冬奧場館　數(shù)不清的高科技

田潔

“冰絲帶” 夏天“不罷工”

國家速滑館是北京2022年冬奧會速度滑冰項目的比賽場館，因其外觀設(shè)計如絲帶飛舞，被稱為“冰絲帶”。

國家速滑館以“冰”和“速度”為設(shè)計象征，設(shè)計理念、技術(shù)工藝、材料選取、施工技法等多個方面都實現(xiàn)了創(chuàng)新和突破。在外觀上，22根“冰絲帶”環(huán)繞曲面幕墻系統(tǒng)，展現(xiàn)了速度滑冰的速度與激情。場館內(nèi)部的正交雙向單層馬鞍形屋頂索網(wǎng)，198米長，124米寬，全部使用國產(chǎn)高釩密閉索，跨度大到世界之最。國家速滑館鋼結(jié)構(gòu)工程榮獲第十三屆中國鋼結(jié)構(gòu)金獎和中國鋼結(jié)構(gòu)金獎年度杰出工程大獎……

國家速滑館制冷制冰系統(tǒng)在全球最先采用二氧化碳跨臨界直接蒸發(fā)，不僅為冬奧比賽提供“最快的冰”，也可為賽后適應(yīng)多種需求的群眾健身提供硬件支撐。

體育工藝制冰工程專項設(shè)計負(fù)責(zé)人馬進(jìn)介紹說，國家速滑館擁有亞洲最大的全冰面設(shè)計，冰面面積達(dá)1.2萬平方米，采用分模塊控制單元，最多可將冰面劃分為9個區(qū)域，根據(jù)不同項目分區(qū)域、分標(biāo)準(zhǔn)制冰。這里可以同時接待超過2000人開展冰球、速度滑冰、花樣滑冰、冰壺等所有類型的冰上運動。

為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，以二氧化碳為制冷媒介發(fā)揮了重要作用。這是目前在確保場館安全前提下環(huán)保、高效、先進(jìn)的制冰制冷技術(shù)，能為冬奧比賽提供溫度高度均衡的冰面，比傳統(tǒng)技術(shù)能效提高20%以上。通過智能能源管理系統(tǒng)，把制冷產(chǎn)生的70攝氏度廢熱直接用于除濕、冰面維護(hù)、場館生活熱水等。傳統(tǒng)制冰方式產(chǎn)生的廢熱在40攝氏度左右，為了達(dá)到修復(fù)冰面所需的70攝氏度熱水，還要再次加熱。因此，在全冰面模式下，每年僅制冷部分就能節(jié)電200多萬千瓦時，整個系統(tǒng)的碳排放趨近于零。

為解決二氧化碳在20攝氏度以上不制冷的物理屬性，技術(shù)團(tuán)隊又解決了二氧化碳“跨臨界值”工作的問題，使這套系統(tǒng)夏天也能正常工作，實現(xiàn)全季運營。

建設(shè)中的國家速滑館內(nèi)景

“冰絲帶”冰面下是如同“千層糕”一樣的層層鋪設(shè)，最下面是加熱層，防止底部土壤因長期結(jié)冰而膨脹凸起。往上依次為保暖層、鋼架支撐、混凝土層，最上面是冰面層。整個冰場中的不銹鋼制冷管總長度達(dá)到120公里，埋在混凝土中，一旦出現(xiàn)縫隙，維修起來大費周章，因此，制冷管之間的焊接不容有失。9個區(qū)域的冰面劃分高度體現(xiàn)了科技的神奇。由于不同項目對冰面溫度、硬度要求不同，如何同時滿足不同冰面的需求，就要靠制冷管道中看不見摸不著的二氧化碳不同密度分布來實現(xiàn)了。

水立方 水冰轉(zhuǎn)換“玩冰壺”

在國家游泳中心舉辦冰壺比賽，是奧運史上首次在夏奧場館舉辦冰上項目比賽。為了滿足冬奧賽事場地要求，又保有夏季奧運水上項目功能，國家游泳中心創(chuàng)造性地提出了“水冰轉(zhuǎn)換”方案：通過支撐體系和移動式制冰系統(tǒng)，完成“水立方”到“冰立方”的功能轉(zhuǎn)換。

起初，世界冰壺聯(lián)合會不支持這個方案。由于冰壺場地對冰面穩(wěn)定性要求非常高，他們更傾向于把泳池填平。為了實現(xiàn)“水冰轉(zhuǎn)換”的“中國方案”，技術(shù)團(tuán)隊對場地結(jié)構(gòu)、溫度、濕度、照明、聲學(xué)等多方面定向科研攻關(guān)，通過將近一年的改造，確立了“在泳池內(nèi)架設(shè)可拆卸鋼結(jié)構(gòu)，鋪設(shè)混凝土預(yù)制板，安裝可拆裝制冰系統(tǒng)及配套管線”的方案，實現(xiàn)了泳池到冰壺賽道的轉(zhuǎn)換，打造出符合冬奧會冰壺賽事標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)、制冰系統(tǒng)、除濕系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、體育照明系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。國家游泳中心總經(jīng)理楊奇勇說：“我們通過對比測試，在6種材料組合里選擇最強、最穩(wěn)定的，確定使用輕型鋼結(jié)構(gòu)和大塊混凝土。”2019年底，國家游泳中心制出“第一塊冰”，舉行了中國青少年冰壺公開賽，對制冰系統(tǒng)、冰壺場地結(jié)構(gòu)體系等進(jìn)行全冰面測試，得到世界冰壺聯(lián)合會的肯定?！罢麍霰荣?，我們的冰面沒有一絲晃動?，F(xiàn)場檢測，冰面的自振頻率是每秒25赫茲。人的運動頻率每秒為1至5赫茲，人在冰面上活動不會引起冰面共振”。

冰壺項目的制冰工藝精細(xì)，對冰面的品質(zhì)要求嚴(yán)苛。國家游泳中心研究建立覆蓋全建筑空間、集成多種終端、自適應(yīng)多種應(yīng)用場景的群智能控制系統(tǒng)。數(shù)百個智能控制節(jié)點、上千個各類傳感器織構(gòu)成的強大“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，并行處理至少30個場館的管理任務(wù)。擁有“更強大腦”的智慧“冰立方”可以瞬間完成多種模式的更新和切換，為冬奧賽后場館的冰上、水上賽事和演出、展覽、參觀等各類活動提供功能和環(huán)境保障。

想做好冰，就要摸透冰的脾氣。為徹底解決冰場裂縫，科研團(tuán)隊采用現(xiàn)代力學(xué)的熱一力耦合機理，微觀到冰的分子結(jié)構(gòu)，宏觀到冰場與人和環(huán)境的相互作用，以此為基礎(chǔ)，通過群智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)冰面與室內(nèi)環(huán)境的實時感知與精確控制，最終制出“乖巧聽話的冰”。

五棵松 冰場規(guī)格“隨時換”

北京冬奧會時，五棵松體育館將用于冰球比賽，建造之初就已經(jīng)為場館未來多功能使用做好設(shè)想，在場芯下面預(yù)埋了制冰管道，多次實現(xiàn)冰面與籃球場地在6小時內(nèi)完成轉(zhuǎn)換。

水立方變身冰立方。

五棵松體育館改造中的“冰壩”（五棵松體育館供圖）

五棵松體育館正在按照冰球運動要求改造更衣室。（五棵松體育館供圖）

五棵松體育館的冰面設(shè)計為國際冰球比賽標(biāo)準(zhǔn)的30×60米。為了增加比賽的激烈程度和觀賞性，國際冰聯(lián)決定從北京冬奧會開始，將冬奧會冰球場地改為26×60米。在科技高度發(fā)達(dá)的今天，冰面大改小并非難事。為滿足不同冰上項目對場地的不同需求，五棵松體育館決定在冰面尺寸上也實現(xiàn)“自由切換”，“冰壩”技術(shù)應(yīng)運而生。

冰球比賽場地規(guī)格從61×30米到26×15米不等，四角圓弧的半徑為7至8.5米。冬奧會時將采用長60×26米，冰面四周圍以高1.15米至1.22米的牢固界墻，冰面溫度為零下5攝氏度左右。

花樣滑冰場地規(guī)格從60×30米到52×26米不等，四角弧形，冰面厚度為3至5厘米，制冰溫度大約在零下3至零下4攝氏度。

短道速滑場地規(guī)格為60×30米，場地周長111.12米，直道寬不小于7米，長28.85米，彎道半徑8米。冰面溫度為零下6至零下7攝氏度，較硬的冰面能夠給長刀提供更好的力度支持。

在不同冰面區(qū)域設(shè)置“冰壩”，需要多大冰面可以按需切換。改造完成后，五棵松體育館將成為能承辦冰球、花樣滑冰、短道速滑三項賽事的通用型場館。

延慶賽區(qū) 踐行“生態(tài)冬奧”

建設(shè)中的張家口賽區(qū)的國家跳臺滑雪中心

延慶賽區(qū)內(nèi)植物資源豐富，周邊分布有國家級和市級重點保護(hù)野生植物。

賽區(qū)包括國家高山滑雪中心和國家雪車雪橇中心兩座比賽場館，還有冬奧村和山地新聞中心兩座非奧運場館及其配套設(shè)施，全部為新建項目。北京北控京奧建設(shè)有限公司環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展工作組主任梁德棟介紹說，在施工中，對植物堅持“避讓”為第一原則，就地保護(hù)。在奧運村的建設(shè)過程中，就地保留了100多棵大樹，對無法避讓的保護(hù)植物采取生境相近的近距離近地保護(hù)或遠(yuǎn)距離遷地保護(hù)，“生態(tài)保護(hù)的很多工作要在建設(shè)開工前進(jìn)行，那時候路還沒修好，大型機械設(shè)備上不去，很多樹木的遷移都是靠人力往山下背”。據(jù)統(tǒng)計，從賽區(qū)共近地移植11027株珍稀植物，對2.4萬株樹木實施了遷地保護(hù)，建設(shè)專門的遷地保護(hù)小區(qū)。

延慶區(qū)園林綠化局副局長龐月龍說，由于施工時間的要求，植物移植移栽基本上都在夏季，正值植物旺盛的生長期，成活率很難保證。為了攻克難關(guān)，北京林業(yè)大學(xué)和清華大學(xué)的專家團(tuán)隊研究出植物夏季移植移栽技術(shù)。龐月龍說：“我們采取的辦法是先修剪樹頂上的枝杈，讓它的生長慢下來，但根系都是完整的，仍然具有很強的生長活力。等它第二次發(fā)芽，再按照常規(guī)移植，這棵樹就活了。近期經(jīng)過驗收，植物移植移栽成活率超過90%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過50%的及格線。”

表土是一種重要的自然資源，有機質(zhì)合量高，并含有豐富的本地微生物群，適合本地植物生長。優(yōu)質(zhì)的表土層是難以再生的寶貴資源，每一厘米表土層的形成需要100至400年。延慶賽區(qū)共計剝離表土8萬多立方米，全部回鋪至生態(tài)修復(fù)區(qū)域內(nèi)。

雪車雪橇中心“不怕曬”

北京冬奧會選在小海坨山南麓興建國家雪車雪橇中心，這將成為全球唯一建在山體南坡的賽道。為了避免陽光照射使賽道冰面溫度升高，國家雪車雪橇中心成為全球唯一全遮陽棚遮擋賽道。

北京北控京奧建設(shè)有限公司副總經(jīng)理李長洲說：“外界環(huán)境溫度再低，只要有陽光直射，冰面也會融化、蒸發(fā)，影響賽道質(zhì)量。為了不讓光線直接照射冰面，我們研發(fā)了一套全球首個鋼木結(jié)合結(jié)構(gòu)的地形氣候保護(hù)系統(tǒng)，遮光處理，加上遮陽簾，形成賽道小氣候，滿足賽時需求?！?/p>

國家雪車雪橇中心賽道遮陽棚面積總共將近2.3萬平方米，結(jié)合賽道形狀、自然地形和“人工地形”，傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合，有效保護(hù)賽道冰面免受各種氣候因素影響，大大減少陽光直射，起到節(jié)能保溫作用，最大限度地降低了能源消耗。

國家雪車雪橇中心賽道總長為1.9公里，制冰修冰工作可在10天內(nèi)全部完成。

延慶崇禮 造冰造雪“純天然”

冰雪項目，用水是個大問題。山地雨水、雪水利用，中水回用，融雪融冰回流，污水處理，都需要提前考量，合理設(shè)計。

延慶賽區(qū)國家高山滑雪中心最高海拔接近2200米。李長洲說，造雪用的水來自佛峪口水庫和白河堡水庫，通過7.5公里長的地下綜合管廊，把水送往海拔1050米的塘壩和海拔1290米的蓄水池，再通過三級泵站分別注入各雪道造雪系統(tǒng)，最終到達(dá)小海陀山2198米最高點附近的出發(fā)平臺，同時，對融雪水、雨水等水資源回收利用。

在室外雨水的控制和利用中，合理利用了山地自然地勢，在低洼處或天然水體中調(diào)蓄、入滲，通過透水鋪裝、增加綠化面積等措施降低徑流系數(shù)，賽區(qū)污水全收集、全處理，再生水充分利用，回用水源充足。

張家口賽區(qū)云頂滑雪樂園有6條冬奧會賽道，在原有雪道基礎(chǔ)上改建而成，使工程施工量減少15%以上。融化的雪水回收貯存，供來年雪季造雪使用，云頂滑雪樂園對此有豐富的經(jīng)驗。4座蓄水池蓄水總量28萬立方米，可以保障2022冬奧會及2021世錦賽賽道造雪用水需求。

責(zé)編 柏強