“冰絲帶”的三大理念

文/李久林 陳利敏

（作者單位：李久林，北京國(guó)家速滑館經(jīng)營(yíng)有限責(zé)任公司、北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司、清華大學(xué)；陳利敏，北京國(guó)家速滑館經(jīng)營(yíng)有限責(zé)任公司）

國(guó)家速滑館是北京2022年冬奧會(huì)速度滑冰項(xiàng)目的比賽場(chǎng)館，又名“冰絲帶”，位于北京奧林匹克森林公園西側(cè)，是北京冬奧會(huì)標(biāo)志性場(chǎng)館，與水立方、鳥(niǎo)巢交相輝映。該館復(fù)用了2008年北京奧運(yùn)會(huì)的曲棍球和射箭場(chǎng)地，總建筑面積約12.6萬(wàn)平方米，總座席12038座，在本屆冬奧會(huì)上將產(chǎn)生14枚金牌。

面對(duì)世界最大跨索網(wǎng)屋面結(jié)構(gòu)、復(fù)雜曲面玻璃幕墻，如何打造“最快的冰”和“智慧的館”等技術(shù)問(wèn)題，在科學(xué)技術(shù)部、北京市委市政府、北京冬奧組委等的大力支持下，北京國(guó)家速滑館經(jīng)營(yíng)有限責(zé)任公司等單位先后承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市科技計(jì)劃課題、朝陽(yáng)區(qū)社會(huì)發(fā)展科技計(jì)劃項(xiàng)目，通過(guò)理論研究、仿真模擬、試驗(yàn)分析、樣板測(cè)試、系統(tǒng)研發(fā)、示范應(yīng)用等，確保實(shí)現(xiàn)國(guó)家速滑館高效高精度地建造和智慧化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)“以運(yùn)動(dòng)員為中心、可持續(xù)發(fā)展、節(jié)儉辦賽”三大理念的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)其全生命期安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。

首創(chuàng)單層橢圓馬鞍形索網(wǎng)＋環(huán)桁架＋幕墻斜拉索的高性能結(jié)構(gòu)體系

研發(fā)的多重彈性邊界找形方法實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)優(yōu)化分析，使全體系力學(xué)性能最優(yōu)；創(chuàng)造性提出支座后鎖定、短拉索后張拉等措施，大大降低了結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)負(fù)擔(dān)，節(jié)約綜合造價(jià)；發(fā)明滑移—鎖定支座、梭形調(diào)節(jié)器、索力保持器、自適應(yīng)索夾、預(yù)負(fù)載水箱等關(guān)鍵技術(shù)，使工程高效、高精度實(shí)現(xiàn)；通過(guò)模型試驗(yàn)，研發(fā)了主動(dòng)索優(yōu)選定量分析和評(píng)價(jià)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)建造關(guān)鍵環(huán)節(jié)驗(yàn)證，提出了影響張拉成形的敏感性因素，為質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制定和健康監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

自主研制建筑用國(guó)產(chǎn)大直徑高釩密閉索。研發(fā)建立了完整的構(gòu)件加工制作工藝流程和生產(chǎn)與質(zhì)量保證體系，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)高釩密閉索量產(chǎn)，并首次應(yīng)用于國(guó)家重大建筑工程。產(chǎn)品性能達(dá)到歐洲標(biāo)準(zhǔn)，徹底打破了國(guó)外技術(shù)壟斷，使密閉索價(jià)格顯著降低，密閉索單價(jià)由整體進(jìn)口索的每噸14萬(wàn)元下降至約每噸3.5萬(wàn)元，供貨期縮短近1/2，極大推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。產(chǎn)品已推廣應(yīng)用于上海浦東足球場(chǎng)、張家口崇禮冬奧會(huì)滑雪場(chǎng)大跳臺(tái)、三亞體育中心、成都鳳凰山體育中心、卡塔爾世界杯開(kāi)閉幕式體育場(chǎng)、柬埔寨國(guó)家體育場(chǎng)和印度尼西亞雅加達(dá)國(guó)際體育場(chǎng)等大型項(xiàng)目。

研發(fā)了基于平行施工的高精度技術(shù)體系。首創(chuàng)了基于計(jì)算機(jī)控制的異位與原位混合安裝、高低位二次變軌滑移的環(huán)桁架施工方法；研究形成了超大跨度單層正交索網(wǎng)主被動(dòng)、大噸位同步張拉技術(shù)，控制智能張拉力最大偏差為9.45%，高于驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的15%；建立了工程全生命周期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高效施工；歷經(jīng)多次大風(fēng)、大雪等極端惡劣天氣考驗(yàn)，以及某日陣風(fēng)8級(jí)條件下，索力變化平均值僅為1.27千牛（KN）。滿足了安全、質(zhì)量、工期、場(chǎng)地、投資的要求。

曲面幕墻、單元式屋面板塊填補(bǔ)技術(shù)空白

國(guó)家速滑館外立面二層以上為天壇形曲面幕墻系統(tǒng)，總玻璃數(shù)量為3360塊，單曲玻璃為1440塊，平板玻璃為1920塊。為了實(shí)現(xiàn)曲面幕墻滿足“冰絲帶”特殊的造型要求，研發(fā)了單索支承異面網(wǎng)殼曲面幕墻體系，實(shí)現(xiàn)了弧形幕墻玻璃的高效精細(xì)化加工制作，推動(dòng)了曲面玻璃幕墻的技術(shù)進(jìn)步，創(chuàng)造了建筑工藝美學(xué)新高度，實(shí)現(xiàn)功能、科學(xué)和藝術(shù)的結(jié)合，并大幅度降低自由曲面玻璃幕墻的建造成本。

為了適應(yīng)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)柔性變形，研發(fā)了金屬單元柔性屋面體系，由1080塊4米×4米單元屋面板組裝而成，解決了與索網(wǎng)結(jié)構(gòu)配套使用的圍護(hù)系統(tǒng)技術(shù)難題；利用水箱荷載置換法，實(shí)現(xiàn)了198米×124米索網(wǎng)屋面的裝配化施工，填補(bǔ)了裝配式模塊化屋面系統(tǒng)的空白。

國(guó)家速滑館，又稱(chēng)“冰絲帶”

二氧化碳跨臨界直冷制冰系統(tǒng)打造最快的冰

針對(duì)國(guó)家速滑館研究多功能、全冰面設(shè)計(jì)方案并采用二氧化碳跨臨界直冷制冰系統(tǒng)，開(kāi)展了國(guó)家速滑館快速滑道冰面形成理論與多功能超大冰面冰池構(gòu)造、多功能二氧化碳跨臨界制冰系統(tǒng)、室內(nèi)環(huán)境精細(xì)控制、冰面與室內(nèi)環(huán)境自動(dòng)化監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)的研究，形成了完整的二氧化碳跨臨界直冷制冰系統(tǒng)技術(shù)體系。發(fā)明了基于三維激光測(cè)量的超大速滑場(chǎng)地制冰排管安裝高精度檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了制冰排管安裝過(guò)程快速數(shù)據(jù)獲取和處理，有效指導(dǎo)制冰排管施工期安裝檢測(cè)和完工驗(yàn)收；發(fā)明了一種平板拖拽式和輪式慣性平整度測(cè)量系統(tǒng)，融合高精度全站儀平面坐標(biāo)、高精度里程計(jì)和慣性相對(duì)高程，獲取連續(xù)測(cè)線的冰面混凝土平整度，實(shí)現(xiàn)混凝土平整度快速測(cè)量，施工期測(cè)量精度達(dá)到5米范圍不超過(guò)1毫米，完工期測(cè)量精度達(dá)到5米范圍不超過(guò)0.5毫米，確保了1.2萬(wàn)平方米冰板平整度不大于3毫米，遠(yuǎn)小于國(guó)際滑聯(lián)的不大于5毫米的要求，有效保障了國(guó)家速滑館冰面混凝土施工的質(zhì)量和效率。

經(jīng)多次實(shí)測(cè)，在冰面30個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)中，29個(gè)溫差不超過(guò)0.5℃，1個(gè)為0.7℃。此外，制冰系統(tǒng)能效比傳統(tǒng)技術(shù)提高20%以上，回收制冰廢熱制取了近70℃的澆冰熱水，證實(shí)了大型二氧化碳跨臨界制冷系統(tǒng)的可行性。在2021年10月進(jìn)行的2021年速度滑冰中國(guó)公開(kāi)賽中，4名運(yùn)動(dòng)員在測(cè)試賽中5次滑出個(gè)人最好成績(jī)。

低碳冬奧監(jiān)測(cè)與碳中和調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)在國(guó)家速滑館推廣應(yīng)用

針對(duì)冬奧賽事特點(diǎn)，在國(guó)家速滑館布設(shè)60個(gè)點(diǎn)位的分布式二氧化碳傳感器以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)館內(nèi)部碳排放的全覆蓋監(jiān)測(cè)。運(yùn)用車(chē)載紅外光譜測(cè)試儀（FTIR）和溫室氣體探測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)館周邊區(qū)域二氧化碳排放的空基和天基測(cè)量。并通過(guò)將多尺度碳排放數(shù)據(jù)與場(chǎng)館運(yùn)行管理數(shù)據(jù)的擬合，構(gòu)建場(chǎng)館碳排放數(shù)據(jù)庫(kù)。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)賽事相關(guān)碳排放的精準(zhǔn)評(píng)估，開(kāi)展了從速滑館建設(shè)到賽后利用全生命周期的碳排放核算，用以量化賽事籌備、賽時(shí)運(yùn)營(yíng)、觀眾觀賽及賽后利用等活動(dòng)產(chǎn)生的碳排放。通過(guò)核算賽事相關(guān)活動(dòng)直接與間接碳排放量，為碳排放智能管控提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

運(yùn)用超低能耗建筑技術(shù)制造并搭建“零碳小屋”，具有選材環(huán)保、可回收利用、裝配速度快等特點(diǎn)，并采用全熱交換新風(fēng)確保室內(nèi)空氣質(zhì)量。搭載“風(fēng)、光、儲(chǔ)”清潔創(chuàng)能系統(tǒng)和零碳智能控制平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)建筑電氣系統(tǒng)智能控制，最終達(dá)到運(yùn)行過(guò)程的碳中和。

單層橢圓馬鞍形索網(wǎng)＋環(huán)桁架＋幕墻斜拉索結(jié)構(gòu)體系

先進(jìn)信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)智慧場(chǎng)館集成應(yīng)用

在國(guó)家速滑館基于5G技術(shù)的云網(wǎng)霧端架構(gòu)，借助5G網(wǎng)絡(luò)用戶面功能（UPF）下沉能力，為場(chǎng)館提供了媒體專(zhuān)網(wǎng)設(shè)施，升級(jí)了智慧場(chǎng)館運(yùn)營(yíng)所需的網(wǎng)絡(luò)條件。其核心是通過(guò)下沉的UPF可將用戶數(shù)據(jù)流量就近分流至靠近場(chǎng)館的霧計(jì)算或邊緣計(jì)算平臺(tái)，能夠滿足用戶對(duì)時(shí)延要求較高的服務(wù)要求，并通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線跟蹤區(qū)域（TA）控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)內(nèi)外用戶的精準(zhǔn)區(qū)隔。推出的現(xiàn)場(chǎng)低時(shí)延視角定制服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了比賽現(xiàn)場(chǎng)與觀眾現(xiàn)場(chǎng)手機(jī)之間600毫秒的時(shí)延效果，觀眾在賽場(chǎng)內(nèi)可實(shí)時(shí)觀看到不同角度的比賽實(shí)況，不錯(cuò)過(guò)任何一個(gè)精彩的瞬間，讓用戶享受無(wú)與倫比的觀賽體驗(yàn)。

構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的國(guó)家速滑館智能化集成平臺(tái)，作為神經(jīng)中樞系統(tǒng)連接著速滑館的視覺(jué)系統(tǒng)、聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)、嗅覺(jué)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，支持毫秒級(jí)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)點(diǎn)查詢(xún)速度不低于每秒5萬(wàn)點(diǎn)，單數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)支持100萬(wàn)點(diǎn)以上的數(shù)據(jù)管理；可實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)家速滑館36個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、匯總、分析，設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控管理，能源管理，安全管理，冰面養(yǎng)護(hù)，智能化聯(lián)動(dòng)控制與調(diào)度等。

運(yùn)用數(shù)字化融合技術(shù)將“源—網(wǎng)—荷—儲(chǔ)”等所有與能源相關(guān)的系統(tǒng)有機(jī)聯(lián)系在一起，通過(guò)柔性互聯(lián)形態(tài)使得能量能夠在各個(gè)系統(tǒng)間自由流動(dòng)，利用虛擬儲(chǔ)能及多時(shí)間尺度預(yù)測(cè)和調(diào)度方法，讓能量的運(yùn)動(dòng)變得井然有序。最后，結(jié)合人工智能算法實(shí)現(xiàn)能源取用的精準(zhǔn)控制，使速滑館的各種能源系統(tǒng)不再單獨(dú)工作，而是構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的整體，用能、蓄能、產(chǎn)能各系統(tǒng)彼此相互關(guān)聯(lián)、相互協(xié)調(diào)、靈活調(diào)度、精準(zhǔn)控制。

為了避免傳統(tǒng)場(chǎng)館存在的人工運(yùn)維工作效率低、運(yùn)維成本高、響應(yīng)速度慢等問(wèn)題，基于全過(guò)程建筑信息模型（BIM）和全域數(shù)字孿生技術(shù)，建設(shè)了國(guó)家速滑館智能化運(yùn)維系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)維的可視化，提升建筑全生命周期內(nèi)的運(yùn)維效率，降低人工、運(yùn)維成本，保障場(chǎng)館內(nèi)安全管理。建設(shè)國(guó)家速滑館可視化運(yùn)維系統(tǒng)，進(jìn)行建筑、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施的控制系統(tǒng)，包括智能照明、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)、安防監(jiān)控技術(shù)系統(tǒng)、樓控系統(tǒng)等集中展示和管理，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，第一時(shí)間了解場(chǎng)館內(nèi)建筑及系統(tǒng)環(huán)境，支持場(chǎng)館管理人員設(shè)備巡檢、設(shè)備維修、設(shè)備調(diào)控、工單管理等運(yùn)維工作，為場(chǎng)館運(yùn)營(yíng)、決策提供精準(zhǔn)服務(wù)。

冬奧會(huì)后，國(guó)家速滑館將可承辦所有冰上項(xiàng)目國(guó)際頂級(jí)賽事，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)利用，成為集“體育賽事、群眾健身、文化休閑、展覽展示、社會(huì)公益”五位一體的綜合性體育場(chǎng)館，實(shí)現(xiàn)更新和功能的快速轉(zhuǎn)換。