人工剖面賽道類場館新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

文/梅笑寒 張銘琦

（作者單位：梅笑寒，清華大學(xué)建筑學(xué)院；張銘琦，清華大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司）

國家跳臺滑雪中心“雪如意”

北京2022年冬奧會的人工剖面賽道類場館包括國家跳臺滑雪中心、首鋼滑雪大跳臺、國家雪車雪橇中心，以及云頂滑雪公園障礙追逐、U型場地技巧、坡面障礙技巧、雪上技巧、空中技巧場地。在這些場館中產(chǎn)生的獎牌數(shù)量將占到北京2022年冬奧會獎牌總數(shù)的40%以上，我國雪上優(yōu)勢項(xiàng)目均屬此類。

國家跳臺滑雪中心“雪如意”位于張家口賽區(qū)，地處崇禮山區(qū)，占地約 62公頃，其競賽場館造型恰似中國傳統(tǒng)飾物“如意”，包括山上頂峰俱樂部、 山下看臺區(qū)、競賽區(qū)（HS106與HS140兩條賽道）以及綜合區(qū)等，HS140賽道垂直落差達(dá)到136.2米，場館建設(shè)施工難度極大。首鋼滑雪大跳臺“雪飛天”位于北京賽區(qū)，與首鋼工業(yè)園區(qū)改造相結(jié)合，旨在讓這座百年歷史的鋼廠回歸市民生活。國家雪車雪橇中心“雪游龍”位于延慶賽區(qū)，賽道全長1975米，垂直落差121米，設(shè)置16個角度不同、傾斜度各異的彎道，同樣具有極大的建設(shè)施工難度。

上述三座人工剖面賽道均以預(yù)先精確設(shè)定的幾何剖面形狀來控制賽道完成面，以達(dá)最佳競技效果。其辦賽精彩程度取決于賽道剖面的建造質(zhì)量，對加速、轉(zhuǎn)彎、騰空等動作的精確控制依靠對剖面曲線的設(shè)計擬合與精細(xì)建造。場館賽道或?qū)ψ匀簧襟w局部地形進(jìn)行較大修整，或以人工結(jié)構(gòu)支架支撐基準(zhǔn)面，因此在建造過程中的生態(tài)保護(hù)和場館的全季利用也是可持續(xù)發(fā)展考慮的重點(diǎn)。

針對上述需求，研究團(tuán)隊以服務(wù)冬奧辦賽和支撐場館可持續(xù)為目標(biāo)，研發(fā)了數(shù)字化設(shè)計建造運(yùn)維、賽道基準(zhǔn)面平整性檢測、噴射混凝土、觀賽熱環(huán)境保障、賽道剖面轉(zhuǎn)換、山體局部切削面生態(tài)再造、裝配式建造等技術(shù)，應(yīng)用于國家跳臺滑雪中心、首鋼滑雪大跳臺、國家雪車雪橇中心等人工剖面賽道類場館，貢獻(xiàn)于北京2022年冬奧會科學(xué)辦賽，并為國內(nèi)其他雪上項(xiàng)目場館建設(shè)提供指導(dǎo)和示范。

精細(xì)建造與觀賽熱環(huán)境保障

首鋼滑雪大跳臺“雪飛天”

如何將賽道曲線與場館形態(tài)結(jié)合，如何精確控制賽道曲線的建造精度，都是冬奧場館建設(shè)中需要考慮的重點(diǎn)。國家跳臺滑雪中心、首鋼滑雪大跳臺通過數(shù)字化設(shè)計建造技術(shù)擬合賽道剖面曲線，通過賽道基準(zhǔn)面平整性檢測技術(shù)檢測賽道表面建設(shè)精度，同時研發(fā)觀賽熱舒適保障技術(shù)在上述兩跳臺進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)，并應(yīng)用于淶源國家跳臺滑雪科研訓(xùn)練基地；國家雪車雪橇中心研發(fā)賽道噴射混凝土材料達(dá)到毫米級精度，為賽時運(yùn)動員取得更好成績提供保障。

我國冬季項(xiàng)目的現(xiàn)狀是“冰強(qiáng)雪弱”，雪上項(xiàng)目比賽場館的設(shè)計亦是如此。北京冬奧會雪上項(xiàng)目場館設(shè)計建設(shè)之前，人工剖面賽道設(shè)計技術(shù)僅被少數(shù)國外企業(yè)掌控，單板大跳臺等平昌冬奧會新增項(xiàng)目場館設(shè)計建造國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)亦不成熟。針對這一現(xiàn)狀，國家跳臺滑雪中心、首鋼滑雪大跳臺結(jié)合“如意”“飛天”等中國傳統(tǒng)元素造型，建立數(shù)字化建筑信息模型（BIM）和建造運(yùn)維云平臺指導(dǎo)設(shè)計施工，使得符合國際標(biāo)準(zhǔn)的賽道S形曲線與我國文化元素巧妙結(jié)合。同時，通過上述場館建造，我國首次掌握符合國際標(biāo)準(zhǔn)的跳臺設(shè)計方法與建造技術(shù)，并應(yīng)用于淶源國家跳臺滑雪科研訓(xùn)練基地，為國家集訓(xùn)隊的訓(xùn)練備戰(zhàn)提供符合奧運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)的賽道，未來更可為我國建設(shè)同類場館提供技術(shù)指導(dǎo)。

國家跳臺滑雪中心和首鋼滑雪大跳臺均采用人工結(jié)構(gòu)支撐基準(zhǔn)面，后加堆雪完成賽道表面鋪設(shè)，因此其基準(zhǔn)面與表面的平整性對于賽道的建造精度和運(yùn)動員高水平發(fā)揮具有重要意義。往屆冬奧會跳臺多采用定點(diǎn)檢測的方式驗(yàn)核賽道精度，較少連續(xù)檢測表面平整性?；诖耍芯繄F(tuán)隊研發(fā)了具有鋪層表面平整度智能分析評定功能的智能檢測車，可快速完成賽道基準(zhǔn)面與表面平整性、線形的檢測與評定，精度達(dá)到厘米級。并基于北斗定位系統(tǒng)和5G傳輸技術(shù)，在國家跳臺滑雪中心、首鋼滑雪大跳臺、淶源國家跳臺滑雪科訓(xùn)基地獲取了賽道線型與賽道雪面平整性數(shù)據(jù)，衛(wèi)星記錄數(shù)據(jù)信息達(dá)6000余次，測試效果良好，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

國家雪車雪橇中心“雪游龍”

國家雪車雪橇中心是世界第17條、亞洲第3條、中國第1條雪車雪橇賽道。國家雪車雪橇中心賽道整體為空間扭曲雙曲面板殼結(jié)構(gòu)，賽道全長1975米，垂直落差121米，16個彎道角度不同、傾斜度各異，其中第11個彎道為360度回旋，施工難度極大。賽道建設(shè)前，國內(nèi)并無用于主體結(jié)構(gòu)的噴射混凝土，已有技術(shù)和材料難以達(dá)到表面平整誤差毫米級的控制要求。針對這一現(xiàn)狀，國家雪車雪橇中心創(chuàng)新研發(fā)了賽道噴射混凝土材料，該材料具有高密實(shí)度、良好的泵送性能、粘聚性能、易抹面性能等，同時耐久性良好，抗凍等級可達(dá)到F500。同時研發(fā)了曲面噴射混凝土賽道毫米級精度成型技術(shù)，成功打破國外對賽道施工技術(shù)的壟斷，幫助國家雪車雪橇中心成為國內(nèi)首條符合奧運(yùn)競賽標(biāo)準(zhǔn)的雪車雪橇專業(yè)賽道。

冬奧會雪上項(xiàng)目多在室外場館舉行，往屆冬奧會也曾因觀賽區(qū)熱舒適度不足而受到爭議，因此觀眾觀賽的熱環(huán)境保障也是本屆冬奧會人工剖面賽道類場館設(shè)計建設(shè)的重點(diǎn)關(guān)注之一。通過實(shí)驗(yàn)室測試及在國家跳臺滑雪中心、首鋼滑雪大跳臺等場館進(jìn)行實(shí)地測試，研發(fā)了與場館站席、座席和服裝整體相結(jié)合的觀賽人員熱舒適提升措施。結(jié)合被試主觀評價，在溫度為-15℃、濕度為60%RH的低溫環(huán)境中，觀賽熱環(huán)境保障技術(shù)對于人體全身熱感覺的提升幅度可達(dá)約50%，且后續(xù)的動態(tài)交替加熱模式可以實(shí)現(xiàn)維持人員熱感覺在可接受溫度范圍內(nèi)，提升觀眾觀賽舒適度，同時兼顧能源節(jié)約。

全季利用與生態(tài)保護(hù)

除了保障場館在賽時的利用，奧運(yùn)場館的可持續(xù)也是設(shè)計關(guān)注的重點(diǎn)。如何使冬奧場館在賽后得到有效利用，如何在施工過程中兼顧生態(tài)保護(hù)、減少碳排放，都是通過冬奧建設(shè)幫助該地區(qū)長期可持續(xù)發(fā)展所要考慮的內(nèi)容。首鋼滑雪大跳臺研發(fā)賽道剖面轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩個項(xiàng)目的賽道共享，國家跳臺滑雪中心運(yùn)用山體局部切削面生態(tài)再造技術(shù)減少對山地敏感生態(tài)環(huán)境的干預(yù)，兩跳臺均采用裝配式建造技術(shù)減少材料用量，提高建設(shè)效率，有效減少建筑物化階段碳排放。

首鋼滑雪大跳臺是我國首座結(jié)合工業(yè)遺產(chǎn)再利用的冬奧會場館，也是首個滑雪大跳臺的永久性競賽設(shè)施。其賽后利用不僅關(guān)系到冬奧場館自身的可持續(xù)性，也對促進(jìn)京西地區(qū)發(fā)展、延續(xù)首鋼園區(qū)工業(yè)記憶具有重要意義。首鋼滑雪大跳臺創(chuàng)造性地提出單板大跳臺（Big Air）與空中技巧（Aerials）比賽賽道共享的設(shè)計思路，并研發(fā)一種正四面體模塊及連接節(jié)點(diǎn)，完成世界首例跳臺賽道剖面轉(zhuǎn)換。賽時，首鋼滑雪大跳臺將舉辦北京2022年冬奧會中的單板滑雪項(xiàng)目；賽后，跳臺自身可轉(zhuǎn)換為空中技巧項(xiàng)目賽道，整個園區(qū)也將作為冬季奧林匹克體育主題公園向公眾開放，從而有效減少建設(shè)量，為該區(qū)域帶來可預(yù)見的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

國家跳臺滑雪中心地處崇禮山區(qū)，生態(tài)敏感度高，往屆冬奧會也曾因選址山地而在生態(tài)可持續(xù)方面受到爭議。為減少對山地生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響，國家跳臺滑雪中心賽道從山體表面架起，保護(hù)地表徑流及植被超過10000平方米。其高陡邊坡開挖工程采用精細(xì)爆破成型優(yōu)化技術(shù)，突破了施工環(huán)境復(fù)雜、工期緊、成本高等難題，在崇禮地區(qū)因嚴(yán)寒氣候條件每年施工期僅有6個月的情況下，節(jié)省工期1/3。同時，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了局部山體切削面的成型與保護(hù)，有效控制了爆破震動對巖體的破壞和周邊環(huán)境的影響。爆后巖石塊度均勻，保障了冬奧賽區(qū)生態(tài)再造格賓支護(hù)體系的建設(shè)，使得本地原有巖體利用率達(dá)到90%，取得了顯著的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

山體局部切削面生態(tài)再造效果

在建造過程中盡量減少碳排放是冬奧場館回應(yīng)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的重要措施之一，北京冬奧會的人工剖面賽道類場館也不例外。為應(yīng)對山地地形復(fù)雜、氣候寒冷、施工周期短的特點(diǎn)，國家跳臺滑雪中心多處采用裝配式結(jié)構(gòu)。通過建筑信息化等手段，形成跳臺出發(fā)區(qū)、裁判塔、看臺等建（構(gòu)）筑物的預(yù)制裝配式建筑信息化技術(shù)體系，并結(jié)合云平臺進(jìn)行一體化管理，實(shí)現(xiàn)了冬奧場館裝配式臨時建筑設(shè)施的高效率、高質(zhì)量安全建造，減少山地現(xiàn)場施工作業(yè)的工程量并減少建筑垃圾產(chǎn)生。

首鋼滑雪大跳臺主體結(jié)構(gòu)采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系，研發(fā)了大部件模塊化分段制作與安裝、空間異形鋼結(jié)構(gòu)精密測控等技術(shù)，在保障跳臺施工精度的同時實(shí)現(xiàn)了高效裝配化，300天完成整個場館建設(shè)，使首鋼滑雪大跳臺成為北京2022年冬奧會第一座竣工并投入使用的競賽場館。同時設(shè)計選用高強(qiáng)度鋼、耐候鋼以減少材料用量，有效減少碳排放。

以國家跳臺滑雪中心、首鋼滑雪大跳臺、國家雪車雪橇中心為代表的北京冬奧會人工剖面賽道類場館，研發(fā)新型噴射混凝土材料，采用數(shù)字化設(shè)計建造技術(shù)、賽道基準(zhǔn)面平整性檢測技術(shù)、觀賽環(huán)境熱舒適保障技術(shù)等，保障場館賽道的精細(xì)建造與觀賽舒適；研發(fā)賽道剖面轉(zhuǎn)換技術(shù)、山體局部切削面生態(tài)再造技術(shù)，采用裝配式建造技術(shù)等，貢獻(xiàn)于場館賽道的全季利用與建設(shè)區(qū)域的生態(tài)保護(hù)。場館的精細(xì)設(shè)計建造、賽后利用與生態(tài)保護(hù)，既是北京冬奧會的辦賽要求，也是奧林匹克運(yùn)動可持續(xù)發(fā)展的訴求，人工剖面賽道類場館通過上述設(shè)計策略及相關(guān)技術(shù)研發(fā)，以期回應(yīng)科學(xué)辦賽理念，貢獻(xiàn)于北京冬奧會的成功舉辦。