冬奧場館　數不清的高科技

田潔

“冰絲帶” 夏天“不罷工”

國家速滑館是北京2022年冬奧會速度滑冰項目的比賽場館，因其外觀設計如絲帶飛舞，被稱為“冰絲帶”。

國家速滑館以“冰”和“速度”為設計象征，設計理念、技術工藝、材料選取、施工技法等多個方面都實現了創新和突破。在外觀上，22根“冰絲帶”環繞曲面幕墻系統，展現了速度滑冰的速度與激情。場館內部的正交雙向單層馬鞍形屋頂索網，198米長，124米寬，全部使用國產高釩密閉索，跨度大到世界之最。國家速滑館鋼結構工程榮獲第十三屆中國鋼結構金獎和中國鋼結構金獎年度杰出工程大獎……

國家速滑館制冷制冰系統在全球最先采用二氧化碳跨臨界直接蒸發，不僅為冬奧比賽提供“最快的冰”，也可為賽后適應多種需求的群眾健身提供硬件支撐。

體育工藝制冰工程專項設計負責人馬進介紹說，國家速滑館擁有亞洲最大的全冰面設計，冰面面積達1.2萬平方米，采用分模塊控制單元，最多可將冰面劃分為9個區域，根據不同項目分區域、分標準制冰。這里可以同時接待超過2000人開展冰球、速度滑冰、花樣滑冰、冰壺等所有類型的冰上運動。

為了實現這個目標，以二氧化碳為制冷媒介發揮了重要作用。這是目前在確保場館安全前提下環保、高效、先進的制冰制冷技術，能為冬奧比賽提供溫度高度均衡的冰面，比傳統技術能效提高20%以上。通過智能能源管理系統，把制冷產生的70攝氏度廢熱直接用于除濕、冰面維護、場館生活熱水等。傳統制冰方式產生的廢熱在40攝氏度左右，為了達到修復冰面所需的70攝氏度熱水，還要再次加熱。因此，在全冰面模式下，每年僅制冷部分就能節電200多萬千瓦時，整個系統的碳排放趨近于零。

為解決二氧化碳在20攝氏度以上不制冷的物理屬性，技術團隊又解決了二氧化碳“跨臨界值”工作的問題，使這套系統夏天也能正常工作，實現全季運營。

建設中的國家速滑館內景

“冰絲帶”冰面下是如同“千層糕”一樣的層層鋪設，最下面是加熱層，防止底部土壤因長期結冰而膨脹凸起。往上依次為保暖層、鋼架支撐、混凝土層，最上面是冰面層。整個冰場中的不銹鋼制冷管總長度達到120公里，埋在混凝土中，一旦出現縫隙，維修起來大費周章，因此，制冷管之間的焊接不容有失。9個區域的冰面劃分高度體現了科技的神奇。由于不同項目對冰面溫度、硬度要求不同，如何同時滿足不同冰面的需求，就要靠制冷管道中看不見摸不著的二氧化碳不同密度分布來實現了。

水立方 水冰轉換“玩冰壺”

在國家游泳中心舉辦冰壺比賽，是奧運史上首次在夏奧場館舉辦冰上項目比賽。為了滿足冬奧賽事場地要求，又保有夏季奧運水上項目功能，國家游泳中心創造性地提出了“水冰轉換”方案：通過支撐體系和移動式制冰系統，完成“水立方”到“冰立方”的功能轉換。

起初，世界冰壺聯合會不支持這個方案。由于冰壺場地對冰面穩定性要求非常高，他們更傾向于把泳池填平。為了實現“水冰轉換”的“中國方案”，技術團隊對場地結構、溫度、濕度、照明、聲學等多方面定向科研攻關，通過將近一年的改造，確立了“在泳池內架設可拆卸鋼結構，鋪設混凝土預制板，安裝可拆裝制冰系統及配套管線”的方案，實現了泳池到冰壺賽道的轉換，打造出符合冬奧會冰壺賽事標準的轉換基礎、制冰系統、除濕系統、空調系統、體育照明系統和控制系統。國家游泳中心總經理楊奇勇說：“我們通過對比測試，在6種材料組合里選擇最強、最穩定的，確定使用輕型鋼結構和大塊混凝土。”2019年底，國家游泳中心制出“第一塊冰”，舉行了中國青少年冰壺公開賽，對制冰系統、冰壺場地結構體系等進行全冰面測試，得到世界冰壺聯合會的肯定。“整場比賽，我們的冰面沒有一絲晃動。現場檢測，冰面的自振頻率是每秒25赫茲。人的運動頻率每秒為1至5赫茲，人在冰面上活動不會引起冰面共振”。

冰壺項目的制冰工藝精細，對冰面的品質要求嚴苛。國家游泳中心研究建立覆蓋全建筑空間、集成多種終端、自適應多種應用場景的群智能控制系統。數百個智能控制節點、上千個各類傳感器織構成的強大“神經網絡”，并行處理至少30個場館的管理任務。擁有“更強大腦”的智慧“冰立方”可以瞬間完成多種模式的更新和切換，為冬奧賽后場館的冰上、水上賽事和演出、展覽、參觀等各類活動提供功能和環境保障。

想做好冰，就要摸透冰的脾氣。為徹底解決冰場裂縫，科研團隊采用現代力學的熱一力耦合機理，微觀到冰的分子結構，宏觀到冰場與人和環境的相互作用，以此為基礎，通過群智能控制系統，實現冰面與室內環境的實時感知與精確控制，最終制出“乖巧聽話的冰”。

五棵松 冰場規格“隨時換”

北京冬奧會時，五棵松體育館將用于冰球比賽，建造之初就已經為場館未來多功能使用做好設想，在場芯下面預埋了制冰管道，多次實現冰面與籃球場地在6小時內完成轉換。

水立方變身冰立方。

五棵松體育館改造中的“冰壩”（五棵松體育館供圖）

五棵松體育館正在按照冰球運動要求改造更衣室。（五棵松體育館供圖）

五棵松體育館的冰面設計為國際冰球比賽標準的30×60米。為了增加比賽的激烈程度和觀賞性，國際冰聯決定從北京冬奧會開始，將冬奧會冰球場地改為26×60米。在科技高度發達的今天，冰面大改小并非難事。為滿足不同冰上項目對場地的不同需求，五棵松體育館決定在冰面尺寸上也實現“自由切換”，“冰壩”技術應運而生。

冰球比賽場地規格從61×30米到26×15米不等，四角圓弧的半徑為7至8.5米。冬奧會時將采用長60×26米，冰面四周圍以高1.15米至1.22米的牢固界墻，冰面溫度為零下5攝氏度左右。

花樣滑冰場地規格從60×30米到52×26米不等，四角弧形，冰面厚度為3至5厘米，制冰溫度大約在零下3至零下4攝氏度。

短道速滑場地規格為60×30米，場地周長111.12米，直道寬不小于7米，長28.85米，彎道半徑8米。冰面溫度為零下6至零下7攝氏度，較硬的冰面能夠給長刀提供更好的力度支持。

在不同冰面區域設置“冰壩”，需要多大冰面可以按需切換。改造完成后，五棵松體育館將成為能承辦冰球、花樣滑冰、短道速滑三項賽事的通用型場館。

延慶賽區 踐行“生態冬奧”

建設中的張家口賽區的國家跳臺滑雪中心

延慶賽區內植物資源豐富，周邊分布有國家級和市級重點保護野生植物。

賽區包括國家高山滑雪中心和國家雪車雪橇中心兩座比賽場館，還有冬奧村和山地新聞中心兩座非奧運場館及其配套設施，全部為新建項目。北京北控京奧建設有限公司環保及可持續發展工作組主任梁德棟介紹說，在施工中，對植物堅持“避讓”為第一原則，就地保護。在奧運村的建設過程中，就地保留了100多棵大樹，對無法避讓的保護植物采取生境相近的近距離近地保護或遠距離遷地保護，“生態保護的很多工作要在建設開工前進行，那時候路還沒修好，大型機械設備上不去，很多樹木的遷移都是靠人力往山下背”。據統計，從賽區共近地移植11027株珍稀植物，對2.4萬株樹木實施了遷地保護，建設專門的遷地保護小區。

延慶區園林綠化局副局長龐月龍說，由于施工時間的要求，植物移植移栽基本上都在夏季，正值植物旺盛的生長期，成活率很難保證。為了攻克難關，北京林業大學和清華大學的專家團隊研究出植物夏季移植移栽技術。龐月龍說：“我們采取的辦法是先修剪樹頂上的枝杈，讓它的生長慢下來，但根系都是完整的，仍然具有很強的生長活力。等它第二次發芽，再按照常規移植，這棵樹就活了。近期經過驗收，植物移植移栽成活率超過90%，遠遠超過50%的及格線。”

表土是一種重要的自然資源，有機質合量高，并含有豐富的本地微生物群，適合本地植物生長。優質的表土層是難以再生的寶貴資源，每一厘米表土層的形成需要100至400年。延慶賽區共計剝離表土8萬多立方米，全部回鋪至生態修復區域內。

雪車雪橇中心“不怕曬”

北京冬奧會選在小海坨山南麓興建國家雪車雪橇中心，這將成為全球唯一建在山體南坡的賽道。為了避免陽光照射使賽道冰面溫度升高，國家雪車雪橇中心成為全球唯一全遮陽棚遮擋賽道。

北京北控京奧建設有限公司副總經理李長洲說：“外界環境溫度再低，只要有陽光直射，冰面也會融化、蒸發，影響賽道質量。為了不讓光線直接照射冰面，我們研發了一套全球首個鋼木結合結構的地形氣候保護系統，遮光處理，加上遮陽簾，形成賽道小氣候，滿足賽時需求。”

國家雪車雪橇中心賽道遮陽棚面積總共將近2.3萬平方米，結合賽道形狀、自然地形和“人工地形”，傳統木結構與現代鋼結構結合，有效保護賽道冰面免受各種氣候因素影響，大大減少陽光直射，起到節能保溫作用，最大限度地降低了能源消耗。

國家雪車雪橇中心賽道總長為1.9公里，制冰修冰工作可在10天內全部完成。

延慶崇禮 造冰造雪“純天然”

冰雪項目，用水是個大問題。山地雨水、雪水利用，中水回用，融雪融冰回流，污水處理，都需要提前考量，合理設計。

延慶賽區國家高山滑雪中心最高海拔接近2200米。李長洲說，造雪用的水來自佛峪口水庫和白河堡水庫，通過7.5公里長的地下綜合管廊，把水送往海拔1050米的塘壩和海拔1290米的蓄水池，再通過三級泵站分別注入各雪道造雪系統，最終到達小海陀山2198米最高點附近的出發平臺，同時，對融雪水、雨水等水資源回收利用。

在室外雨水的控制和利用中，合理利用了山地自然地勢，在低洼處或天然水體中調蓄、入滲，通過透水鋪裝、增加綠化面積等措施降低徑流系數，賽區污水全收集、全處理，再生水充分利用，回用水源充足。

張家口賽區云頂滑雪樂園有6條冬奧會賽道，在原有雪道基礎上改建而成，使工程施工量減少15%以上。融化的雪水回收貯存，供來年雪季造雪使用，云頂滑雪樂園對此有豐富的經驗。4座蓄水池蓄水總量28萬立方米，可以保障2022冬奧會及2021世錦賽賽道造雪用水需求。

責編 柏強