冬奥建筑设施低碳化与数字化建造关键技术

项目名称

　冬奥建筑设施低碳化与数字化建造关键技术

提名单位

　河北省教育厅

项目简介

北京冬奥会是我国重要历史节点的重大标志性活动，是展现国家形象、促进国家发展、振奋民族精神的重要契机，是党和国家的一件大事，建设好冬奥配套设施责任重大。践行习主席“绿色、共享、开放、廉洁”的办奥理念，针对冬奥崇礼太子城冰雪小镇项目涉及高寒地区冬期混凝土施工效率低；异型钢结构、曲面屋面及幕墙造型多，节点构造复杂，外观质量控制难度大；工程体量大、工期紧、多专业协同全过程动态管理难度大等技术瓶颈问题，本项目在企业技术委托、住房和城乡建设部科技计划项目等资助下，历时5年，取得如下创新成果：

1. 冬奥建筑基础抗浮特种混凝土智能设计方法及施工技术：建立了特种混凝土力学性能预测集成机器学习模型，提高了特种抗浮混凝土力学性能预测精度；提出了特种混凝土配合比多目标优化方法，突破了混凝土抗浮性能-力学强度-经济性能-碳排放-耐久性多个竞争性目标联合优化技术瓶颈；开发了CFD+AI模拟的抗浮混凝土基础施工过程优化方法，解决了冬奥建筑抗浮混凝土冬季施工可泵送性差的难题。

（2）冬奥建筑混凝土结构冬季快速施工质量控制关键技术：研发了冬季施工混凝土外用高性能定型相变储能复合材料，为混凝土结构的冬期施工提供低成本、高稳定的新型节能控温材料；开发了冬季施工混凝土内用低热胶凝材料体系及控温技术，实现了低热胶凝材料体系设计过程的数字优化，以及混凝土受冻损伤风险区的实时监测预测；发明了太阳光-热/相变蓄热冬季施工混凝土智能养护新技术，研发了混凝土相变控温及防冻抗裂技术，可有效防控混凝土早龄期温度开裂和冻害，大幅度减少能源消耗与碳排放，突破了冬奥建筑冬季施工混凝土结构的低碳化和质量控制关键技术瓶颈。

（3）冬奥复杂异型结构建造过程数字化控制技术：提出了异型空间结构数字化建造高精度监测方法，大幅提高了多元异构数据融合的效率和精度，实现了异型“雪花”空间结构高空原位拼装，焊接质量、杆件变形、ETFE膜屋顶施工等精确装配。提出了冬奥异型混凝土构件建造过程设计/监测一体化方法，实现了耦合实际施工过程荷载信息、反映实际构件单元变形及内力精细化模型参数联动的高精度施工。研发了冬奥建筑设施高质量数字化建造动态管控平台，解决了工期短、规模大、参与方多、质量要求高导致的施工管控难题，有效提高了冬奥异型空间结构群建造效率。

本项目获得授权发明专利4件、实用新型专利3个及软件著作权3个。发表SCI/EI论文30篇（SCI论文30篇），其中“三类高质量论文”占30篇。

主要完成单位及创新推广贡献

主要完成单位：河北工业大学、中信建设有限责任公司、哈尔滨工业大学、北京可耐可特新材料有限公司

中信建设有限责任公司作为崇礼冰雪小镇业主占股方和施工总承包方，委托河北工业大学研发 “高寒地区建筑群高质量快速建造关键技术”，河北工业大学组织哈尔滨工业大学、北京可耐可特新材料公司联合科研攻关，针对冬奥建筑工期短、规模大、结构类型复杂、参与方多、碳排放量大、质量和自动化程度要求高等难题，河北工业大学和北京可耐可特新材料有限公司研发了冬奥建筑基础抗浮特种混凝土智能设计方法及施工技术，成功应用在崇礼太子城冰雪小镇项目上，并辐射全国多个重点工程；河北工业大学和哈尔滨工业大学研发冬奥建筑混凝土结构冬季快速施工质量控制关键技术，河北工业大学和中信建设有限责任公司研发冬奥复杂异型结构建造过程数字化控制技术，中信建设有限责任公司负责科研研发场地，并实施应用在崇礼太子城冰雪小镇项目工程应上，多家单位联合研发形成了系统性的冬奥建筑设施低碳化与数字化建造成套技术创新成果。

推广应用及经济社会效益情况

项目成果在冬奥太子城冰雪小镇会展酒店、文创商街、国宾山庄及颁奖广场等项目成功应用。在中国建筑业协会第六届建设工程BIM大赛中《“雪花飘飞入崇礼，科技引领耀冬奥”崇礼太子城冰雪小镇项目BIM技术综合应用》荣获一等奖。中华全国总工会授予中信建设有限责任公司（联合申报单位）全国五一劳动奖状先进集体，表彰了在冬奥建设和筹备中做出的突出贡献，小镇遵循了“尊重自然、集约资源、中国风格、国际标准”的建设理念、推动了京津冀协同发展。

北京2022年冬奥会和冬残奥会组织委员会颁发奖励证书表彰中信建设有限责任公司为张家口颁奖广场的建设、制服和分中心的建设和运行做出的突出贡献。

项目成果应用立足崇礼太子城冰雪小镇辐射全国重点工程，在涞水航天818基地-发射台基础配重项目、武汉青山长江大桥、高铁盐城特大桥等多个重大工程推广应用。整体综合技术应用三年新增销售额累计47.1252 亿元，新增利润累计5.6673 亿元，创造了显著的经济及社会效益。

代表性论文专著目录

1、Junfei Zhang, Yimiao Huang ,Yanmei Yuan, Guowei Ma, Brett Nener. Automating the mixture design of lightweight foamed concrete using multi-objective firefly algorithm and support vector regression[J]. Cement and Concrete Composites, 2021, 121: 104103.

2、Junfei Zhang, Yimiao Huang , Guowei Ma, Brett Nener. Mixture optimization for environmental, economical and mechanical objectives in silica fume concrete: A novel frame-work based on machine learning and a new meta-heuristic algorithm[J]. Resources, Conservation and Recycling, 2021, 167: 105395.

3、Yushi Liu, Kunyang Yu, Mingjun Xie, Shuang Lu, Yingzi Yang, Hui Wang, Hanxi Jia. Hydrate salt/self-curing acrylic resin form-stable phase change materials with enhanced surface stability and thermal properties via the incorporation of graphene oxide. Int J Energy Res. 2020;1–15. (SCI, Impact Factor=5.164)

4、胡鏖、张丹、王玲、王丙亮；新型可调加固件式方柱模板体系施工技术 建筑结构增刊 2021年，12月；中信建设有限责任公司、河北工业大学。

主要知识产权证明目录

1. 王晓中.一种高强度防辐射可泵送混凝土及其制备方法.授权号：CN107827416B；专利号：ZL 201711164900X。
2. 王晓中.一种钢渣混凝土.专利号：ZL 201510176843.1。
3. 马国伟、刘雨时、王玲. 寒冷环境混凝土结构的相变蓄热养护装置及其实现方法.授权号: CN114319842B, 授权发明专利。
4. 杜子涛.一种无人机投放装置及控制系统.授权号：CN 214296465U。
5. 刘雨时，杨英姿，高小建. 一种高导热二元低共融水合盐相变材料及其制备方法. ZL201610495551.9, 授权发明专利。
6. 王玲、张俊飞、张丹. 装配式剪力墙结构施工虚拟仿真实验软件；软件著作权证书号：软著登字第9098175号。

主要完成人情况表（排名、姓名、技术职称、工作单位、对本项目技术创造性贡献、曾获奖励情况）

排名

姓名

技术职称

工作单位

完成单位

贡献

曾获奖情况

1

王玲

副教授

河北工业大学

河北工业大学

总体统筹研发新材料、新技术应用在崇礼冰雪小镇，重点研发了异型空间结构建造过程数字化监测技术

河北省科技进步三等奖（第二完成人）

2

王晓中

正高级工程师

北京可耐可特新材料有限公司

北京可耐可特新材料有限公司

研发了基于CFD+AI模拟的抗浮混凝土基础施工技术

3

刘雨时

副教授

哈尔滨工业大学

哈尔滨工业大学

发明了冬奥建筑混凝土结构冬季快速施工质量控制关键技术

无

4

张俊飞

副教授

河北工业大学

河北工业大学

提出了特殊环境建筑基础抗浮混凝土智能设计方法

无

5

胡鏖

教授级高工

中信建设有限责任公司

中信建设有限责任公司

提出了冬奥异型混凝土构件建造过程设计/控制一体化方法

无

6

杨英姿

教授

哈尔滨工业大学

哈尔滨工业大学

联合研制了高性能相变储能复合材料

7

张丹

讲师

河北工业大学

河北工业大学

研发了多元数据融合的冬奥建筑数字化建造信息管控平台

无

8

杜子涛

讲师

河北工业大学

河北工业大学

研发了自充电无人值守无人机系统

无

完成人合作关系说明

2020年年1月-2022年6月，王玲/1，王晓中/2，刘雨时/3，张俊飞/4，胡鏖/5，杨英姿/6，张丹/7，杜子涛/8等人共同参与完成了冬奥建筑设施低碳化与数字化建造关键技术项目。

在项目执行过程中，各完成人分工合作，共同研发，并合作发表多篇学术论文，授权多项发明专利。

完成人王玲/1，全面负责引领本课题研究内容的技术创新工作，对本课题关键技术的形成发挥关键作用，负责项目总体组织协调。

完成人王玲/1，王晓中/2，刘雨时/3，张俊飞/4，胡鏖/5，杨英姿/6，张丹/7，杜子涛/8，项目：“高寒地区建筑群高质量快速建造关键技术”项目。创新提出了冬季施工混凝土内用低热胶凝材料体系及控温技术以及冬奥异型混凝土构件建造过程设计/控制一体化方法，实现了高寒地区建筑群高质量快速建造。

完成人王玲/1，刘雨时/3，专利：寒冷环境混凝土结构的相变蓄热养护装置及其实现方法。通过该装置，可高效利用太阳能对混凝土进行养护、对设备进行保温，从而保证混凝土强度在低温环境下的正常发展以及防止设备低温损伤，有利于低温环境下施工进程的正常推进。

完成人刘雨时/3，杨英姿/6，专利：一种高导热二元低共融水合盐相变材料及其制备方法。发明了价格低廉、储热能力高、相变温度合适的无机水合盐相变材料，消除了水合盐的过冷与相分层缺陷，调控了水合盐相变温度至冬季施工混凝土的有效温度范围，显著提升了水合盐相变材料应用中的储放热效率。

完成人王玲/1，胡鏖/5，张丹/7，论文：新型可调加固件式方柱模板体系施工技术。发明了一种方柱模板加固件并提出可调加固件式方柱模板的施工工艺流程和操作要点，具有运输便捷、安装快速、拆卸方便、构造新颖、周转利用率高等优点。

完成人王玲/1，胡鏖/5，张丹/7，奖项：“雪花飘飞入崇礼，科技引领耀冬奥”崇礼太子城冰雪小镇项目BIM技术综合应用。采用提出的激光扫描技术反向建立复杂变截面大斜率混凝土长柱模板及支撑加固系统三维模型，提出了基于BIM模型的混凝土构件模板及支撑加固系统有限元优化方法，实现了精密工程监测从静态到动态、离散到连续的转变。

完成人王玲/1，王晓中/2，张俊飞/5，人才培养：产学研合作，联合培养研究生，合作培养研究生3名。

完成人王玲/1，张俊飞/5，张丹/7，软件著作权：装配式剪力墙结构施工虚拟仿真实验软件。研发了多元数据融合的冬奥建筑数字化建造信息管控平台，实现了施工进度的实时跟踪、问题快速预警与定位，为2022年冬奥会的顺利开展提供了保障。

完成人合作关系情况汇总表

序号

合作方式

合作者/项目排名

合作时间

合作成果

备注

1

合作企业委托科研项目

王玲/1；王晓中/2；刘雨时/3；张俊飞/4；胡鏖/5；杨英姿/6；张丹/7；杜子涛/8

2019.01-2022.06

完成了中信建设有限责任公司委托河北工业大学研发的“高寒地区建筑群高质量快速建造关键技术”项目

科研技术成果应用于崇礼太子城冰雪小镇项目

2

合作发明专利

王玲/1；刘雨时/3

2019.01-2022.06

寒冷环境混凝土结构的相变蓄热养护装置及其实现方法. CN114319842B, 授权发明专利

3

合作发明专利

刘雨时/3；杨英姿/6

2019.01-2022.06

一种高导热二元低共融水合盐相变材料及其制备方法

ZL201610495551.9

4

合著论文

王玲/1；胡鏖/5；张丹/7

2019.01-2022.06

新型可调加固件式方柱模板体系施工技术

5

合作申请BIM获奖

王玲/1；胡鏖/5；张丹/7

2019.01-2022.06

“雪花飘飞入崇礼，科技引领耀冬奥”崇礼太子城冰雪小镇项目BIM技术综合应用

6

联合培养研究生

王玲/1；王晓中/2；张俊飞/5

2018.01-今

产学研合作，联合培养研究生

企业导师聘书

7

合作软件著作权

王玲/1；张俊飞/4

2019.01-今

装配式剪力墙结构施工虚拟仿真实验软件