0 引言

　　国家游泳中心(“水立方”)作为2008年夏季奥运会游泳、跳水和花样游泳的比赛场馆，在2022年冬奥会和冬残奥会期间将变身为“冰立方”，成为男女冰壶、轮椅冰壶的比赛场馆。

　　2017年科研团队设计了适用于游泳池的2种结构支撑和3种面板，在比赛大厅游泳池实际位置搭建了总计5种试验组合，最终分析各项数据确定了轻质钢结构+轻质混凝土预制板的方案。2019年5～7月，在加工厂组织了多次高频焊接薄壁H型钢构件预拼装试验，并检测构件精度及安装完成后的平整度，均能达到验收要求。2019年7月初，在泳池东北角施工样板，调整后可达到使用要求。2019年7月底，完成了转换结构施工，经检测预制板面层平整度100%达到验收要求，结构堆载试验满足设计要求。

　　1 工程概况

　　国家游泳中心冬奥会冰壶场馆改造项目冰壶赛道结构整体为长方形，赛道长56.7m，宽26.7m。赛道支撑架体选用钢结构支撑架体，梁、柱构件均采用高频焊接薄壁H型钢，构件所用钢材为Q235B级钢，梁柱支撑连接螺栓采用10.9级M16高强螺栓，赛道面层采用轻骨料混凝土预制板，主要规格为1 000mm×1 000mm×100mm，强度等级为L40，容重为18kN/m³。共使用预制板1 568块，钢结构140t。

　　高频焊薄壁H型钢近些年来在美国、日本等欧美发达国家普及应用，尤其是在建筑屋面梁、檩条和轻质住宅中较为常用，在前期的选材选型方面，结合实际情况，考虑到高频焊薄壁H型钢优良的截面性能及加工制作方便，最终确定其作为“冰水转换”钢结构支撑用材。

　　2 BIM技术应用

　　1)通过BIM技术建立模型辅助解决钢构件的工业预制化及装配式安装的问题，减少加工和安装偏差，如图1所示。

　　图1 转换结构BIM应用 

　　2)通过对比赛大厅水冰转换BIM仿真施工工艺模拟，进行钢结构节点安装模拟，以解决施工工序合理组织的问题。

　　3)利用BIM模型进行可视化交底解决节点可视化，模型编入施工方案，解决每次转换不少于50人的无纸化技术交底问题。

　　4)BIM模型辅助图纸会审，通过BIM模型，对深化图纸进行直观反馈，提前发现图纸问题并及时解决，研究泳池赛道安装节点及质量精度控制方法，修改完善连接节点，避免返工，保障项目按工期完成。

　　5)辅助深化设计，利用BIM技术对泳池钢结构架体上需要搭设的混凝土预制板进行深化设计，并生成施工图和构件加工图。

　　6)钢结构施工过程管理，编制钢结构构件采购、进场计划，对构件加工及运输进行跟踪管理，进行钢结构构件进场验收、安装过程管理。将泳池钢结构架体模型导入广联达BIM5D，计划在下次转换前给每个钢结构构件1个二维码，二维码包含了钢结构件所有的参数信息，对构件加工、运输、进场验收及安装全过程进行跟踪管理。

　　3 加工过程质量控制

　　薄壁H型钢具有质量轻、刚度性能好、利于环保等优点，高精度轻型薄壁H型钢以其良好的经济性广泛应用在轻型钢结构领域。但H型钢腹板及翼缘薄，仍存在加工困难、轧制控制敏感度高、尺寸控制难度大等问题。

　　3.1 长度修改

　　机械设备精密加工厂采用铣床对高频焊H型钢进行长度修改，其效果可满足长度误差要求，但铣床步骤繁多且速度较慢无法满足工期要求，工厂大量使用人工磨光机进行手工打磨与铣床同步进行以满足工期要求。

　　3.2 焊接

　　本工程所采用的转换结构支撑型钢为高频焊H型钢，利用高频电流，流经工件接触面所产生的电阻热，使工件金属形成连接，因焊接速度快、焊件自冷作用强，故不仅热影响区小，而且还不易发生氧化，因此焊缝的组织和性能十分优良。型钢上所焊接的加劲板出于减少焊接变形的考虑，保证后期打孔精度，采用气体保护焊，在保证外观质量的前提下确保产生最小变形。

　　3.3 校正

　　本工程轻型薄壁高频焊H型钢为特殊材料，在生产时就易侧弯、起拱、下挠，从表1中可以看出，钢材的厚度非常薄，对截面高度与宽度的允许误差非常小，且在经过长途运输及焊接加工后，难免会有一定变形，故校正必不可少。校正首先需制作出每种型号构件的模具胎架，制作完成后再放入型钢使用千斤顶进行机校，后取出再用烤枪对未校正好的部位进行高温火校，火校完成后再次放入模具中进行最终机校。全部完成后对钢梁钢柱逐一检查，对未达标的构件再次进行校正，以确保每根构件的精准度满足要求。

　　表1 材料允许误差 

　　mm

　　3.4 打孔

　　本工程共计有34 000余个孔，由于孔位的精准程度直接影响后期预制板安装的偏差，所以孔间距必须精益求精，多次试验后决定使用数控红外线精准定位，定位完成后再用数控红外等离子机进行精准开孔。由于在前期的试验过程中发现焊接应力对孔距有一定的干扰，无法保证钢梁上的孔距偏差控制在±0.5mm以内，故要求钢梁的开孔作业必须在焊接作业完成后，并且对每根钢梁进行逐一测量，避免不合格钢梁发往施工现场。

　　3.5 预拼装

　　为保证每根构件运达现场后能够准确无误安装，在钢结构加工完成并检查合格后，对所有构件进行预拼装。在拼装过程中每根构件、每颗螺栓、每个垫片全部安装到位并记录安装过程，防止在正式施工中出现施工慢、平整度>±1.5mm、孔位精确度未达要求等问题。预拼装完成后对每根钢梁钢柱做出标记以便在现场正式安装时能一步到位。

　　4 安装过程质量控制

　　为达到“冰水转换”的效果，本工程设计采用钢柱无预埋(钢柱无固定基准定位点)且底部可调节式安装，无预埋安装时对每条线、每个点、每根钢柱、每根钢梁必须精准控制。为保证转换结构平整度要求，须先对整体水池进行高程测量，将结构整体高差控制在±1cm以内，因此在转换结构安装过程中随施工、随测量、随调整，确保转换结构的整体标高在可控范围内。

　　4.1 成品保护

　　泳池瓷砖是奥运会游泳比赛专用指定瓷砖，在安装过程中每根钢柱底部都设置5mm厚的橡胶垫来隔绝钢柱与水池底部瓷砖。并专门定制环保地毯铺设在水池周围及施工区域对瓷砖进行防剐蹭保护，并派专人时刻清理安装区域。

　　为实现冰、水赛事多次转换及运营要求，转换薄壁型钢结构支撑体系需多次安拆及频繁倒运，但由于薄壁型钢结构本身质轻板薄，要求构件在安拆及运输过程中采用可重复利用防磕碰措施，提高经济效益。通过使用钢结构运输存放支架、单根多吊点起吊、加强旁站监督管理等方法，实现构件的成品保护和包装费用的节约。

　　4.2 钢结构安装

　　本项目构件繁多，安装钢柱、钢梁的平整度、垂直度、横纵方向的侧弯度、孔位必须保证控制在允许范围内，以确保达到国际奥委会对冰壶场地所需结构支撑的要求。在安装过程中对梁柱的孔间距全程使用2台经纬仪对横纵方向严格把控。冰上运动中冰壶比赛对冰面的平整度及标高要求最高，故转换结构的标高控制是安装过程中的控制重点。

　　由于水池存在高差，所以在安装每根钢柱时均采用水准仪对钢柱顶标高测量后进行调整，以保证整体高差低于2mm。

　　钢柱标高调整完毕后将斜撑杆与钢柱连接，钢梁安装过程同样对标高进行实时测量，分区域进行调整。

　　由于构件之间采用高强螺栓进行连接，螺栓拧紧后，必然会有轻微的变形而导致梁顶标高发生变化，这时通过钢柱底部可调节措施进行标高调整，确保钢梁标高偏差在±2mm以内。

　　为保证标高调整的准确性，根据东北角标高基准点利用水准仪、塔尺抄测Ⅰ区域钢梁顶标高，高于2mm处均通过柱底调节设施进行调整，保证梁顶标高不高于基准点2mm，同时对于低的部位通过增加垫片进行调整。测量顺序同安装顺序依次为Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ→Ⅵ→Ⅶ(见图2)，其中Ⅰ，Ⅱ，Ⅳ均通过原始基准点测量，Ⅲ，Ⅴ，Ⅵ由于水准仪架设距离过远，需将原始点标高引测至Ⅱ，Ⅳ区域。

　　图2 分区安装测量 

　　为保证钢梁顶标高，项目施工期间制定“五级监测”质量体系:即班组监测、分包管理人员监测、总包工程部监测、总包质量部监测、监理单位监测。通过严格组织与精细测量，最终测得全部636根柱顶标高均控制在±2mm以内，为其上部预制板的安装提供保障。

　　5 经济效益

　　一般情况下，由水赛道改造为冰赛道一次需要400～500万元，通过冰水转换综合技术，可以实现多次周转，平均一次仅需造价约120万元，能最大限度对赛道重复利用，将功能最大化。缩短施工工期30%～50%，可加速资金周转，节约利息。薄壁H型钢质量轻，结构造价大大降低。制作安装方便，可实现完全工厂化制作。节约用钢量，与热轧型钢相比，节约用钢量10%～15%，社会效益显著。

　　6 结语

　　冰水转换支撑结构的设计理念是在力求施工轻便、搭拆迅速的同时达到安装高精度要求，但由于薄壁型钢壁厚过薄，加工过程中的孔距与安装过程中的标高控制为质量控制要点，本项目在施工过程中对转换结构质量的精确控制为冰壶赛道改造后续施工奠定了坚实基础。后续预制板的安装进展十分顺利，共测量3 000余个点位，通过实时调整，1 568个预制板安装高差100%符合使用要求。通过堆载试验测得泳池区域在1 000kg/m²的荷载下，转换结构钢梁最大变形仅为1.65mm，完全符合设计<3mm的要求。

　　冰水可转换场地技术也可实现水上运动与冰上运动的自如切换，该方案可为后续体育场馆的反复利用、综合利用和持久利用提供有益参考。