1月13日,在斯大林公園通江街口,3個別具一格的冰雪建築終於施工完畢,出現在眾人面前。說它別具一格,因為這3個冰雪建築與傳統晶瑩剔透的冰建築不同,不僅從顏色上看不是透明的,是乳白色的。而且從形態上看,有的造型輕盈多變,有的極具誇張,各種弧度和坡形向四面八方延展,似乎是被火烤化了的冰塊。『這其實就是復合冰結構建築與純冰雪建築的不同之處,它具有更強的韌性,能變幻出更多的造型,使冰雪建築的藝術性和觀賞性更強。』哈爾濱工業大學空間結構研究中心張清文副教授解釋說。
在3個復合冰建築中,由哈工大團隊設計的『冰屋』內含乾坤:監控人員能在遠程監控冰屋溫度等各項數據,實時確保冰屋安全。『這其實體現的是智能運維的思想。』張清文說,所謂智能運維,就是在冰屋裡放置傳感器和實時顯示系統,進行結構變形與熱環境監測,保證冰屋內環境周期使用維持在正常范圍內。
作為中國冰雪之都,哈爾濱冰雕雪塑聞名全國。一直以來,哈爾濱都在探索豐富冰雪建築的廣度和深度。尤其近幾年,哈工大土木工程學院堅持在復合冰結構領域深度鑽研。『傳統冰建築受冰結構脆弱、承載性能低等因素限制,使冰雪建築在很多方面受到限制。在水中增加紙屑、纖維等物質,通過噴射的方式澆注成復合冰建築,其強度比普通冰高出3倍,結構更加結實,冰雪建築造型更加豐富,結構性能更加優良,運維管理更加智能。』復合冰結構領域專家、哈爾濱工業大學土木工程學院副院長武岳教授說,給冰雪建築加上『大腦』,讓冰雪建築更智能,無疑是冰雪建築繼實用化、藝術化之後的一個新的發展方向。
復合冰結構的首次『世界峰會』
實際上,在通江街口挺立的3座復合冰結構建築的創意來自中國、荷蘭和俄羅斯3個不同國家的高校,而這3個高校在復合冰結構領域研究成果斐然。
按照荷蘭埃因霍芬理工大學設計方案制作的復合冰結構建築——《塔》,是用鋼筋和繩網的結構完美呈現了鋼與柔的融合之美。在高達十幾米的主塔下,四周有四個圓拱形的冰殼,孩子們在四個互相聯通的冰殼間穿梭玩耍。
華南理工的作品《雪國丁香》,它自由曲面的造型像在海面上翻滾的浪花,也像正在盛開的白色雪蓮。夜幕降臨,冰建築邊緣上的彩燈亮起,在黑夜中好似隨時准備出動的龐然大物,給人視覺上的錯覺。
除了以上3個復合冰建築,今年還有8個來自全球復合冰研究領域的高校向首屆復合冰雪結構國際邀請賽提交了他們在復合冰領域的最新研究成果。在哈工大的倡議下,今年首次在哈爾濱舉辦冰雪結構國際邀請賽,參與高校包括荷蘭埃因霍芬理工大學,莫斯科國立建築大學,華南理工大學,大連理工大學,天津大學等11所國內外在冰雪結構領域排名領先高校。
『我們這次舉辦邀請賽的目的就是想讓世界領先的復合冰結構領域的專家們在智能冰雪上來個頭腦風暴。』武岳說,重點深入探討智能冰雪材料的性能、冰雪結構智能建造方法和智慧運維策略,以及如何將冰雪建築的建築功能、建築美學與結構先進性有機結合起來。通俗地講,就是讓冰雪建築更加智能。
給冰建築加上『智能腦』
早在2016年,復合冰建築《冰雪講堂》在哈工大校園內嶄露頭角,2017年世界最高的中華祥雲塔初露端倪,2018年起,面積超過300平方米的復合『冰火鍋』成為冰雪大世界冰雪景觀重頭戲。
近10年來,哈工大復合冰結構研究團隊一直在探索復合冰的新功能和新用途。『這次制造的復合冰屋首次采用裝配式建造模式。』武岳說,傳統冰建築需要建築工人在現場制作,耗時長、材料消耗也很大。而裝配式則是把冰材料提前統一裝好,再運到展示地點,這樣工期會縮短一半、水電等消耗也會降低,工程質量也會更好。
『智能化是未來冰雪建築的發展方向。』武岳說,普通的冰建築,人們一般憑借經驗來推測冰建築的承載能力,根據天氣溫度來衡量是否安全,但實際上,每個人的經驗不同,衡量標准也不一樣,而且天氣情況復雜,很可能氣溫很低,但冰建築已經不結實了。如果一旦在冰建築中安裝傳感器和實時分析和預警系統,人們可以根據監測的數據清楚明白地知道冰結構細微的變化,承載性能是否發生變化。甚至對危險情況做出預判,比如當人流量達到多少的時候,冰建築內部環境將發生巨大變化。
目前,智慧運維技術已初步應用在復合冰建築中。『未來,我們希望所有的冰建築都能應用上,讓冰雪建築從此步入智能時代。』武岳說,如果這樣的話,我們就不用看天吃飯,而是根據科學規律辦事,冰雪建築的壽命也有可能更長。
『甚至我們還在思考如何讓冰建築內部營造一個獨特的「微環境」』,武岳說,簡單地說就是在冰建築內放置冷管或熱管,就像家裡安暖氣一樣,外部可能很冷,而內部相對舒適,也可能外部氣溫上昇,而冰建築內部卻依然冰凍。這種設計對南方一些城市的冰雪建築就非常友好,他們那些城市可能最低溫度在零度左右,那麼放置了冷管,就能有效延長冰建築作品的展出時間,放寬展出環境要求。
南極、月球都能建可上天,可入海
層出不窮的復合冰景觀驚艷了世人,然而,它的意義遠非如此。
『我們知道,冰雪建築最開始出現是為了在極端的條件下建造庇護居所,使人類生存下去。我們正是從最初的起點出發,讓復合冰在更加極端的條件下大顯身手。』武岳說。
2021年8月,在國際薄殼與空間結構協會年會上,哈工大團隊提交的分析復合冰領域破壞機理的論文被授予優秀論文稱號,每年全球只有四篇論文獲此殊榮。該論文通過精細化分析方法准確預測冰結構承載性能,以便在使用過程中保障冰建築安全。『研究的目的就是探索在極端情況下,如何保證復合冰建築的安全。』武岳說,比如我們國家在南極、北極等地進行科學考察,需要在當地臨時搭建考察站等建築。為了保護環境,根據國際公約,不能在當地留下各類建築垃圾。我們正在研究把我們的技術應用到這樣的地區,因為冰建築環保、無污染,而且施工工期短,特別適合這種復雜環境。目前,哈工大團隊已經與南極科考站的相關人員商討相關事宜。
實際上,復合冰結構建築不僅能『吃苦』,也能『吃土』。『我國目前正在開展登月計劃,而復合冰結構建築技術同樣適用於在月球表面安家。』武岳說,月球表面布滿岩石和灰塵,可以先利用充氣膜在月球表面充起一個空間形狀,再利用月球上的土壤和灰塵進行3D打印噴射技術,就像我們在充氣膜上噴上復合冰一樣,這樣就能在有限的資源情況下快速建成我們的月球站基地。
『按照這個思路,復合冰結構技術實際上能應用的領域很廣,有可能為未來建築領域帶來重大變革。』武岳說。
復合冰建築《塔》↑
《雪國丁香》↑
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