您現在的位置是:首頁 > 綜合

冰雪奇緣!哈爾濱人用技術和軟體打破固有形態用途,將自然冰變“智慧冰”

  • 由 東北網 發表于 綜合
  • 2022-09-20
簡介複合冰殼建成後工作人員進行為期三個月的結構健康監測羅鵬說,在冰中加入各種複合材料就是為了增強冰的承重力和抗壓力,把冰雪建築從一個觀賞性的景觀變成一個真正能供人使用的建築,這樣冰雪建築形式和建築空間就豐富了

搭建冰屋有什麼便捷的方法

對創新冰雪景觀的嘗試,哈爾濱從未停歇。從冰到雪,從小到大,從單色到多色,從單純冰到複合冰……事實上,也正是因為在冰雪景觀中不斷融入新材料、新技術,哈爾濱的冰雪產業才在強手如林的競爭中保持領先地位。

在水裡加入一定比例的紙屑,就能做出純冰無法實現的造型;在水裡加入竹屑,就能實現純冰無法承受的重力……這些創新不僅打破了冰景的固有形態,更開拓了冰雪景觀的功能性。

硬體的創新也促進著軟體創新。經過幾年的科研攻關,填補國內空白的冰雪結構分析軟體獲得國家專利。用軟體指揮施工,用感測器代替人工巡視,帶領哈爾濱冰雪藝術進入了“ 智慧時代”。

一、打破純天然

探索冰的N 種可能: 從加韌冰到加筋冰

每年的最後一個月,是哈爾濱最繁忙最熱鬧的冰雪景觀施工季。今年,在哈爾濱著名冰雪景區和中央大街附近,新型的冰雪建築正在火熱施工中。與普通冰建築橫平豎直的造型不同的是,這種新型冰雪建築多呈自由曲面結構,造型流暢優美,大跨度的內部空間可以同時容納幾十到幾百人。這種超大空間的冰建築在之前是不可能實現的,讓不可能成為可能的是來自哈工大空間結構研究中心的武嶽教授團隊和建築學院的羅鵬教授團隊。

冰雪奇緣!哈爾濱人用技術和軟體打破固有形態用途,將自然冰變“智慧冰”

安裝在冰燈上的感測器

哈工大武嶽教授說,傳統冰建築受冰結構脆弱、承載效能低等因素限制,冰雪建築的內部空間很有限。而透過在水中增加紙屑、纖維等物質,結成的複合冰其強度比普通冰高出3 倍,使冰雪建築更結實、更牢固,冰雪景觀也可以實現各種大跨度造型。未來這一技術還有可能應用於極地科考站的建造和外星探索。

複合冰殼作為冰雪新技術,全球各個國家都在積極探索中,但大多數都停留在實驗室階段。從2016年開始,團隊嘗試將複合冰技術呈現出來。2016年第一個複合冰殼建築“ 雪蓮” 在哈工大校園內亮相。提起第一個複合冰建築,當時還是武嶽老師學生的孫健峰記憶猶新:“我們那時候並不知道水裡加入多少比例的紙屑,經過反覆試驗論證,才發現在水中摻入適量比例的複合材料在滿足噴射的條件下形成的冰強度最高,最適於現場施工。”

冰雪奇緣!哈爾濱人用技術和軟體打破固有形態用途,將自然冰變“智慧冰”

感測器將實時將資料傳到指揮系統

2017年,複合冰殼建築跨度實現了11米,到2018年實現22米 ……今年,在冰雪大世界裡的複合冰殼景觀的直徑將達到30米,佔地面積達到1800多平米,遊客可以在內部空間實現娛樂、餐飲、觀展等多功能活動。

打破冰燈只能用純冰做的“ 固定思維”,在冰里加點東西,實現冰景的更多可能就這樣從“ 加韌冰” 開始了。

“今年,我們還嘗試一種新的複合冰,加筋冰。所謂加筋冰,就是在冰里加入竹條等大尺寸構造,對冰的結構進行宏觀加強,以增強其力學效能,以打造冰的鋼筋混凝土效果。”孫健峰說,隨著複合冰材料的不斷研究與探索,也許在不久的將來,複合冰建築可以像鋼筋水泥的建築一樣,具有更廣泛的用途。目前,這一技術在國內外屬於首創,正在申請專利過程中。

探索冰的N 種用途:從看和玩到吃住娛都行

複合材料應用到冰雪建築中,就好像打開了魔盒,一下子打開了冰雪景觀的廣度和視野。“複合冰殼建築最大意義是增強冰雪建築的結構,使大跨度冰雪建築成為可能,它讓冰雪建築除了觀賞之外,又賦予娛樂、餐飲、展覽等多種功能。”羅鵬說。

早在幾千年前,愛斯基摩人就搭建冰屋用於禦寒。但那時的冰屋面積很小,因為冰結構脆弱,承受不住過重的壓力。到了現代,冰雪建築一般情況下也只能觀賞,無法實現人在內部自由活動的功能。

冰雪奇緣!哈爾濱人用技術和軟體打破固有形態用途,將自然冰變“智慧冰”

複合冰殼建成後工作人員進行為期三個月的結構健康監測

羅鵬說,在冰中加入各種複合材料就是為了增強冰的承重力和抗壓力,把冰雪建築從一個觀賞性的景觀變成一個真正能供人使用的建築,這樣冰雪建築形式和建築空間就豐富了。在今年佔地1800多平米的超大複合冰殼建築中,設計人員把空間進行劃分,區分成演藝區、展廳區、酒吧區等6 個各具特點的小空間。屆時,遊客們可以在冰酒吧內喝酒聊天聽音樂,在天寒地凍中悠閒地享受慢時光。

在北歐和北美一些國家,冰酒吧和冰旅館特別多,它把實用性和娛樂性有機結合在一起,很受遊客歡迎,甚至供不應求。但是,他們用的材料都是純冰,是普通的冰建築,面積都非常小。這在冰雪旅遊人氣旺盛的哈爾濱是不實用的。羅鵬說,“冰雪新材料、新技術的應用是無限大的,是革命性的。它的潛力一旦發揮起來,量級將會是爆炸式遞增的。”

二、打破純人工

複合冰雪結構分析軟體填補國內空白

在哈爾濱冰雪產業在發展過程中,遇到過各種各樣的“ 卡脖子” 難題。許多從事冰雪行業的人一直在為此默默努力,實現了一次又一次突破。“今年4 月,美國出臺一項政策,禁止中國使用該國的一款幫助工程師對建築進行結構分析的軟體。”以冰雪科技創新為主業的黑龍江省瓊冰建築設計公司技術總監劉秀明說,軟體禁用,這就導致基於這個系統進行的建築分析和運算都有可能無法實現。實際上,不僅因為軟體被禁用,在複合冰殼研發過程中,存在許多技術“ 卡脖子” 問題。因此,早在2016年哈爾濱的科研團隊就開始著手研發自己的複合冰設計軟體。

冰雪奇緣!哈爾濱人用技術和軟體打破固有形態用途,將自然冰變“智慧冰”

複合冰殼建築團隊與國外團隊研討中

經過幾年的科研攻關,大跨度冰殼結構設計、建造一體化分析解決方法(Rhino——Igloo)獲得國家專利。這套系統可以從整體設計、充氣模板設計、找形分析、結構安全分析、安全健康監測等五個方面對複合冰殼建築進行全方位一體化分析,這套系統同時也填補了國內冰雪結構分析的空白。

瓊冰公司研發總監婁曉楠說,因為完全不同於傳統冰景觀的建築方式,複合冰建築是把水噴在氣模上,在實際施工過程中,噴出的水會沿著斜面向下流動,邊流邊凍,導致冰殼在製作過程中會出現基座厚,上層薄,或者一邊厚一邊薄的現象。還有,充氣膜也會因人為、風力等因素而發生變形,和最初的設計不太一致。更重要的是,這個冰殼需要噴多厚才能保證遊客安全,如果太陽照射會不會產生裂縫等安全隱患。

冰雪奇緣!哈爾濱人用技術和軟體打破固有形態用途,將自然冰變“智慧冰”

大跨度複合冰殼結構建築

“在軟體裡,我們把熱迴圈、日照分析、多荷載耦合以及複合冰材料的時間累積效應等多個技術難點都進行了一一分析。”婁曉楠說,這樣在複合冰殼施工中,我們就能有針對性的攻破一個一個技術難關,最終將複合冰殼建築安全、完整地呈現在遊客面前。

“比如,複合冰殼施工時,因為風力等自然因素以及噴射不均勻等原因往往會產生充氣膜變形等問題,這就涉及到建築的形態控制。”瓊冰公司結構工程師黃俊凱說,在軟體設計上,充氣膜模板精確度就要求特別高,因為只有模板正確,噴注出來的冰殼才能達到建築師的建築效果。此外,用軟體分析找形也十分重要。在Rhino——Igloo軟體中,團隊利用施工模擬技術對自然條件的複合冰建築變形進行模擬,並做好進相應的改進。“據我所知,目前國內外冰雪研發領域,施工模擬技術只有我們團隊採用了。”黃俊凱說。

用感測器取代人工巡視

遊客在超大的複合冰殼建築中信步參觀的時候,並不知道,在冰殼的某些部位上,實時監控設施正在執行中。“安裝在冰殼上的感測器就好像十幾雙眼睛,時刻監視建築的安全狀況。”黃俊凱說。

冰雪奇緣!哈爾濱人用技術和軟體打破固有形態用途,將自然冰變“智慧冰”

大跨度複合冰殼結構建築

作為結構工程師,黃俊凱最關注的是結構安全問題,即要保障冰雪建築結構的安全性。因此,黃俊凱首先利用軟體對冰雪建築結構安全性進行評估。黃俊凱說,在冬日日照情況下,冰的結構可能發生改變,這種變化可能會對建築安全性產生威脅。冰結構大跨度溫度熱力耦合分析方法能計算出確保冰建築安全的技術引數。在施工過程中及建築運營過程中,技術人員會隨時監測複合冰建築的各項引數,如果一旦偏離,系統就會發出警告,冰建築運維員會馬上趕到現場進行勘查。

冰建築建好後,在運營過程中結構安全性可能會隨時發生變化。如何讓建築結構師在第一時間瞭解到建築的安全效能,這就需要進行結構健康監測。瓊冰團隊開發設計了冰雪感測器,分佈在重點節點位置的冰殼上,透過觀察結構的相應,看看它會發生多大的變形,包括內部會產生多大的力,在執行過程中實時對建築進行評估。

“比如說如果今天陽光熱輻射強度太高,這時感測器反饋來的資料顯示冰殼哪個區域存在一定的安全風險,那麼設計團隊會第一時間反饋給運營方,關注這一區域的安全問題。”黃俊凱說,如此龐大的冰建築,並不是每個區域都需要感測器,只有相對薄弱的地區才需要安裝。一般來說,一個複合冰建築,需要十多個感測器,就能確保遊客的安全。

Top