復雜地形下雙曲面氨制冷賽道夾具成型及安裝技術*

李 宇，宋茂祥，馮 濤，付紅偉，李 俊，徐 云

(上海寶冶集團有限公司，上海 200941)

0 引言

雪車雪橇項目是冬奧會中速度最快的項目，其專業性強、危險性高，被譽為冰雪運動中的“F1方程式”。為保障雪車雪橇項目安全、穩定、順利、精彩地開展，國際奧委會對雪車雪橇中心賽道建設提出了高標準和高要求，且需通過2個國際單項組織(IBSF國際雪車聯合會、FIL國際雪橇聯合會)進行認證才能予以驗收。雪車雪橇中心賽道安裝定位難度大、成型復雜、焊接作業空間小，從設計和施工層面均為冬奧會賽事場館中難度最大的設施。

2022年北京冬奧會國家雪車雪橇中心位于延慶賽區，賽道整體為復雜的雙曲面結構，高低起伏，成型不規則。總長度1 975m，垂直落差121m，設計最大速度134.4km/h，最大重力加速度4.7g，含16個彎道，其中第11個彎道為360°回旋彎。該賽道是國內第1條、亞洲第3條、世界第17條奧運會標準賽道，且在彎道數量、賽道長度、速度、難度等方面均達到世界之最，建成后將成為世界最高水平的賽道。

北京冬奧會國家雪車雪橇中心賽道采用直接蒸發式氨制冷系統營造冰面環境，由制冷管道夾具、制冷管及外包混凝土等組合構建三維曲面運動滑道，制冷管道總長11.9萬m。根據相關要求，管道夾具和制冷管道全部被混凝土包裹在內部，最終形成的賽道曲面平滑，施工精度要求控制為±5mm。為達到毫米級的成型精度，制冷劑管道夾具作為賽道骨架，其設計、成型、安裝及檢測為決定賽道三維曲面造型精準成型的關鍵因素。

雪車雪橇中心賽道作為此次冬奧會中項目設計難度最高、施工難度最大、最復雜的設施，因國外技術封鎖，國內無標準依據，也無以往的經驗可供參考，只能通過技術研發及科研創新，在實踐中摸索，形成自有技術，解決綜合技術復雜的夾具深化設計、加工、校正、檢測、運輸、安裝等技術難題，形成獨具特色并涵蓋360°回旋彎的雪車雪橇中心賽道夾具的加工、安裝成套施工技術。

1 施工重難點分析

1)目前，傳統建造技術及應用于一般復雜建筑工程的BIM技術，均無法滿足冬奧會標準雪車雪橇賽道的復雜性要求，因此，利用數字模型的賽道整體三維建模與構件分解方法，是保證本項目成果達到冬奧會標準的第一個難題，也是我國文化體育類項目中從未解決過的難題。

2)制冷管道夾具成型精度要求高，應合理選擇夾具材質，滿足制冷工況下-18℃工作要求的同時，保證經久耐用、經濟可行；對夾具的形狀及規格等進行優化，確定夾具切割形式、切割設備、檢測設備及檢驗方法等，從而確保夾具精度、強度、側向剛度、彎曲性能等滿足設計要求。完成高精度成型后，需進一步開展制冷管道夾具精準定位安裝技術及可調支撐系統的研制，從而確保夾具一次安裝成型、精度達標，滿足設計及國際單項組織的要求。

2 基于BIM參數化數字分析的全過程高精度深化設計

傳統BIM技術應用于形體簡單規則的建筑項目時，體現出良好的協調性、優化性、可出圖性和可視化性。但本項目主賽道為空間異形的雙曲面非線性結構形體，組成構件數量多，形態不一，傳統BIM技術已無法探尋各構件的內在聯系進而深化構件形體，且針對精度要求高、異形曲面的項目，無法批量提取定位數據，不利于精確快速定位。因此，本項目充分發揮Rhino軟件與Grasshopper (GH)插件參數化組合的BIM數字分析技術優勢，采用賽道整體三維建模與構件分解方法，從基于BIM參數化建模的夾具設計應用、利用參數化提取安裝坐標數據的建設管理技術入手，根據夾具結構形式及賽道空間雙曲面成型的設計要求，對夾具加工、運輸、檢測、安裝、加固等各環節進行控制，實現賽道夾具的加工和安裝成型精度，實現復雜雙曲面賽道的高精度深化設計與安裝。

2.1 基于BIM參數化建模的夾具設計應用

北京冬奧會雪車雪橇中心賽道基于BIM參數化建模，對1 350套管道夾具進行深化設計，140多萬個夾具安裝定位坐標、近11.9萬m管道深化優化、智能分段工作均由Rhino+Grasshopper參數化配合完成。

深化優化過程中，基于原有設計圖紙，利用Rhino軟件GH插件抓取圖層線條，批量自動校正原設計繪制誤差，獲得更精確的管道夾具斷面輪廓，如圖1所示。

圖1 夾具斷面輪廓

在此基礎上，根據原設計夾具截面圖紙確定每個截面管道位置，并明確管道截面和夾具線條曲線的相對位置關系，確定夾具U形造型及構造。夾具節點如圖2所示，夾具U形內側設計為鋸齒狀，外側保持平滑，內側每個凹凸造型凸起長度為20mm，凹槽深20mm、長90mm，夾具整體寬40mm、厚20mm，整體長度和高度根據造型不同而不同。

圖2 夾具節點

利用Rhino軟件進行前期試驗，根據夾具智能編號、加工、安裝定位、掃描矯正、材料統計、三維坐標數據提取、管道構件碰撞檢查、可視化方案演示等方面的經驗總結，結合施工現場的實際需求，歸納總結正式賽道BIM技術實施方案，有效配合賽道的施工。

對于結構復雜、造型多變、空間狀態呈雙曲面結構的賽道(見圖3)，利用三維建模軟件搭配參數化計算方式解決構件設計不規則問題，對比傳統BIM技術應用，具有更高的靈活性、數據統一批量處理性。

圖3 賽道結構

2.2 利用參數化生成安裝坐標數據技術

賽道總長1 975m，分為54個賽段，單個賽段中又包含幾十個夾具，共包含140多萬個夾具安裝定位坐標。每個夾具均需進行具體定位，從而實現對施工安裝過程的精確指導。由于賽道扭曲、空間多變，導致每個夾具的定位均不同。因此，賽道上夾具定位工作量大，依靠傳統的BIM技術無法在短時間內對所有夾具進行精確定位。

針對上述挑戰，根據原有設計圖紙，利用Rhino軟件GH插件，建立實際的地理位置信息，按1∶1在三維建模軟件中進行模擬，利用GPS定位到項目所在地，將原有設計定位移動到GPS定位處，根據基礎軸線定位可保證參數化提取的數據是實際地理位置信息。從Rhino軟件讀取信息后，通過自動化計算，得到三維空間點坐標，并將其分段歸類為54組，每組按軸線分為幾十個夾具，每個夾具按從低到高、從左至右的原則依次進行編號，導出三維空間坐標點數據，應用到現場安裝。參數化運算器的應用，可批量化、自動化生成夾具位置的精確數據，大大減少工作耗時并保證定位精度。

基于BIM參數化數字分析的全過程高精度深化設計與數據運用，突破了傳統BIM技術應用于形體簡單規則建筑項目的限制，實現賽道空間異形的雙曲面非線性結構形體。利用參數化數字分析技術提取安裝坐標數據，開展異形結構空間定位，解決制冷管道高精度制作與安裝難題，滿足制冷系統工藝要求，實現雪車雪橇中心賽道深化設計、高精度施工建設的全過程管理。

3 制冷管道夾具高精度成型及安裝精度控制

制冷管道夾具為賽道主骨架，每條賽道的造型隨山地高低起伏不斷變化，1條賽道由若干套夾具(間距1.5～2.5m)組成，每套夾具須隨賽道造型的變化而變化，因此，不能采用批量的模板統一制作。全長1 975m的賽道分為54個賽段，共1 350套夾具，夾具安裝精度要求在±5mm。

對于制冷管道夾具高精度成型與安裝，需對夾具形狀及規格等進行優化，確定夾具切割形式、切割設備、檢測設備及檢驗方法等，確保夾具精度、強度、側向剛度、彎曲性能等滿足設計要求。同時在安裝過程中，需確保夾具一次安裝成型質量達標，滿足設計及國際單項組織的要求。

3.1 夾具一次切割成型關鍵技術

原設計制冷管道夾具為圓鋼與板塊焊接結合，首先要對圓鋼按賽道斷面形式進行彎曲處理，再將鋼制板塊焊接在圓鋼上。但在制作過程中因圓鋼彎曲時平滑度不能精準控制，焊接時其焊接點位非常多(20～60)，導致夾具變形嚴重，最終精度和質量難以保證。為解決夾具焊接變形和精度偏差較大的問題，同時確保鋼板強度、側向剛度、彎曲性能達到設計要求，采用20mm厚鋼板進行直接切割加工。因制冷管道為曲面，無法與夾具全面貼合固定，制作夾具時需保證管道的可調空間及其背部的鋼筋安裝空間。

1)夾具切割機具選擇 在試驗階段，對比數控激光切割和數控水力切割2種方式，最終選擇數控激光切割(見圖4)。

圖4 數控激光切割

2)夾具切割形式選擇 在試驗階段，采用整體切割和分段切割2種方式(見圖5)。整體切割一次成型，成型效果好、精度偏差小、材料損耗略大；分段切割(3段)成型效果好、材料損耗較小(約為整體切割的1/2)，但存在焊接變形等問題，根據項目要求控制精度，最終選擇整體切割方式。

圖5 夾具切割形式

3.2 夾具制作精度監測關鍵技術

夾具精度測量是賽道建設偏差的核心因素之一，從最初的傳統定位測量至后期的高精度便攜式3D測量，優化每個測量過程，逐次提高數據的精確度。

夾具制作完成后，采用傳統光學經緯儀、三維激光測量儀、進口便攜式3D掃描儀、國產便攜式3D掃描儀4種設備進行校驗，結果如表1所示。由表1可知，國產便攜式3D掃描儀掃描速度快，掃描結果也能同步生成，且設備采購費用較低。因此，選擇國產便攜式3D掃描儀進行夾具制作精度校驗。

表1 夾具精度校驗設備比較

采用便攜式3D掃描儀對夾具制作精度進行三維掃描檢測，實時生成夾具3D模型。根據深化后的夾具圖紙，運用Rhino軟件參數化生成精準的夾具3D模型.stp或.obj格式文件，與3D掃描切割成的實際夾具點云模型進行對比，直觀反映各偏差點位信息，以控制加工誤差，便于在加工環節修正夾具。

3.3 夾具精準定位及安裝關鍵技術

3.3.1支撐架形式設計及安裝工藝研究

夾具安裝時，需在兩端安裝臨時支撐架，用于固定夾具，防止夾具偏移。支撐架形式需根據夾具形狀和基礎形式單獨設計、制作和安裝。根據賽道不同類型基礎形式，支撐架安裝形式設計為獨立搖擺柱、加腋搖擺柱、無搖擺柱3種，如圖6所示。支撐架采用H型鋼、角鋼等多種型材制作，可解決賽道夾具安裝時穩定性差的難題。

圖6 支撐布置

3.3.2夾具安裝工藝

1)夾具三維坐標測量點提取 制冷管道夾具安裝精度是賽道輪廓成型的決定因素。異形結構構件安裝要求苛刻，由于賽道高低起伏變化，每個夾具構件安裝高度和角度均不同。根據設計圖紙，運用Rhino參數化生成精準夾具3D模型，確定夾具關鍵檢測點的三維坐標，自動提取約1 490 000組空間坐標與里程坐標SHL數據，配合夾具安裝測量及3D校正。根據管道夾具空間坐標位置，采用免棱鏡精密全站儀對制冷管夾具進行空間定位安裝，保證管道夾具標高、垂直度及角度；利用經緯儀或吊線墜方式檢查管道夾具是否在設計中心線；將管道夾具與臨時夾具固定，臨時夾具相互連接支撐，形成穩定結構。

2)夾具與底部支撐拼裝 根據夾具底部支撐結構形式，夾具與支撐拼裝分為夾具與獨立搖擺柱底部支撐拼裝、夾具與加腋搖擺柱底部支撐拼裝、夾具與無搖擺柱支撐拼裝3種類型。拼裝前對夾具進行復查，確保夾具精度和安裝位置編號。將夾具平放在拼裝平臺上，根據圖紙調整夾具標高及各點與中心線的距離，在拼裝平臺上組裝夾具與支撐架，在支撐架上將夾具定位中心基準線標識清晰，以便后續的調整工作，通過調節裝置固定夾具橫向支撐，調節裝置與夾具、底部支撐均采用點焊。

3)夾具安裝要點 夾具底部支撐調整固定好后，將上檐口第1個調節裝置與豎直H型鋼臨時固定；根據夾具調節裝置布置圖，利用全站儀邊測量邊從上檐口向下檐口依次固定調節裝置。利用圖紙和三維模型確定夾具關鍵檢測點的三維坐標，關鍵檢測點主要布置在上檐口、豎直段、水平段、下檐口等部位，共在夾具上取5～8個點，也可根據具體要求增加測量點數量，如圖7所示。

圖7 夾具取點

4)夾具臨時斜支撐加固 夾具調整完畢后，不能受外力擠壓，為防止后續因管道安裝、鋼筋綁扎等因素導致的夾具位置偏移，須在每組夾具兩端安裝斜支撐和橫向支撐，支撐桿件采用角鋼和圓鋼。夾具臨時支撐點分別位于下檐口、水平段、中部、垂直段和上檐口，至少包括5個點，其中，中部支撐安裝位置需和土建模板施工隊伍相結合，避免影響模板安裝。

5)夾具加固后復測 為保證夾具不受焊接收縮影響而變形，所有支撐焊接完畢后，需利用精密全站儀再次對夾具復測，保證測量點的安裝精度符合設計要求。

通過上述技術，確保了賽道夾具精度、強度、側向剛度、彎曲性能等滿足設計要求。同時，滿足整體安裝精度在±5mm的偏差要求，關鍵點位提高安裝精度在±4mm，確保了全賽道支架高精度安裝，為雪車雪橇中心賽道的順利完工打下堅實基礎。

4 結語

雪車雪橇中心賽道作為此次冬奧會中項目設計難度最高、施工難度最大、最復雜的設施，通過技術研發及科研創新，形成自有技術，解決了綜合技術復雜的夾具深化設計、加工、校正、檢測、運輸、安裝等技術難題，保證了高標準的質量要求，縮短了施工工期。

國家雪車雪橇中心建成后，中國雪橇隊、雪車隊、鋼架雪車隊自2020年10月9日開始進行滑行訓練(見圖8)，精湛的賽道建造技術為國家隊提供了良好的訓練場所，得到國家隊的一致好評。2020年10月26—31日，國家雪車雪橇中心迎來了國際單項組織雪車聯合會與雪橇聯合會的預認證測試，國際運動員、教練員、官員對雪車雪橇中心賽道制冷系統及其配套的設施給予了充分肯定。

圖8 國家隊在國家雪車雪橇中心訓練