基于剖面特征分析的冬奧會(huì)滑雪賽道輔助設(shè)計(jì)方法

李世沖，陳榮欽

(1.倫敦大學(xué)學(xué)院建筑學(xué)院，倫敦 WC1E 6BT；2.北京市建筑設(shè)計(jì)研究院，北京 100084；3.清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京 100084)

2022年北京冬奧會(huì)的成功舉辦舉世矚目。通過長(zhǎng)達(dá)七年的籌辦，我國冰雪項(xiàng)目大型體育場(chǎng)館和設(shè)施規(guī)劃建設(shè)水平得到了長(zhǎng)足發(fā)展。在此過程中，國內(nèi)的建筑設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)意識(shí)到，對(duì)于奧運(yùn)體系下一種特殊的項(xiàng)目場(chǎng)館—雪上場(chǎng)館，很大程度上面臨著話語權(quán)的缺失以及場(chǎng)館設(shè)計(jì)和建設(shè)零經(jīng)驗(yàn)的挑戰(zhàn)[1]。尤其在這類場(chǎng)館比賽場(chǎng)地的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，幾乎所有的核心技術(shù)環(huán)節(jié)均需要依賴國際經(jīng)驗(yàn)。冬奧滑雪賽道自20世紀(jì)80年代進(jìn)入快速發(fā)展階段[2]，技巧類賽道所占的比例逐屆增加，人工造雪技術(shù)的加入更是徹底改變了滑雪賽道的設(shè)計(jì)和建設(shè)方式[3]。

目前我國滑雪場(chǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)及建造上缺乏廣泛和深入的研究。王世金等[4-7]通過對(duì)我國雪場(chǎng)現(xiàn)狀的統(tǒng)計(jì)和分析后認(rèn)為，我國雪場(chǎng)從規(guī)劃選址方面存在缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和整體品質(zhì)低下的整體特點(diǎn)。而葉茂盛等[8-10]通過對(duì)比雪上運(yùn)動(dòng)發(fā)達(dá)國家的數(shù)據(jù)后認(rèn)為，其滑雪場(chǎng)均經(jīng)歷了較為完整的歷史發(fā)展階段，時(shí)至今日，其規(guī)劃選址及設(shè)計(jì)建造都趨于專業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化。陸詩亮等[11-12]則認(rèn)為，結(jié)合我國本土自然和社會(huì)環(huán)境的滑雪場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)才是可持續(xù)發(fā)展的方向和趨勢(shì)。筆者結(jié)合冬奧會(huì)籌辦實(shí)踐，嘗試從冬奧技巧類滑雪賽道的剖面特征入手，借助“賽道基準(zhǔn)數(shù)字模型”和“賽道特征玫瑰圖”，提供一種賽道校核和評(píng)價(jià)方法，用于指導(dǎo)滑雪賽道的選址、設(shè)計(jì)和施工。

1 研究方法

1.1 冬奧滑雪賽道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)搜集

雪上賽道由于具有很強(qiáng)的戶外屬性，多數(shù)賽道需要依據(jù)山體而建立，這也就造成了雪上賽道缺乏天然的規(guī)范性。每條賽道只是關(guān)鍵性數(shù)據(jù)在控制范圍內(nèi)，而各個(gè)細(xì)節(jié)均有自己獨(dú)特的形狀和數(shù)據(jù)。冬奧滑雪賽道的設(shè)計(jì)規(guī)范則由國際滑雪聯(lián)合會(huì)制訂，國際雪聯(lián)也是冬奧會(huì)滑雪賽道的選址機(jī)構(gòu)和認(rèn)證機(jī)構(gòu)。筆者對(duì)國際雪聯(lián)提供的各種賽道數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和整理，以形成雪上賽道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

1.2 搭建滑雪賽道基準(zhǔn)數(shù)字模型

首先通過收集歸納歷屆冬奧會(huì)雪上賽道信息、國際雪聯(lián)公布的相關(guān)技術(shù)資料以及本屆冬奧會(huì)的賽道設(shè)計(jì)資料，建立繪制滑雪賽道基準(zhǔn)數(shù)字模型。雪上賽道數(shù)字化模型并不是任何一個(gè)建成賽道的數(shù)字孿生，而是建立在國際競(jìng)賽規(guī)則和國際雪聯(lián)多年競(jìng)賽管理經(jīng)驗(yàn)上的關(guān)于雪上賽道的數(shù)字化“模板”。它反映了一個(gè)賽道最基本及最新的剖面特征和參數(shù)尺寸。模型所反映的數(shù)據(jù)可用于對(duì)實(shí)際賽道設(shè)計(jì)和建設(shè)的初步校核。

1.3 繪制“賽道特征玫瑰圖”

筆者選取具有代表性的冬奧會(huì)技巧類賽道作為實(shí)驗(yàn)標(biāo)本，繪制其在6個(gè)關(guān)鍵性控制性參數(shù)(垂直落差、賽道長(zhǎng)度、表面積、平均寬度、結(jié)束區(qū)面積和平均坡度)下的特征玫瑰圖。對(duì)繪制完成的特征玫瑰圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，障礙追逐、平行大回轉(zhuǎn)、坡面障礙三條賽道的特征玫瑰呈現(xiàn)“J”型分布(見圖1)，這三條賽道沒有固定的細(xì)節(jié)尺寸和指標(biāo)，賽道呈現(xiàn)更加“自然”的形態(tài)。而空中技巧、雪上技巧、大跳臺(tái)、U型場(chǎng)地四條賽道的特征玫瑰呈現(xiàn)“O”型分布(見圖2)，有較為明確的細(xì)節(jié)尺寸，呈現(xiàn)更加“人工”的形態(tài)。

圖1 “J”型分布的賽道特征玫瑰圖

圖2 “O”型分布的賽道特征玫瑰圖

通過繪制代表性賽道的 “賽道特征玫瑰圖”并進(jìn)行并置觀察和分析后可得出：選取的6個(gè)關(guān)鍵性控制性參數(shù)可以描述冬奧會(huì)技巧類滑雪賽道整體特征并反映其差異；冬奧會(huì)技巧類滑雪賽道整體上表現(xiàn)出了較強(qiáng)的類型性和同源性。

2 應(yīng)用試驗(yàn)及分析

筆者以2022年北京冬奧會(huì)單板和自由式滑雪項(xiàng)目中的空中技巧、雪上技巧和U型場(chǎng)地技巧賽道為例，利用基于剖面特征玫瑰圖的輔助設(shè)計(jì)和分析方法，對(duì)其選址、設(shè)計(jì)和建設(shè)三個(gè)過程進(jìn)行試驗(yàn)性應(yīng)用，并與實(shí)際實(shí)施過程對(duì)照，驗(yàn)證這種輔助設(shè)計(jì)方法的有效性。

2.1 賽道選址階段

賽道選址布局階段主要解決的問題是評(píng)估待選場(chǎng)地對(duì)標(biāo)準(zhǔn)賽道的契合和容納程度，通常要求達(dá)到賽道所需的最小值。契合高的選址意味著更少的山地土方工程量以及對(duì)自然環(huán)境更少的影響。

場(chǎng)地上有3處坡地(南坡1號(hào)、南坡2號(hào)和北坡選址)可用于空中技巧、雪上技巧及U型場(chǎng)地技巧3條賽道。根據(jù)場(chǎng)地勘測(cè)地形和植被情況，考慮賽道適當(dāng)距離和結(jié)束區(qū)空間預(yù)留，首先劃定3處選址的可用坡地中心線及起點(diǎn)，并根據(jù)賽道要求的坡面最小垂直落差選取每條中心線的控制點(diǎn)。3條賽道的最小垂直落差控制數(shù)據(jù)分別為：空中技巧45.0 m、U型場(chǎng)地技巧58.9 m、雪上技巧75.0 m(見圖3)。

圖3 3處選址選線平面示意圖

依據(jù)地形圖繪制中心線剖面線(見圖4)，測(cè)量剖面線各個(gè)垂直落差控制點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的水平長(zhǎng)度、坡度和剖面線長(zhǎng)，所得數(shù)據(jù)輸入特征玫瑰，得出可視化圖形，與賽道的最小建議值進(jìn)行偏離分析，結(jié)果見圖5。

圖4 3處選址場(chǎng)地剖面線

從圖4、圖5分析可以得出：

(a)空中技巧賽道 (b)雪上技巧賽道 (c)U型場(chǎng)地技巧賽道

(1)對(duì)于空中技巧賽道，3個(gè)選址均能提供足夠長(zhǎng)度的坡面，從特征契合度上，南坡1號(hào)偏離值較小，偏離率均在10%以內(nèi)，另兩處選址偏離值較大，偏離率均大于20%。

(2)對(duì)于雪上技巧賽道，南坡2號(hào)選址受場(chǎng)地樹木影響，未能達(dá)到坡長(zhǎng)要求，另兩處選址中，南坡1號(hào)契合度較高，偏離率均在10%以內(nèi)，北坡選址偏離值較大，偏離率大于15%。

(3)對(duì)于U型場(chǎng)地技巧賽道，南坡2號(hào)未能達(dá)到坡長(zhǎng)要求，另兩處選址中，北坡選址契合度較高，偏離率均在10%以內(nèi)，南坡1號(hào)偏離值較大，偏離率大于20%。

綜合以上分析進(jìn)行選址評(píng)價(jià)，將平均偏離率不大于10%評(píng)價(jià)為A，10%～30%評(píng)價(jià)為B，超過30%或無法提供足夠條件評(píng)價(jià)為C。評(píng)價(jià)結(jié)果見表1。

表1 賽道與選址匹配程度評(píng)價(jià)

由表1可知，在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地上布置3條賽道的最優(yōu)選擇是表中陰影選項(xiàng)，由北坡選址契合U型場(chǎng)地技巧賽道，南坡1號(hào)選址契合雪上技巧賽道，而南坡2號(hào)選址用于空中技巧賽道，但需進(jìn)行一定程度的土方整理。分析結(jié)果與冬奧會(huì)實(shí)際選址結(jié)論一致。

2.2 賽道設(shè)計(jì)階段

在賽道設(shè)計(jì)階段，賽道設(shè)計(jì)方參照標(biāo)準(zhǔn)賽道，結(jié)合當(dāng)次賽道雪面的初步設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)想，在確定的選址上進(jìn)行詳細(xì)的賽道基層設(shè)計(jì)，并由國際雪聯(lián)審核確認(rèn)。通常賽道的尺寸會(huì)設(shè)定在推薦的最小值和最大值之間，如超出范圍，則需提交國際雪聯(lián)做進(jìn)一步評(píng)估。由于賽道設(shè)計(jì)階段仍然以賽道剖面線為基準(zhǔn)，基于剖面線特征的輔助方法仍然適用于賽道設(shè)計(jì)方案的初步評(píng)價(jià)和校核。

首先將空中技巧、滑雪大跳臺(tái)、U型場(chǎng)地技巧和雪上技巧4條賽道的土方基層設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，與賽道最小值和建議最大值比較(見表2)，作為剖面特征分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表2 賽道設(shè)計(jì)數(shù)值比較

以賽道最小值為基準(zhǔn)計(jì)算偏離率并生成賽道特征玫瑰圖(見圖6)，經(jīng)圖形分析可校核出各賽道土方基層與標(biāo)準(zhǔn)賽道的匹配程度，為進(jìn)一步的土方整理提供修整意見。

圖6 賽道特征玫瑰圖-剖面特征偏離率

由圖6可以看出，空中技巧和雪上技巧賽道特征圖形位于最小值和最大值圖形之間，空中技巧賽道圖形接近最小值圖形，相對(duì)最小值偏離率在10%以內(nèi)；雪上技巧賽道圖形接近最大值圖形，相對(duì)最大值偏離率在12%以內(nèi)。可得出這兩條賽道的土方基層設(shè)計(jì)均在建議區(qū)間，設(shè)計(jì)合理。

U型場(chǎng)地技巧賽道圖形與最大值圖形基本重合，滑雪大跳臺(tái)賽道圖形則略大于最大值圖形，相對(duì)最大值偏離率在10%以內(nèi)。這兩條賽道的土方基層設(shè)計(jì)經(jīng)校核均超出建議區(qū)間，設(shè)計(jì)欠合理，需要提交國際雪聯(lián)進(jìn)行進(jìn)一步的審核確認(rèn)。

2.3 賽道建設(shè)階段

賽道建設(shè)階段，以空中技巧賽道為例，賽道設(shè)計(jì)方已參照標(biāo)準(zhǔn)賽道，在確定的選址上進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，因而賽道基準(zhǔn)模型也進(jìn)化為經(jīng)過國際雪聯(lián)認(rèn)可，符合國際雪聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)模型，需要對(duì)賽道土方建設(shè)和雪面塑形的完成情況進(jìn)行核驗(yàn)，評(píng)估賽道完成度。這一階段針對(duì)具體的建設(shè)場(chǎng)地，特征評(píng)價(jià)的基準(zhǔn)值由國際雪聯(lián)的建議值轉(zhuǎn)為賽道設(shè)計(jì)值，各項(xiàng)場(chǎng)地特征指標(biāo)均強(qiáng)調(diào)最小的偏離絕對(duì)值，以確保接近設(shè)計(jì)值以及滿足賽事要求。在指標(biāo)偏離評(píng)估的基礎(chǔ)上，利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)繪技術(shù)獲得的場(chǎng)地?cái)?shù)字模型可作為輔助手段，用于山地場(chǎng)地的設(shè)計(jì)擬合對(duì)照，并提出詳細(xì)的場(chǎng)地優(yōu)化建議[13]。

筆者在空中技巧賽道土方工程完工以及雪面塑形基本完成兩個(gè)階段性節(jié)點(diǎn)后對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行測(cè)量，獲得場(chǎng)地?cái)?shù)字模型(見圖7)及剖面線相關(guān)數(shù)據(jù)，并生成賽道特征玫瑰圖，與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較分析。

圖7 空中技巧賽道土方階段數(shù)字模型

2.3.1 土方基層偏離分析

賽道土方工程的特征玫瑰偏離分析結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，土方區(qū)域的賽道長(zhǎng)度和寬度偏離值均為1，在可接受范圍內(nèi)，同時(shí)影響結(jié)束區(qū)面積的偏離值；垂直落差偏離值為2，符合要求，受其影響平均坡度偏離值為2.5，需要適度校正；表面積偏離值為300，與基準(zhǔn)值相差較大，可能由于場(chǎng)地不平整，存在傾斜或者起伏造成的。上述情況則可由數(shù)據(jù)模型擬合進(jìn)行細(xì)節(jié)分析和進(jìn)一步調(diào)整。

圖8 空中技巧賽道土方工程特征偏離分析圖

數(shù)字模型擬合偏離分析結(jié)果如圖9所示。圖中顯示了垂直落差的偏離狀態(tài)；同時(shí)賽道兩個(gè)斜坡面均出現(xiàn)平整度問題，整體呈現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員右側(cè)偏低，左側(cè)偏高的狀態(tài)?；诖?，土方工程的調(diào)整建議如下：①加速段坡面運(yùn)動(dòng)員右側(cè)需補(bǔ)充土方；②著陸坡進(jìn)行土方平衡，運(yùn)動(dòng)員左側(cè)土方填補(bǔ)右側(cè)區(qū)域。

圖9 賽道土方數(shù)字模型擬合偏離分析

2.3.2 雪面基層偏離分析

賽道雪面工程的特征玫瑰偏離分析結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出，雪面區(qū)域的賽道長(zhǎng)度和寬度偏離值與土方一樣，均為1，在可接受范圍內(nèi)，同時(shí)影響結(jié)束區(qū)面積的偏離值；垂直落差偏離值為3，符合要求，受其影響平均坡度偏離值為2.4，需要適度校正；表面積偏離值為310，與基準(zhǔn)值相差較大，存在雪面不平整的問題。

圖10 空中技巧賽道雪面工程特征偏離分析圖

數(shù)字模型擬合偏離分析結(jié)果如圖11所示。圖中顯示了垂直落差的偏離狀態(tài)；加速段坡面整體低于基準(zhǔn)模型；平臺(tái)區(qū)雪面整體高于基準(zhǔn)模型；著陸坡由于中部雪層翻松以致呈現(xiàn)中間高兩側(cè)低的狀態(tài)，符合實(shí)際使用需求；結(jié)束區(qū)雪面整體高于基準(zhǔn)模型?；诖?，雪面工程的調(diào)整建議如下：①進(jìn)行壓雪處理，將平臺(tái)區(qū)和結(jié)束區(qū)雪層上推補(bǔ)充加速段，增加該段坡度值；②考慮到運(yùn)動(dòng)員出發(fā)點(diǎn)位于賽道加速段偏上位置，垂直落差偏離在可接受范圍。

圖11 賽道雪面數(shù)字模型擬合偏離分析

3 結(jié) 論

(1)通過“賽道特征玫瑰圖”可梳理出技巧類雪上賽道剖面特征具有較強(qiáng)的類型性和同源性。主要體現(xiàn)為賽道特征玫瑰圖中的J型分布所代表的偏“自然”型和O型分布所代表的偏“人工”型。但都具有雪上運(yùn)動(dòng)賽道依山而建、順勢(shì)而下的共同特征。

(2)基于“賽道特征玫瑰圖”的偏離分析結(jié)果強(qiáng)調(diào)平均坡度的最小偏離絕對(duì)值和其他指標(biāo)的正向偏離，能有效應(yīng)用于雪上賽道選址和設(shè)計(jì)過程的指導(dǎo)。基于“賽道基準(zhǔn)數(shù)字模型”的分析結(jié)果則強(qiáng)調(diào)更精確的匹配和盡可能小的偏離絕對(duì)值，能有效應(yīng)用于施工過程中的土方和坡度偏差糾正。

(3)經(jīng)過2022年北京冬奧會(huì)場(chǎng)館基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的實(shí)踐，基于“賽道特征玫瑰圖”和“賽道基準(zhǔn)數(shù)字模型”的分析方法可用于指導(dǎo)賽道選址、設(shè)計(jì)和施工校核，其指導(dǎo)結(jié)果與國際專家主導(dǎo)下的賽道設(shè)計(jì)和實(shí)施結(jié)果相一致。