上，槽鋼與吊桿連接孔必須進(jìn)行機(jī)械開孔，加平墊和雙螺母固定。

3)圓形風(fēng)管軟連接兩側(cè)支架固定

場館圓形除濕風(fēng)管固定在柔性的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)上，考慮柔性結(jié)構(gòu)變形的情況，風(fēng)管每隔15～20m安裝300mm長保溫加筋的柔性軟連接，用于吸納結(jié)構(gòu)變形對管道的影響。按規(guī)范要求在軟連接兩側(cè)安裝支吊架，確保管道安裝的穩(wěn)定性。在軟連接上方順風(fēng)管方向平行安裝2根槽鋼轉(zhuǎn)換支架，槽鋼長度500～600mm，用U形抱卡固定在雙索結(jié)構(gòu)上，風(fēng)管吊桿再與槽鋼固定。

3種安裝方法如圖3所示。

圖3 風(fēng)管吊桿根部固定安裝

4.2 風(fēng)管安裝構(gòu)件

除濕風(fēng)管固定在索網(wǎng)結(jié)構(gòu)上，根部固定件與常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)不同。采用定制的專用U形卡、彈簧減振器、圓形風(fēng)管抱箍等構(gòu)件(見圖4)。

1)U形卡 U形卡是定制的外加工件，采用50mm×5mm扁鋼定制加工，與索體上下固定。U形卡半環(huán)與索體半徑基本一致，預(yù)留1～1.5mm間隙，上下對接連接。與風(fēng)管吊桿端固定連接的U形卡焊接長100mm的φ14短接桿，用于與風(fēng)管吊桿連接，吊桿擰入短接桿處加螺母進(jìn)行固定。U形卡翼邊長度為40mm，上下機(jī)械開孔，用M12螺栓和自鎖螺母加普通螺母雙螺母固定。

2)彈簧減振器 風(fēng)管安裝的全部吊架均安裝減振器，用于消納柔性結(jié)構(gòu)變形對風(fēng)管安裝的影響，選用阻尼彈簧減振器，除濕風(fēng)管安裝總計(jì)使用數(shù)量約為400個(gè)。減振器上端面與風(fēng)管吊桿固定，上下螺母固定，下端連接吊桿與風(fēng)管抱卡或橫擔(dān)固定牢固。

3)圓形風(fēng)管抱箍 抱箍由上下2個(gè)半環(huán)組成，采用50mm×5mm扁鋼制作，翼邊長度為50mm，抱箍與風(fēng)管間內(nèi)襯3mm厚A級石棉橡膠板，起防滑、絕緣、絕熱作用。風(fēng)管上下抱箍翼邊機(jī)械開孔，用M14自鎖螺栓固定。

4.3 風(fēng)管吊裝

除濕風(fēng)管安裝高度為0.02～30m，沿內(nèi)圈馬道外側(cè)1～2m間距安裝，整體呈橢圓形，南北方向中間段為直管段，其余為弧形安裝段，采用D1 000mm 的鍍鋅鋼板圓形螺旋縫風(fēng)管，為外加工產(chǎn)品，直管段標(biāo)準(zhǔn)尺寸為4m一節(jié)，風(fēng)管法蘭連接。風(fēng)管吊裝采用先分段組裝、后整體吊裝的方法，提高風(fēng)管安裝效率和安裝質(zhì)量。

圓形風(fēng)管在場地平整區(qū)域進(jìn)行組裝，每3節(jié)為一組，長度為12m，D1 000mm風(fēng)管加保溫總質(zhì)量約為580kg。風(fēng)管組裝完成后，利用自行研制的吊裝機(jī)具將風(fēng)管吊運(yùn)至高空位置后進(jìn)行安裝。

4.3.1自行研制風(fēng)管吊裝機(jī)具

項(xiàng)目自行研制風(fēng)管吊裝機(jī)具用于風(fēng)管吊裝時(shí)固定風(fēng)管。風(fēng)管分節(jié)組裝好后，固定在自制托具上，倒鏈一端固定在托具預(yù)留的吊耳上，進(jìn)行風(fēng)管的組段吊裝。

自行設(shè)計(jì)研制的圓形風(fēng)管吊裝機(jī)具由上下扁鋼抱卡、槽鋼橫托、固定吊耳和連接螺栓等組成。扁鋼抱卡采用50mm×5mm扁鋼煨制成與D1 000mm風(fēng)管弧度一致的半圓形，兩端翼邊長度為50mm。槽鋼橫托采用[14，長度為1 600～1 700mm。固定吊耳在距槽鋼橫托兩端50mm處焊接φ20圓鋼，圓鋼在槽鋼上部煨制成半圓弧形狀，與槽鋼接觸部位雙側(cè)滿焊連接。風(fēng)管下側(cè)的扁鋼抱卡與槽鋼橫托焊接兩個(gè)支撐扁鋼進(jìn)行固定，支撐抱卡和橫托滿焊連接。上下抱卡采用φ12螺栓固定牢固，如圖5所示。

圖5 自行研制的風(fēng)管吊裝機(jī)具

4.3.2風(fēng)管吊裝

1)準(zhǔn)備工作 風(fēng)管吊裝前，先完成電動倒鏈的安裝及檢驗(yàn)工作。將4個(gè)2t電動倒鏈安裝在索網(wǎng)上，電動倒鏈的一端吊環(huán)固定在索體上，將另一端的鏈條放下，準(zhǔn)備風(fēng)管的吊裝。

2)風(fēng)管組裝 將3節(jié)4m長的風(fēng)管進(jìn)行法蘭組對連接，將風(fēng)管離法蘭500mm左右位置作為組裝風(fēng)管的吊裝點(diǎn)。風(fēng)管組裝后將其固定在自行研制的托具上，將槽鋼橫托上的扁鋼抱箍上下對正，螺栓固定牢固，再將電動倒鏈的掛鉤與固定吊耳掛牢(見圖6a)。

圖6 風(fēng)管吊裝施工

3)風(fēng)管整體提升 檢查確認(rèn)風(fēng)管固定牢固后，操作上方的電動倒鏈，進(jìn)行風(fēng)管的整體提升，整體提升速度控制在1～2m/min，將風(fēng)管平穩(wěn)提升后，風(fēng)管兩側(cè)由操作工人利用2臺曲臂車進(jìn)行風(fēng)管支吊架安裝和風(fēng)管連接的操作(見圖6b)。

4.4 圓形風(fēng)管保溫及強(qiáng)度嚴(yán)密性試驗(yàn)

場館中心區(qū)域除濕風(fēng)管采用的圓形螺旋縫風(fēng)管為外購產(chǎn)品，由生產(chǎn)廠商提供檢測報(bào)告，風(fēng)管多節(jié)組裝吊裝前進(jìn)行分項(xiàng)工程質(zhì)量檢查，合格后再進(jìn)行下道工序。圓形風(fēng)管每節(jié)標(biāo)準(zhǔn)長度為4m,吊裝前將風(fēng)管兩側(cè)的法蘭端各預(yù)留出200mm長度不進(jìn)行保溫，其他部位嚴(yán)密保溫。風(fēng)管整體吊裝安裝后，對風(fēng)管系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)密性試驗(yàn)即漏風(fēng)量測試，合格后再將法蘭連接口處的風(fēng)管進(jìn)行保溫。

除濕風(fēng)管工作壓力為1 000Pa，為中壓系統(tǒng)。按GB 50243—2016《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》4.2.1條，允許漏風(fēng)量值Qm≤0.035 2P0.65，本工程風(fēng)管漏風(fēng)量測試值應(yīng)<3 137m3/(h·m2)，現(xiàn)場實(shí)測值為0.932 8m3/(h·m2)，遠(yuǎn)小于規(guī)范允許漏風(fēng)量值，證明風(fēng)管制作加工工藝可靠，管道連接嚴(yán)密(見圖7)。

圖7 漏風(fēng)量現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)讀取

4.5 風(fēng)口安裝

除濕風(fēng)管采用妥思旋流風(fēng)口。場館內(nèi)風(fēng)口安裝距離地面高度為18～23m，風(fēng)口參數(shù)能達(dá)到下吹20m高度的要求，確保場館送風(fēng)。風(fēng)口氣流組織及現(xiàn)場安裝如圖8所示。

5 除濕風(fēng)管抗變形技術(shù)措施

速滑館屋面是在索網(wǎng)結(jié)構(gòu)上安裝適應(yīng)索網(wǎng)柔性變形的單元板塊，當(dāng)屋面受雨、雪、風(fēng)等荷載作用時(shí)會產(chǎn)生一定的變形量，除濕風(fēng)管以索網(wǎng)為安裝固定結(jié)構(gòu)，也會隨之產(chǎn)生一定變形，為解決因結(jié)構(gòu)變形對硬性連接風(fēng)管產(chǎn)生的應(yīng)力，場館內(nèi)除濕風(fēng)管采取以下抗變形技術(shù)措施。

圖8 風(fēng)口氣流組織及現(xiàn)場安裝

5.1 安裝柔性軟連接

風(fēng)管安裝軟連接起到抗變形、抵消索網(wǎng)變形量的作用。軟連接管采用帶加筋保溫的復(fù)合硅玻鈦風(fēng)管，內(nèi)襯保溫材質(zhì)為超細(xì)玻璃棉，軟連接長度為300mm，采用法蘭連接，兩側(cè)安裝支吊架。

軟連接安裝在以下位置： ①除濕風(fēng)管從環(huán)桁架鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)入索網(wǎng)區(qū)域的連接處； ②矩形風(fēng)管進(jìn)入索網(wǎng)與環(huán)狀圓形風(fēng)管接口處； ③矩形風(fēng)管穿越馬道處； ④環(huán)形圓風(fēng)管15～20m間隔安裝軟連接。本工程共計(jì)安裝46個(gè)軟連接，具體安裝位置如圖9所示。

圖9 軟連接安裝位置

5.2 風(fēng)管支吊架安裝彈簧減振器

除濕風(fēng)管雙側(cè)吊桿均安裝減振器，以吸納索網(wǎng)變形，除濕風(fēng)管共計(jì)安裝近400個(gè)阻尼彈簧減振器(見圖10)。

圖10 風(fēng)管支吊架彈簧減振器安裝

6 結(jié)語

國家速滑館屋面為大型環(huán)桁架及柔性索網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式，在屋面下方安裝大量機(jī)電管線及末端裝置服務(wù)于體育場館的各項(xiàng)使用功能。場館除濕風(fēng)管安裝在柔性索網(wǎng)結(jié)構(gòu)下方，以索網(wǎng)為固定結(jié)構(gòu)，安裝技術(shù)難度大，標(biāo)準(zhǔn)要求高。項(xiàng)目部在風(fēng)管支吊托架選型，風(fēng)管與索網(wǎng)結(jié)構(gòu)固定的根部節(jié)點(diǎn)做法，風(fēng)管高空作業(yè)安裝方法，風(fēng)管固定在柔性結(jié)構(gòu)屋面的抗變形技術(shù)措施等方面進(jìn)行了深入的技術(shù)研究，創(chuàng)新做法，解決安裝難題，取得了良好的實(shí)施效果，為今后類似工程實(shí)施提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。