科技專家合力 冬奧場(chǎng)館由“水立方”變“冰立方”

由水到冰，水立方“變形記”

剛剛過(guò)去的元旦，對(duì)于所有為冬奧場(chǎng)館奔忙的人來(lái)說(shuō)是個(gè)大日子：北京冬奧會(huì)全部競(jìng)賽場(chǎng)館于2020年12月31日前全面完工。

國(guó)家游泳中心（水立方）是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)完工改造的場(chǎng)館，也是世界上首次采用智能化技術(shù)建立泳池轉(zhuǎn)換冰場(chǎng)。現(xiàn)在，它有了一個(gè)新名字——“冰立方”。

時(shí)間回到2015年7月31日，2022年冬季奧運(yùn)會(huì)主辦權(quán)花落北京。按規(guī)劃，水立方將變身“冰立方”，承接冰壺比賽——在全中國(guó)最有名的場(chǎng)館、晶瑩剔透的藍(lán)色膜結(jié)構(gòu)里，招待全球來(lái)客，一切似乎完美。

沒(méi)想到，這個(gè)先入為主的決定讓水立方的命運(yùn)陷入兩難之境：冬奧會(huì)冰壺比賽歷來(lái)都是在混凝土結(jié)構(gòu)上凍冰，如果要在水立方舉辦，只能徹底放棄原有功能，在泳池中澆筑混凝土。

如此一來(lái)，水立方將不再有“水”。

一邊是國(guó)人有特殊情結(jié)的重要的奧運(yùn)遺產(chǎn)之一，是創(chuàng)造過(guò)24項(xiàng)世界紀(jì)錄的“全世界最快的泳池”;一邊是冰壺場(chǎng)地的嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際奧委會(huì)的嚴(yán)格把關(guān)和“科技冬奧、綠色冬奧”的莊重承諾。

水還是冰，夏還是冬——這道二選一的艱難命題，橫在冬奧團(tuán)隊(duì)面前。

水立方何去何從？

“沒(méi)了水就沒(méi)了魂”

舍棄泳池，北京國(guó)資公司所屬國(guó)家游泳中心總經(jīng)理?xiàng)钇嬗率亲畈荒芙邮艿摹?/p>

2004年起，他開(kāi)始在水立方工作。彼時(shí)的水立方還是一片空地，這座日后位于中軸線西側(cè)的“藍(lán)色地標(biāo)”還停留在剛剛贏下場(chǎng)館設(shè)計(jì)方案的圖紙上。從一名現(xiàn)場(chǎng)工程師開(kāi)始，楊奇勇親歷了場(chǎng)館的拔地而起，2008年的奧運(yùn)盛事，其后數(shù)千個(gè)日夜的場(chǎng)館運(yùn)營(yíng)，無(wú)數(shù)人慕名而來(lái)。迄今為止，水立方已經(jīng)接待了2700萬(wàn)名游客，舉辦了超過(guò)1600場(chǎng)活動(dòng)。

加入冬奧申辦行列，這座場(chǎng)館獨(dú)特的氣質(zhì)和影響力得到國(guó)際冬奧會(huì)和國(guó)際冰壺組織的一致喜愛(ài)?！吧贽k小組問(wèn)我們辦冰壺比賽行不行，我們?cè)诰W(wǎng)上看了錄像，感覺(jué)和冰球、速滑比，冰壺沒(méi)有太大的運(yùn)動(dòng)幅度，應(yīng)該比較輕松。”楊奇勇回憶說(shuō)。

現(xiàn)實(shí)卻大相徑庭。確定承接后，大家才意識(shí)到原來(lái)冰壺比賽是塊極其難啃的“硬骨頭”，對(duì)場(chǎng)地的技術(shù)要求極高，需要穩(wěn)固的混凝土基層。

這也是國(guó)際冰壺組織的明確要求。2015年底，國(guó)際冰壺組織第一次派人來(lái)水立方考察，就提出在泳池中澆筑混凝土的要求。

一旦澆筑，泳池即遭廢棄，這意味著放棄水立方的夏季奧運(yùn)功能。

在設(shè)計(jì)總負(fù)責(zé)人、北京市建筑設(shè)計(jì)研究院副總建筑師鄭方的講述里，種種不舍具體可感。

“郭晶晶等人就是在那里拿的金牌。”他手指向遠(yuǎn)處的十米跳臺(tái)，“中國(guó)跳水‘夢(mèng)之隊(duì)’包攬了除男子10米臺(tái)的全部金牌?！?/p>

水池的榮耀恍如昨天?！?008年，運(yùn)動(dòng)員們?cè)谶@個(gè)游泳池里24次刷新21項(xiàng)世界紀(jì)錄。菲爾普斯一人獨(dú)得8塊金牌?！币暰€轉(zhuǎn)向另一邊，“那邊還有個(gè)嬉水樂(lè)園，小朋友都特別喜歡，館里甚至還有嬰兒游泳池?！?/p>

“水是這座建筑的靈魂，”鄭方反復(fù)講，“它所有的設(shè)計(jì)都跟水有關(guān)。大家來(lái)到這里，就是為了游泳、玩水。你看上面屋頂?shù)臍馀?，多邊形氣枕就像水分子一樣包裹著這個(gè)房子的鋼結(jié)構(gòu)。里里外外、從結(jié)構(gòu)到功能，這里都與水有關(guān)。失去水，這個(gè)房子就沒(méi)有靈魂了?！?/p>

十年來(lái)，國(guó)際游泳和跳水比賽每年如期上演，“觀眾到點(diǎn)兒就來(lái)，電視上就播?！睏钇嬗抡f(shuō)。

除了“情感上很難接受”，他手里還有一本實(shí)在的“經(jīng)濟(jì)賬”：靠著夏季奧運(yùn)會(huì)的光環(huán)和拉動(dòng)，以及人們對(duì)奧運(yùn)遺產(chǎn)的愛(ài)護(hù)，水立方的旅游收入達(dá)到總收入的三分之一，這個(gè)比例在國(guó)內(nèi)首屈一指。一旦賽道被破壞性拆除，后臺(tái)千萬(wàn)級(jí)投資的設(shè)備機(jī)器將被棄用，代價(jià)巨大。

不想澆筑混凝土，也別無(wú)他法?；I備時(shí)間在大家的不甘和矛盾中嘩嘩流過(guò)。

楊奇勇知道，不能等“死”，要救游泳池！

2016年初，矛盾已經(jīng)箭在弦上。兩位并肩作戰(zhàn)多年的老友在泳池邊徘徊。其間，一個(gè)大膽的想法閃現(xiàn)：能不能夏天游泳，冬天滑冰，把水立方變成“兩棲”的？

“水冰轉(zhuǎn)換”，這個(gè)奧運(yùn)歷史上前所未有的做法帶來(lái)破局的希望。

“難搞”的冰

顧名思義，“水冰轉(zhuǎn)換”就是在保留水上功能的基礎(chǔ)上，新增冰上功能，實(shí)現(xiàn)水立方與“冰立方”的互換。

這不是天外飛仙的想法。憑借多年建筑工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)構(gòu)工程師楊奇勇對(duì)在泳池里鋪設(shè)可拆卸的穩(wěn)定支撐結(jié)構(gòu)有把握。

但往上到了冰面，就沒(méi)什么底氣了。

在那之前，全世界只有一個(gè)日本的游泳館曾在上世紀(jì)90年代在泳池上鋪設(shè)簡(jiǎn)易冰面，供人滑冰娛樂(lè)，但消遣性質(zhì)的普通滑冰和奧運(yùn)級(jí)別的冰壺比賽，改造難度如云泥之別。更令人灰心的是，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)對(duì)冰面性能的研究還是空白。

冰壺比賽的“冰”大有講究。

如果你曾經(jīng)摸過(guò)賽道，會(huì)詫異于那并不是一片平整光滑的冰面，而是散布著無(wú)數(shù)細(xì)小的顆粒，大小不一且不均勻，合起來(lái)約占冰場(chǎng)一半面積。冰壺在密布冰點(diǎn)的“鵝卵石路”上快速滑行。

長(zhǎng)45米，寬4.75米，整個(gè)厚度在4到5厘米的冰層其實(shí)就像一塊“切糕”，制冰師要按照順序依次鋪設(shè)每一層構(gòu)造。從底層冰到制冷管線，再到比賽冰面，每次制冰，國(guó)際頂級(jí)制冰師通常要花費(fèi)約10個(gè)工作日，用細(xì)水管把經(jīng)處理的純水幾十上百次地澆上去，精細(xì)平整，噴灑水霧，形成冰點(diǎn)。

冰壺賽道也不是一個(gè)永恒不變的水平冰面，隨著冰壺在賽道上不斷滑動(dòng)、制冰師的反復(fù)修冰，甚至室內(nèi)環(huán)境的些許變化，賽道表面發(fā)生著微妙的改變。

用鄭方的話說(shuō)，冰非?！懊舾小?。

冰壺比賽要求場(chǎng)館濕度在30%以下，冰面溫度約在零下8攝氏度，冰面以上1米空氣溫度在10攝氏度，館內(nèi)溫度在16攝氏度以內(nèi)，這些數(shù)據(jù)會(huì)直接影響冰壺與冰的摩擦系數(shù)。冰壺館里布滿燈光、攝像機(jī)，還坐著數(shù)量不等的觀眾，他們產(chǎn)生大量熱量，給冰帶來(lái)種種影響?？傊?，空氣溫度、濕度，氣流場(chǎng)的分布等時(shí)刻影響著賽道的品質(zhì)。

因此，要在水立方辦冰壺比賽，不僅是“凍出標(biāo)準(zhǔn)冰”，場(chǎng)館內(nèi)的溫度、濕度、通風(fēng)、節(jié)能等都面臨全面改造。

“前途未卜”的中國(guó)方案

2016年4月，國(guó)際冰壺聯(lián)合會(huì)在瑞士巴塞爾舉辦男子冰壺世界錦標(biāo)賽，邀請(qǐng)楊奇勇和鄭方去看看比賽，學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。楊奇勇知道，“短兵相接”的時(shí)候到了。他們帶上水立方“水冰轉(zhuǎn)換”的方案去了巴塞爾。

一進(jìn)門(mén)，還沒(méi)提交方案，世界冰壺聯(lián)合會(huì)的技術(shù)代表先給出一頁(yè)紙，上書(shū)29條技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。那是楊奇勇和鄭方第一次見(jiàn)到冰壺世界通用標(biāo)準(zhǔn)，也是第一次體會(huì)到形勢(shì)之嚴(yán)峻：對(duì)照來(lái)看，水立方幾乎一條也不滿足。

第五條甚至明確寫(xiě)著：世界冰壺聯(lián)合會(huì)傾向使用混凝土基層，其他方案應(yīng)征求同意。

混凝土基層常規(guī)而穩(wěn)妥?！八D(zhuǎn)換”方案則設(shè)想在原來(lái)的泳池賽道里，通過(guò)搭建可轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、安裝可拆裝制冰系統(tǒng)，形成標(biāo)準(zhǔn)冰壺場(chǎng)地。冬天一過(guò)，構(gòu)造移除，回歸泳池。

誰(shuí)也不知道這個(gè)體育場(chǎng)館創(chuàng)新利用的“中國(guó)方案”，前路如何。

“只能進(jìn)，不能退，沒(méi)有別的選擇?！睏钇嬗逻@樣描述當(dāng)時(shí)的心情，“我們表態(tài)拒絕現(xiàn)澆混凝土方案，希望給機(jī)會(huì)做水冰轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)。如果不能滿足全部標(biāo)準(zhǔn)，就無(wú)條件服從?！?/p>

軍令狀遞出，水立方暫時(shí)“躲過(guò)一劫”。

“冰水兩重天”

作為2008年北京奧運(yùn)主要的水上項(xiàng)目比賽場(chǎng)館，水立方總建筑面積6.5萬(wàn)至8萬(wàn)平方米，地下部分的建筑面積不少于15000平方米，內(nèi)設(shè)多個(gè)游泳池、跳臺(tái)，還有占據(jù)一半面積的嬉水樂(lè)園。

從高溫高濕的泳池環(huán)境，到低溫、干燥的冰場(chǎng)環(huán)境，可謂“冰水兩重天”，改造技術(shù)難度和工程復(fù)雜度遠(yuǎn)超設(shè)想。

搭建轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是改造的首要難題，講究的是快、穩(wěn)和高精度。

冰壺比賽對(duì)冰面平整度要求極高，每平方米在承受150公斤重量的情況下，冰面變形不能超過(guò)1毫米，據(jù)助理制冰師張金泉介紹：“我們研發(fā)定制可拆裝的鋼結(jié)構(gòu)作為冰下主體結(jié)構(gòu)，為冰壺賽道提供牢固的結(jié)構(gòu)支撐?！?/p>

賽道最下面是鋼結(jié)構(gòu)支撐體系，然后，依次是10厘米輕制混凝土預(yù)制板和兩層各5厘米的保溫層，接下來(lái)又是PE防潮隔離層及無(wú)紡布層，在7厘米的制冰排管及蜂窩支架之上，才是運(yùn)動(dòng)員接觸到的真正冰層。

作為最終冰面的基礎(chǔ)，混凝土板塊兩米之內(nèi)高差不能大于3毫米，全場(chǎng)高差不能大于6毫米，這是拼裝結(jié)構(gòu)安裝誤差的極限。

改造中，很多原來(lái)引以為傲的設(shè)計(jì)，此刻都成了待解的難題。比如醒目的“藍(lán)色泡泡外墻”。

水立方的藍(lán)色膜結(jié)構(gòu)形體輕盈、透光性強(qiáng)，但對(duì)于“嬌氣”的冰面來(lái)說(shuō)，從早到晚的陽(yáng)光并不友好。據(jù)高級(jí)技術(shù)經(jīng)理時(shí)玉橋介紹，他們?cè)谀そY(jié)構(gòu)下覆了一層PVC膜，給水立方“拉上了窗簾”，避免了陽(yáng)光照射對(duì)冰的影響。等到水立方切換到“夏季模式”，這層黑膜還可以移除。

冰壺被稱為“咆哮的運(yùn)動(dòng)”，冰壺運(yùn)動(dòng)員比賽不帶擴(kuò)音設(shè)備，全靠喊，對(duì)于場(chǎng)館的聲音環(huán)境要求很高，為此，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)進(jìn)行5次模擬噪聲實(shí)驗(yàn)，以求達(dá)到1.8秒混響效果。

科技專家合力破“冰”

2019年，科技部聯(lián)合北京市、河北省及北京冬奧組委，會(huì)同教育部、工信部、國(guó)家體育總局等部門(mén)成立“科技冬奧”領(lǐng)導(dǎo)小組，統(tǒng)籌設(shè)計(jì)科技冬奧重點(diǎn)任務(wù)，為北京冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)提供科技支撐。

清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、中建一局、商湯科技等，以及志愿加入的東北農(nóng)業(yè)大學(xué)在內(nèi)的國(guó)內(nèi)頂尖科研力量集結(jié)起來(lái)，在科技部部署下，致力于在冰的內(nèi)部性能和外部影響研究上尋求突破。

他們中，有人本身研究極地冰川，有人研究海洋冰對(duì)鉆井平臺(tái)的影響，有人專攻熱—力學(xué)、研究低溫空調(diào)，都屬運(yùn)動(dòng)冰研究的“擦邊球”。

某種程度上，他們?cè)跒閲?guó)內(nèi)運(yùn)動(dòng)冰研究“開(kāi)山辟路”。

在楊奇勇看來(lái)，這固然是出于場(chǎng)館建設(shè)需要，卻延伸出更悠遠(yuǎn)的價(jià)值。

冰壺運(yùn)動(dòng)作為舶來(lái)品，最初是在奧運(yùn)爭(zhēng)光戰(zhàn)略下，因其較適合亞洲人參與，為了擴(kuò)大中國(guó)冰雪項(xiàng)目的奪金面而引進(jìn)的。十幾年來(lái)，高潮有之，平谷更多。由于國(guó)內(nèi)并沒(méi)有對(duì)冰進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)研究，也就沒(méi)有人給運(yùn)動(dòng)員提供基礎(chǔ)而必要的冰面信息。在世界頂級(jí)比賽中，冰面的微妙變化將影響關(guān)鍵時(shí)刻戰(zhàn)術(shù)選擇，而中國(guó)運(yùn)動(dòng)員在“讀冰”方面能力薄弱。

相比而言，老牌強(qiáng)隊(duì)積累了很多歷史經(jīng)驗(yàn)，能通過(guò)讀取冰面做出更好判斷。國(guó)內(nèi)運(yùn)動(dòng)員卻因?yàn)檠芯啃畔⒌膮T乏望塵莫及。

通過(guò)對(duì)冰研究的拓荒，一方面解決標(biāo)準(zhǔn)不齊、冰面不完美的問(wèn)題，一方面也可以積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)?！叭绻\(yùn)動(dòng)員可以知道一場(chǎng)比賽打到第五局時(shí)冰面可能發(fā)生了什么變化，他一定可以在腦中龐大的計(jì)算體系中選擇一個(gè)更優(yōu)的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)?！睏钇嬗抡f(shuō)，“我們下了巨大的功夫做研究，轉(zhuǎn)身把數(shù)據(jù)給他們，就成了競(jìng)賽的‘幫手’?！?/p>

此外，高水平制冰師這個(gè)國(guó)內(nèi)鮮見(jiàn)的職業(yè)也能在這個(gè)過(guò)程中成長(zhǎng)起來(lái)，為中國(guó)未來(lái)的制冰工作提供“工作范本”。

用“智慧大腦”指揮轉(zhuǎn)換

2019年底，水立方第一次圓滿完成“水冰轉(zhuǎn)換”，耗時(shí)近60天。2020年12月，第二次“水冰轉(zhuǎn)換”的結(jié)構(gòu)搭建順利完成，僅用十幾天，達(dá)到“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)的既定目標(biāo)。

大大加速的“水變冰”背后，是智能化改造的加持。

據(jù)了解，第二次轉(zhuǎn)換搭建了由2600根薄壁H形鋼和1570塊輕質(zhì)混凝土預(yù)制板組成的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，每根（塊）鋼梁和混凝土預(yù)制板都有自己的“數(shù)字身份”，在轉(zhuǎn)換施工中，可以精準(zhǔn)高效地將每個(gè)構(gòu)件復(fù)位。在施工過(guò)程中，通過(guò)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)與施工測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，極大提高了安裝精度。

“冰壺賽道對(duì)平整度要求極高。去年給混凝土板調(diào)平時(shí)，工人每調(diào)平1塊板，就涉及周邊8塊板，測(cè)量非常耗時(shí)?，F(xiàn)在配備10臺(tái)高精度傳感儀實(shí)時(shí)反映高差變化，調(diào)平一次性到位?！睏钇嬗抡f(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)還會(huì)更成熟，“水冰轉(zhuǎn)換”還能提效。

傳統(tǒng)場(chǎng)館變“聰明”

變化不只發(fā)生在泳池內(nèi)，水立方轉(zhuǎn)成冰立方，傳統(tǒng)場(chǎng)館也轉(zhuǎn)成一座真正意義上的智能場(chǎng)館。

楊奇勇說(shuō)，“水冰轉(zhuǎn)換”要求場(chǎng)館后臺(tái)機(jī)器設(shè)備、控制系統(tǒng)都有能力隨場(chǎng)館功能需求轉(zhuǎn)換，期間還要承辦商業(yè)活動(dòng)。這給場(chǎng)館設(shè)備智能化水平，甚至物業(yè)管理水平帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

為保障“冰立方”的室內(nèi)環(huán)境條件符合冰壺比賽的要求，場(chǎng)館設(shè)置了由4000多個(gè)傳感器領(lǐng)銜的樓宇設(shè)備管理系統(tǒng)，可以監(jiān)測(cè)和控制場(chǎng)館內(nèi)的溫度、濕度、PM2.5濃度等的變化。在這套系統(tǒng)的精準(zhǔn)調(diào)控下，冰壺賽道冰面溫度達(dá)到零下8.5攝氏度的要求，冰面上1.5米高處溫度始終保持在10攝氏度，看臺(tái)觀眾區(qū)溫度則恒定在16至18攝氏度，真正做到“同室不同天”。

在環(huán)繞冰場(chǎng)的觀眾臺(tái)下方，可以看到直徑1米的藍(lán)色長(zhǎng)條“布袋”。這種“布風(fēng)管”是一個(gè)除濕送風(fēng)系統(tǒng)，除濕系統(tǒng)處理完的低溫低濕空氣經(jīng)過(guò)它，被均勻地吹送到場(chǎng)地上空。

場(chǎng)館的地下，藏著一間60平方米的控制室，墻上大屏就是水立方智能建筑運(yùn)維管理平臺(tái)，實(shí)時(shí)顯示制冰系統(tǒng)、除濕系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、票務(wù)系統(tǒng)等的運(yùn)行情況，對(duì)場(chǎng)館各設(shè)備系統(tǒng)實(shí)行智能調(diào)控?？梢暬哪茉垂芸剡€能有效控制場(chǎng)館能耗和碳排放。

時(shí)玉橋說(shuō)，等到冬奧會(huì)時(shí)，觀眾還可以通過(guò)人臉識(shí)別出入場(chǎng)館，通過(guò)新設(shè)的四塊智能導(dǎo)覽屏順暢穿行。

“我們不是在賭博”

回想“異想天開(kāi)”的方案、攻堅(jiān)克難的試驗(yàn)，到第一次試驗(yàn)成功時(shí)“策略基本得到認(rèn)可”，再到達(dá)到冬奧標(biāo)準(zhǔn)“運(yùn)動(dòng)員沒(méi)有投訴”?！拔覀儾皇窃谫€博。”一路走來(lái)，楊奇勇說(shuō)，“‘水冰轉(zhuǎn)換’從暢想到現(xiàn)實(shí)，離不開(kāi)中國(guó)科技力量的支持。現(xiàn)在看，我們不僅完成了曾經(jīng)‘不可能完成’的任務(wù)，以后還會(huì)更精彩?！?/p>

2020年11月27日，水立方冰壺場(chǎng)館改造工程順利通過(guò)完工驗(yàn)收。完成第二次“水冰轉(zhuǎn)換”的冰壺場(chǎng)地正在面向公眾開(kāi)放，同時(shí)繼續(xù)檢測(cè)和調(diào)試場(chǎng)館冰面及機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

在鄭方看來(lái)，如果說(shuō)2008年我們通過(guò)“設(shè)計(jì)場(chǎng)館”展示科技創(chuàng)新成果，那么2022年，我們用“改造場(chǎng)館”，續(xù)寫(xiě)這段科技創(chuàng)新的中國(guó)故事。

他還記得，2018年9月，國(guó)際奧委會(huì)副主席、北京冬奧會(huì)協(xié)調(diào)委員會(huì)主席小薩馬蘭奇來(lái)水立方，他們以動(dòng)畫(huà)的形式現(xiàn)場(chǎng)演示了水立方變身“冰立方”的轉(zhuǎn)換過(guò)程，小薩馬蘭奇看后很欣喜，他說(shuō)“北京正在用一個(gè)充滿智慧的方式舉辦奧運(yùn)會(huì)”。

如今，他們兌現(xiàn)了承諾。

2022年2月，將有最多4600名觀眾坐在“冰立方”，在冰壺劃過(guò)的優(yōu)美曲線里，延續(xù)2008年盛夏，水立方的榮光。

來(lái)源：新華網(wǎng)