施工人员在对复合冰壳进行喷射。
建造国内首个大跨度复合冰壳结构建筑。
建造复合冰壳“素裙炫舞”。
复合冰壳建筑团队与国外团队研讨中。
安装在复合冰壳上的传感器。
本报记者 万佳文/摄
在冰雪旅游竞争激烈的当下，如何保持哈尔滨冰雪产业优势？从加韧冰到加筋冰，从看和玩到吃住娱，哈尔滨用领先的技术和填补空白的软件打破了冰的固有形态和用途，使自然冰变成了“智慧冰”——
对创新冰雪景观的尝试，哈尔滨从未停歇。从冰到雪，从小到大，从单色到多色，从单纯冰到复合冰……事实上，也正是因为在冰雪景观中不断融入新材料、新技术，哈尔滨的冰雪产业才在强手如林的竞争中保持领先地位。
在水里加入一定比例的纸屑，就能做出纯冰无法实现的造型；在水里加入竹屑，就能实现纯冰无法承受的重力……这些创新不仅打破了冰景的固有形态，更开拓了冰雪景观的功能性。
硬件的创新也促进着软件创新。经过几年的科研攻关，填补国内空白的冰雪结构分析软件获得国家专利。用软件指挥施工，用传感器代替人工巡视，带领哈尔滨冰雪艺术进入“智慧时代”。
探索冰的N种可能：从加韧冰到加筋冰
每年的最后一个月，是哈尔滨最繁忙最热闹的冰雪景观施工季。今年，在哈尔滨著名冰雪景区和中央大街附近，新型的冰雪建筑正在火热施工中。与普通冰建筑横平竖直造型不同的是，这种新型冰雪建筑多呈自由曲面结构，造型流畅优美，大跨度的内部空间可以同时容纳几十到几百人。这种超大空间的冰建筑在之前是不可能实现的，让不可能成为可能的是来自哈工大空间结构研究中心武岳教授团队和建筑学院罗鹏教授团队。
武岳说，传统冰建筑受冰结构脆弱、承载性能低等因素限制，冰雪建筑的内部空间很有限。而通过在水中增加纸屑、纤维等物质，结成的复合冰其强度比普通冰高出3倍，使冰雪建筑更结实、更牢固，冰雪景观也可以实现各种大跨度造型。未来这一技术还有可能应用于极地科考站的建造和外星探索。
复合冰壳作为冰雪新技术，各个国家都在积极探索中，但大多数都停留在实验室阶段。从2016年开始，团队尝试将复合冰技术呈现出来。2016年第一个复合冰壳建筑“雪莲”在哈工大校园内亮相。提起第一个复合冰建筑，当时还是武岳老师学生的孙健峰记忆犹新：“我们那时候并不知道水里应加入多少比例的纸屑，经过反复试验论证，才发现在水中掺入适量比例的复合材料在满足喷射的条件下形成的冰强度最高，最适于现场施工。”
今年，在冰雪大世界里的复合冰壳景观直径将达到30米，占地面积达到1800多平方米，游客可以在内部空间实现娱乐、餐饮、观展等多功能活动。
打破冰灯只能用纯冰做的“固定思维”，在冰里加点东西，实现冰景的更多可能就这样从“加韧冰”开始了。“今年，我们还尝试一种新的复合冰、加筋冰。所谓加筋冰，就是在冰里加入竹条等大尺寸构造，对冰的结构进行宏观加强，以增强其力学性能，以打造冰的钢筋混凝土效果。”孙健峰说，目前这一技术在国内外属于首创，正在申请专利过程中。
探索冰的N种用途：从看和玩到吃住娱
复合材料应用到冰雪建筑中，就好像打开了潘多拉的魔盒，一下子打开了冰雪景观的广度和视野。“复合冰壳建筑最大意义是增强冰雪建筑的结构，使大跨度冰雪建筑成为可能，它让冰雪建筑除了观赏之外，又赋予娱乐、餐饮、展览等多种功能。”罗鹏说。
早在几千年前，爱斯基摩人就搭建冰屋用于御寒。但那时的冰屋面积很小，因为冰结构脆弱，承受不住过重的压力。到了现代，冰雪建筑一般情况下也只能观赏，无法实现人在内部自由活动的功能。
罗鹏说，在冰中加入各种复合材料就是为了增强冰的承重力和抗压力，把冰雪建筑从一个观赏性的景观变成一个真正能供人使用的建筑，这样冰雪建筑形式和建筑空间就丰富了。在今年占地1800多平方米的超大复合冰壳建筑中，设计人员把空间进行划分，区分成演艺区、展厅区、酒吧区等6个各具特点的小空间。届时，游客们可以在冰酒吧内喝酒聊天听音乐，在天寒地冻中悠闲地享受慢时光。
在北欧和北美一些国家，冰酒吧和冰旅馆特别多，它把实用性和娱乐性有机结合在一起，很受游客欢迎，甚至供不应求。但是，他们用的材料都是纯冰，是普通的冰建筑，面积都非常小，这在冰雪旅游人气旺盛的哈尔滨是不实用的。罗鹏说：“冰雪新材料、新技术的应用是无限大的，是革命性的。它的潜力一旦发挥起来，量级将会是爆炸式递增的。”
探索冰的安全问题：用传感器取代人工巡视
游客在超大的复合冰壳建筑中信步参观的时候，并不知道，在冰壳的某些部位上，实时监控设施正在运行中。“安装在冰壳上的传感器就好像十几双眼睛，时刻监视建筑的安全状况。”黄俊凯说。
作为结构工程师，黄俊凯最关注的是结构安全问题，即要保障冰雪建筑结构的安全性。因此，黄俊凯首先利用软件对冰雪建筑结构安全性进行评估。黄俊凯说，在冬日日照情况下，冰的结构可能发生改变，这种变化可能会对建筑安全性产生威胁。冰结构大跨度温度热力耦合分析方法能计算出确保冰建筑安全的技术参数。在施工过程中及建筑运营过程中，技术人员会随时监测复合冰建筑的各项参数，一旦偏离，系统就会发出警告，冰建筑运维员会马上赶到现场进行勘查。
冰建筑建好后，在运营过程中结构安全性可能会随时发生变化，这就需要进行结构健康监测。琼冰团队开发设计了冰雪传感器，分布在重点节点位置的冰壳上，通过观察结构的相应，看看它会发生多大的变形，包括内部会产生多大的力，在运行过程中实时对建筑进行评估。
“比如说如果今天阳光热辐射强度太高，这时传感器反馈来的数据显示冰壳哪个区域存在一定的安全风险，那么设计团队会第一时间反馈给运营方，关注这一区域的安全问题。”黄俊凯说，如此庞大的冰建筑，并不是每个区域都需要传感器，只有相对薄弱的区域才需要安装。一般来说，一个复合冰建筑，需要10多个传感器，就能确保游客的安全。
复合冰雪结构分析软件
填补国内空白
哈尔滨冰雪产业在发展过程中，遇到过各种各样的“卡脖子”难题。许多从事冰雪行业的人一直在为此默默努力，实现了一次又一次突破。“今年4月，美国出台一项政策，禁止中国使用该国的一款帮助工程师对建筑进行结构分析的软件。”以冰雪科技创新为主业的黑龙江省琼冰建筑设计公司技术总监刘秀明说，软件禁用，这就导致基于这个系统进行的建筑分析和运算都有可能无法实现。实际上，不仅因为软件被禁用，在复合冰壳研发过程中，存在许多技术“卡脖子”问题。因此，早在2016年哈尔滨的科研团队就开始着手研发自己的复合冰设计软件。
经过几年的科研攻关，大跨度冰壳结构设计、建造一体化分析解决方法（Rhino—Igloo）获得国家专利。这套系统可以从整体设计、充气模板设计、找形分析、结构安全分析、安全健康监测五个方面对复合冰壳建筑进行全方位一体化分析，这套系统填补了国内冰雪结构分析的空白。
琼冰公司研发总监娄晓楠说，因为完全不同于传统冰景观的建筑方式，复合冰壳建筑是把水喷在气模上，在实际施工过程中，喷出的水会沿着斜面向下流动，边流边冻，导致冰壳在制作过程中会出现基座厚，上层薄，或者一边厚一边薄的现象。充气膜也会因人为、风力等因素而发生变形，和最初的设计不太一致。更重要的是，这个冰壳需要喷多厚才能保证游客安全，如果太阳照射会不会产生裂缝等安全隐患。
“在软件里，我们把热循环、日照分析、多荷载耦合以及复合冰材料的时间累积效应等多个技术难点都进行了一一分析。”娄晓楠说，这样在复合冰壳施工中，就能有针对性地攻破一个一个技术难关，最终将复合冰壳建筑安全完整地呈现在游客面前。
“比如，复合冰壳施工时，因为风力等自然因素以及喷射不均匀等原因往往会产生充气膜变形等问题，这就涉及到建筑的形态控制。”琼冰公司结构工程师黄俊凯说，在软件设计上，充气膜模板精确度要求特别高，因为只有模板正确，喷注出来的冰壳才能达到建筑师的建筑效果。此外，用软件分析找形也十分重要。在Rhino—Igloo软件中，团队利用施工仿真技术对自然条件的复合冰壳建筑变形进行模拟，并做好相应的改进。“据我所知，目前国内外冰雪研发领域，施工仿真技术只有我们团队采用了。”黄俊凯说。
来源： 哈尔滨日报
,
