國(guó)家游泳中心（冰立方）＊

鄭方 孫衛(wèi)華 馮喆

北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

國(guó)際奧委會(huì)于2021年2月發(fā)布《奧林匹克2020+5議程》，以“奧林匹克運(yùn)動(dòng)：把挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)遇”為主題，提出不再使用新建永久場(chǎng)館舉辦奧運(yùn)會(huì)等建議，“把長(zhǎng)期的可持續(xù)性，包括經(jīng)濟(jì)視角的可持續(xù)性作為首要基礎(chǔ)”。2022年北京冬奧會(huì)成為場(chǎng)館可持續(xù)建設(shè)的典范，如冰上競(jìng)賽場(chǎng)館中，僅國(guó)家速滑館為新建，其他競(jìng)賽場(chǎng)館均為改造再利用。

2008年奧運(yùn)會(huì)期間，國(guó)家游泳中心（水立方）成功舉辦了游泳、跳水和花樣游泳比賽。在這里，游泳運(yùn)動(dòng)員24次打破21項(xiàng)世界紀(jì)錄，成為世界上“最快的游泳池”。賽后，水立方實(shí)現(xiàn)了多樣化運(yùn)營(yíng)，持續(xù)舉辦從國(guó)際級(jí)到社區(qū)級(jí)的游泳/跳水比賽，開(kāi)發(fā)各類商業(yè)/藝術(shù)大型活動(dòng)，服務(wù)市民游泳健身等。這些實(shí)踐成為全球奧運(yùn)場(chǎng)館運(yùn)營(yíng)的典范，并于2019年獲得國(guó)際奧委會(huì)頒發(fā)的“體育和可持續(xù)建筑獎(jiǎng)”。2022年冬奧會(huì)冰壺比賽和冬殘奧會(huì)輪椅冰壺比賽為水立方增加了“冰”的功能，建立了可轉(zhuǎn)換的冬季運(yùn)營(yíng)新場(chǎng)景。

從奧運(yùn)會(huì)游泳比賽到冬奧會(huì)冰壺比賽的場(chǎng)景轉(zhuǎn)換，需要建立建筑空間、體育場(chǎng)地、室內(nèi)環(huán)境、智慧運(yùn)行等系統(tǒng)性的核心要素關(guān)聯(lián)和轉(zhuǎn)換策略，涵蓋建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、能源、智能化與工程建造、臨時(shí)設(shè)施等關(guān)鍵領(lǐng)域，服務(wù)賽時(shí)、賽后多種使用人群。在科技部支持下，跨專業(yè)科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)國(guó)家游泳中心（冰立方）展開(kāi)創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用示范，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)奧運(yùn)會(huì)的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展，開(kāi)創(chuàng)面向未來(lái)的智慧運(yùn)行場(chǎng)景示范。

體育場(chǎng)館在運(yùn)行中的功能并非單一、固定的，而是服務(wù)于比賽、訓(xùn)練、集會(huì)、展覽等不同活動(dòng)。每種主要運(yùn)行狀態(tài)為一個(gè)核心場(chǎng)景，這些場(chǎng)景的相互轉(zhuǎn)換是普遍性問(wèn)題，只是有的相對(duì)簡(jiǎn)單，有的高度復(fù)雜，需要精密的技術(shù)體系支撐。

1 建筑空間

建筑空間的通用性（尤其是比賽大廳和周圍的輔助空間）是多功能場(chǎng)館的出發(fā)點(diǎn)，也是運(yùn)行場(chǎng)景轉(zhuǎn)換的核心。水立方平面為邊長(zhǎng)177m的正方形。游泳池位于地下一層，南北兩側(cè)分別是競(jìng)賽管理區(qū)和運(yùn)動(dòng)員區(qū)。地下一層以上的內(nèi)部空間由縱橫兩道ETFE氣枕墻體分成三個(gè)大跨空間：1）靠近南立面是戲水樂(lè)園；2）西側(cè)是上下層疊的熱身池大廳和多功能網(wǎng)球場(chǎng)；3）東北側(cè)包括中部的比賽大廳、南北小樓和南北步行街。這樣一個(gè)豐富的內(nèi)部空間體系為賽事、大型活動(dòng)和商業(yè)運(yùn)營(yíng)提供了高度的適應(yīng)性。

奧運(yùn)場(chǎng)館的基本模式為“永久場(chǎng)館+臨時(shí)設(shè)施（Overlay）”，這需要使用功能高度靈活，賽時(shí)臨時(shí)設(shè)施易于安裝；具備良好的基礎(chǔ)設(shè)施條件，避免臨時(shí)設(shè)施規(guī)模過(guò)大，從而節(jié)約辦賽和大型活動(dòng)的投資。

1.1 比賽大廳

比賽大廳是競(jìng)賽和大型活動(dòng)的核心場(chǎng)所，中部是游泳池和跳水池場(chǎng)地（不計(jì)跳塔，包括泳池池岸在內(nèi)的場(chǎng)地約為長(zhǎng)100m、寬40m、高28m）。2008年奧運(yùn)會(huì)賽時(shí)，比賽大廳觀眾席位17 000個(gè)；賽后拆除二層及以上的臨時(shí)看臺(tái)，保留南北兩側(cè)約5 000座的永久看臺(tái)。比賽大廳屋頂裝備先進(jìn)的機(jī)電系統(tǒng)，屋頂鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)預(yù)留吊掛點(diǎn)，為臨時(shí)設(shè)施的安裝提供條件。

1 夜景鳥(niǎo)瞰

業(yè)主：北京市國(guó)有資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)有限責(zé)任公司

建設(shè)地點(diǎn)：北京市朝陽(yáng)區(qū)

建筑設(shè)計(jì)：北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：鄭方、孫衛(wèi)華

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：董曉玉、宋剛、唐文寶、馮喆、朱碧雪、王雪生、陳盛、汪波、任重、王瀟瀟

總建筑面積：50 000m2

設(shè)計(jì)時(shí)間：2016—2020

建成時(shí)間：2020

2 通用建筑空間

夏季，比賽大廳為泳池模式，用于游泳/跳水/花樣游泳比賽、藝術(shù)裝置體驗(yàn)、公眾日常參觀；大型活動(dòng)時(shí)，采用臨時(shí)腳手架和面板系統(tǒng)部分或全部填充泳池。冬季，比賽大廳為冰場(chǎng)模式，可進(jìn)行冰壺、冰球、短道速滑和花滑等項(xiàng)目的比賽和訓(xùn)練；大型活動(dòng)時(shí)，采用冰被覆蓋部分或全部冰面。

永久看臺(tái)為標(biāo)準(zhǔn)坐席，可臨時(shí)搭設(shè)媒體席位、攝像機(jī)平臺(tái)等設(shè)施。東西兩側(cè)為冰場(chǎng)模式和大型活動(dòng)時(shí)搭建的臨時(shí)看臺(tái)，西側(cè)為冬奧會(huì)媒體、評(píng)論員和電視轉(zhuǎn)播席位；東側(cè)為普通觀眾席位。永久看臺(tái)和臨時(shí)看臺(tái)分別為冬殘奧會(huì)設(shè)置充足的殘疾人席（包括陪伴席）。

1.2 熱身池大廳

熱身池大廳是為游泳比賽設(shè)置的熱身、訓(xùn)練泳池，緊鄰比賽大廳，使用便利；日常為游泳俱樂(lè)部，向公眾開(kāi)放。冬奧會(huì)期間，使用腳手架將泳池墊平，作為場(chǎng)館媒體中心使用。

1.3 多功能廳

熱身池正上方為高17m的多功能廳，側(cè)墻和屋面由ETFE氣枕幕墻圍合，面積約2 600m2，日常布置3片網(wǎng)球場(chǎng)或舉辦各類中小規(guī)模活動(dòng)。2008年奧運(yùn)會(huì)期間，這里作為場(chǎng)館安保中心使用；冬奧會(huì)期間，用于工作人員和志愿者的休息與用餐。

1.4 競(jìng)賽用房

地下一層比賽場(chǎng)地周圍為永久性的運(yùn)動(dòng)員更衣室、技術(shù)與競(jìng)賽管理用房。由于冬奧會(huì)冰壺比賽需要22間更衣室，因而在臨近池岸處改建了永久更衣室，再通過(guò)臨近車庫(kù)中布置的集裝箱補(bǔ)足所需的臨時(shí)更衣室數(shù)量。運(yùn)動(dòng)員醫(yī)療站、興奮劑檢查站為永久設(shè)施，其他運(yùn)動(dòng)員休息室、熱身區(qū)均在車庫(kù)臨時(shí)設(shè)置。

3 冬季場(chǎng)景首層平面圖

4 2008 年奧運(yùn)會(huì)賽時(shí)模式

5 比賽大廳泳池模式

6 比賽大廳冬奧會(huì)冰場(chǎng)模式

7 熱身池大廳

8 多功能廳

9 冰場(chǎng)結(jié)構(gòu)搭建

2 冰場(chǎng)/泳池場(chǎng)地

比賽場(chǎng)地是體育場(chǎng)館運(yùn)營(yíng)的功能核心。一般來(lái)說(shuō)，北美冰球和籃球的商業(yè)模式較為發(fā)達(dá)，而且二者場(chǎng)地的長(zhǎng)寬比例接近，常通過(guò)伸縮看臺(tái)等設(shè)施實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地的轉(zhuǎn)換，國(guó)家體育館、五棵松體育館等均借鑒了這種模式。在北京冬奧會(huì)之前，冰場(chǎng)和泳池兼作冬夏運(yùn)營(yíng)的場(chǎng)地，僅見(jiàn)于日本相模原銀河體育館的孤例：銀河體育館將腳手架結(jié)構(gòu)支撐木夾板作為場(chǎng)地基層，使用臨時(shí)敷設(shè)的塑料管道制冰，雖然可以服務(wù)社區(qū)，卻無(wú)法承擔(dān)更高級(jí)別的比賽。

在泳池上方搭建冰場(chǎng)，需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是高精度、快速安裝的預(yù)制基層，二是精密的移動(dòng)制冰系統(tǒng)。冰壺場(chǎng)地包括4條賽道，每條長(zhǎng)45.72m、寬5m。制冰的范圍為賽道端線各增加3m，兩側(cè)各增加1m。冰壺庫(kù)、冰車均需存放于冰面，制冰系統(tǒng)和水處理系統(tǒng)需要采用模塊化設(shè)備，在場(chǎng)地附近安裝。

10 冰壺場(chǎng)地剖面圖

11 看臺(tái)前沿的臨時(shí)布風(fēng)管

表1 泳池模式和冰場(chǎng)模式的設(shè)計(jì)參數(shù)

12 制冰技術(shù)控制臺(tái)

在科技冬奧專項(xiàng)支持下，科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)了由鋼框架、預(yù)制混凝土板、保溫板、防水層復(fù)合的場(chǎng)地構(gòu)造體系和快速安裝工藝。在基層之上，使用一種蜂窩網(wǎng)格支撐的高強(qiáng)PVC管道制冰。經(jīng)過(guò)全尺寸冰場(chǎng)比賽測(cè)試，這一體系獲得了世界冰壺聯(lián)合會(huì)（World Curling Federation,WCF）的認(rèn)可。由此，國(guó)家游泳中心（世界最快的游泳池/冬奧標(biāo)準(zhǔn)的冰場(chǎng)）建立了冬夏場(chǎng)景轉(zhuǎn)換的場(chǎng)地核心。

3 可調(diào)節(jié)的環(huán)境

比賽大廳的運(yùn)行目標(biāo)是為運(yùn)動(dòng)員和觀眾提供舒適的室內(nèi)熱濕環(huán)境、光環(huán)境和聲環(huán)境，同時(shí)兼顧大型活動(dòng)的使用需求。在泳池環(huán)境下，減少水的蒸發(fā)，控制建筑內(nèi)表面不結(jié)露；在冰場(chǎng)環(huán)境，控制冰面結(jié)霜和冰的不均勻升華。

3.1 熱濕環(huán)境

泳池模式和冰場(chǎng)模式的熱濕環(huán)境參數(shù)如表1所示，夏季泳池區(qū)和冬季冰場(chǎng)區(qū)風(fēng)速＜0.2m/s?？蒲?、設(shè)計(jì)、運(yùn)行團(tuán)隊(duì)在對(duì)冰場(chǎng)模式下比賽場(chǎng)區(qū)域置換送風(fēng)和固定看臺(tái)前沿布袋風(fēng)管送風(fēng)兩種方案進(jìn)行詳盡模擬和比賽實(shí)況測(cè)試后，選用布袋風(fēng)管送風(fēng)的方式，最大程度地降低氣流分布對(duì)冰面的影響。地下二層局部改造為除濕機(jī)房。

為降低除濕負(fù)荷，減少不穩(wěn)定氣流對(duì)冰面質(zhì)量的影響，對(duì)比賽大廳圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn)。冬季場(chǎng)景下，臨時(shí)封閉ETFE幕墻和比賽大廳的自然通風(fēng)口；檢查和密封ETFE屋頂預(yù)留的吊點(diǎn)開(kāi)口，提升幕墻本身的氣密性；比賽大廳出入口增設(shè)透明簾幕，防火門賽時(shí)保持關(guān)閉狀態(tài)。

3.2 光環(huán)境

水立方采用的ETFE氣枕幕墻為游泳運(yùn)動(dòng)創(chuàng)造了明亮、愉悅的自然光環(huán)境。為避免自然光直射冰面，比賽大廳屋頂空腔的下層氣枕表面覆蓋不透光的PVC膜，保證冰上比賽在遮黑模式下進(jìn)行。比賽大廳的電視轉(zhuǎn)播照明全部更換為L(zhǎng)ED燈具，以降低對(duì)冰面的熱輻射。照明模式涵蓋冬季冰壺、夏季游泳/跳水、體育展示等大型活動(dòng)的功能需求。

3.3 聲環(huán)境

由于比賽大廳容積大，夏季泳池水面與池岸瓷磚反射性強(qiáng)，空間可覆蓋的聲學(xué)板面積有限，因而在游泳比賽時(shí)，觀眾滿場(chǎng)模式下的混響時(shí)間為2.5s。但是，在進(jìn)行冰壺比賽時(shí)，冰面同樣是高反射表面，而且運(yùn)動(dòng)員需要自然聲呼喊隊(duì)友、交流戰(zhàn)術(shù)，這就要求場(chǎng)館混響時(shí)間盡可能縮短。因此，我們?cè)诳磁_(tái)下的側(cè)墻增加了永久吸聲材料，在臨時(shí)看臺(tái)表面、面向大廳的室內(nèi)玻璃隔斷等部分增設(shè)臨時(shí)吸聲板，在地面鋪設(shè)地毯，以增加吸聲量，同時(shí)在東側(cè)臨時(shí)看臺(tái)后增設(shè)賽事形象景觀，以縮減大廳容積，最終達(dá)到冬季冰壺比賽模式下2.0s的混響時(shí)間。

4 數(shù)字冰場(chǎng)和智慧運(yùn)行

冰壺的運(yùn)行曲線由速度、旋轉(zhuǎn)角速度和運(yùn)動(dòng)員刷冰干預(yù)形成。通過(guò)連續(xù)的視頻捕捉可以分析冰壺的動(dòng)態(tài)、還原曲線，并對(duì)冰面的摩擦系數(shù)形成數(shù)字化反饋。對(duì)大量曲線的深度學(xué)習(xí)可以對(duì)冰壺的運(yùn)行進(jìn)行某種程度的預(yù)測(cè)。曲線的還原和預(yù)測(cè)能夠?yàn)橛^眾現(xiàn)場(chǎng)觀賽、體育展示和電視轉(zhuǎn)播提供豐富的數(shù)字化體驗(yàn)?；跀?shù)字場(chǎng)館模型的運(yùn)行設(shè)計(jì)，能夠讓運(yùn)行團(tuán)隊(duì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地了解各空間的工作崗位狀況、人群密度、環(huán)境參數(shù)等信息，并及時(shí)做出反饋。同時(shí)，也可以向觀眾、運(yùn)動(dòng)員、媒體等客戶群提供智慧場(chǎng)景服務(wù)，包括預(yù)先了解注冊(cè)分區(qū)、工作流線、看臺(tái)視角、服務(wù)設(shè)施、體育信息等。

5 結(jié)語(yǔ)

除特定比賽之外，體育場(chǎng)館還需要多功能、多場(chǎng)景策劃，以實(shí)現(xiàn)其可持續(xù)利用，包括賽時(shí)/賽后、大型活動(dòng)/公眾健身、冬/夏季節(jié)的使用等。國(guó)家游泳中心通過(guò)水立方/冰立方冬夏場(chǎng)景的轉(zhuǎn)換，形成了關(guān)鍵的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景要素模型、技術(shù)支撐體系和智慧場(chǎng)景應(yīng)用，不僅服務(wù)于2022年冬奧會(huì)比賽，也為未來(lái)體育場(chǎng)館尤其是奧運(yùn)場(chǎng)館的可持續(xù)運(yùn)營(yíng)，提供了一個(gè)具有普遍意義的示范案例。

圖表來(lái)源

圖1 為馬健強(qiáng)拍攝；圖4，7，8 由國(guó)家游泳中心提供；其余圖表均為作者自繪或自攝。