“冰絲帶”的三大理念

文/李久林 陳利敏

（作者單位：李久林，北京國家速滑館經營有限責任公司、北京城建集團有限責任公司、清華大學；陳利敏，北京國家速滑館經營有限責任公司）

國家速滑館是北京2022年冬奧會速度滑冰項目的比賽場館，又名“冰絲帶”，位于北京奧林匹克森林公園西側，是北京冬奧會標志性場館，與水立方、鳥巢交相輝映。該館復用了2008年北京奧運會的曲棍球和射箭場地，總建筑面積約12.6萬平方米，總座席12038座，在本屆冬奧會上將產生14枚金牌。

面對世界最大跨索網屋面結構、復雜曲面玻璃幕墻，如何打造“最快的冰”和“智慧的館”等技術問題，在科學技術部、北京市委市政府、北京冬奧組委等的大力支持下，北京國家速滑館經營有限責任公司等單位先后承擔了國家重點研發計劃、北京市科技計劃課題、朝陽區社會發展科技計劃項目，通過理論研究、仿真模擬、試驗分析、樣板測試、系統研發、示范應用等，確保實現國家速滑館高效高精度地建造和智慧化應用，實現“以運動員為中心、可持續發展、節儉辦賽”三大理念的同時，實現其全生命期安全、穩定、高效地運行。

首創單層橢圓馬鞍形索網＋環桁架＋幕墻斜拉索的高性能結構體系

研發的多重彈性邊界找形方法實現了結構的精準優化分析，使全體系力學性能最優；創造性提出支座后鎖定、短拉索后張拉等措施，大大降低了結構及基礎負擔，節約綜合造價；發明滑移—鎖定支座、梭形調節器、索力保持器、自適應索夾、預負載水箱等關鍵技術，使工程高效、高精度實現；通過模型試驗，研發了主動索優選定量分析和評價技術，實現建造關鍵環節驗證，提出了影響張拉成形的敏感性因素，為質量標準制定和健康監測提供依據。

自主研制建筑用國產大直徑高釩密閉索。研發建立了完整的構件加工制作工藝流程和生產與質量保證體系，實現國產高釩密閉索量產，并首次應用于國家重大建筑工程。產品性能達到歐洲標準，徹底打破了國外技術壟斷，使密閉索價格顯著降低，密閉索單價由整體進口索的每噸14萬元下降至約每噸3.5萬元，供貨期縮短近1/2，極大推動相關產業發展。產品已推廣應用于上海浦東足球場、張家口崇禮冬奧會滑雪場大跳臺、三亞體育中心、成都鳳凰山體育中心、卡塔爾世界杯開閉幕式體育場、柬埔寨國家體育場和印度尼西亞雅加達國際體育場等大型項目。

研發了基于平行施工的高精度技術體系。首創了基于計算機控制的異位與原位混合安裝、高低位二次變軌滑移的環桁架施工方法；研究形成了超大跨度單層正交索網主被動、大噸位同步張拉技術，控制智能張拉力最大偏差為9.45%，高于驗收標準的15%；建立了工程全生命周期健康監測系統，實現了高效施工；歷經多次大風、大雪等極端惡劣天氣考驗，以及某日陣風8級條件下，索力變化平均值僅為1.27千牛（KN）。滿足了安全、質量、工期、場地、投資的要求。

曲面幕墻、單元式屋面板塊填補技術空白

國家速滑館外立面二層以上為天壇形曲面幕墻系統，總玻璃數量為3360塊，單曲玻璃為1440塊，平板玻璃為1920塊。為了實現曲面幕墻滿足“冰絲帶”特殊的造型要求，研發了單索支承異面網殼曲面幕墻體系，實現了弧形幕墻玻璃的高效精細化加工制作，推動了曲面玻璃幕墻的技術進步，創造了建筑工藝美學新高度，實現功能、科學和藝術的結合，并大幅度降低自由曲面玻璃幕墻的建造成本。

為了適應索網結構柔性變形，研發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，解決了與索網結構配套使用的圍護系統技術難題；利用水箱荷載置換法，實現了198米×124米索網屋面的裝配化施工，填補了裝配式模塊化屋面系統的空白。

國家速滑館，又稱“冰絲帶”

二氧化碳跨臨界直冷制冰系統打造最快的冰

針對國家速滑館研究多功能、全冰面設計方案并采用二氧化碳跨臨界直冷制冰系統，開展了國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造、多功能二氧化碳跨臨界制冰系統、室內環境精細控制、冰面與室內環境自動化監控等關鍵技術的研究，形成了完整的二氧化碳跨臨界直冷制冰系統技術體系。發明了基于三維激光測量的超大速滑場地制冰排管安裝高精度檢測方法，實現了制冰排管安裝過程快速數據獲取和處理，有效指導制冰排管施工期安裝檢測和完工驗收；發明了一種平板拖拽式和輪式慣性平整度測量系統，融合高精度全站儀平面坐標、高精度里程計和慣性相對高程，獲取連續測線的冰面混凝土平整度，實現混凝土平整度快速測量，施工期測量精度達到5米范圍不超過1毫米，完工期測量精度達到5米范圍不超過0.5毫米，確保了1.2萬平方米冰板平整度不大于3毫米，遠小于國際滑聯的不大于5毫米的要求，有效保障了國家速滑館冰面混凝土施工的質量和效率。

經多次實測，在冰面30個溫度測點中，29個溫差不超過0.5℃，1個為0.7℃。此外，制冰系統能效比傳統技術提高20%以上，回收制冰廢熱制取了近70℃的澆冰熱水，證實了大型二氧化碳跨臨界制冷系統的可行性。在2021年10月進行的2021年速度滑冰中國公開賽中，4名運動員在測試賽中5次滑出個人最好成績。

低碳冬奧監測與碳中和調控關鍵技術在國家速滑館推廣應用

針對冬奧賽事特點，在國家速滑館布設60個點位的分布式二氧化碳傳感器以實現場館內部碳排放的全覆蓋監測。運用車載紅外光譜測試儀（FTIR）和溫室氣體探測衛星數據反演實現對場館周邊區域二氧化碳排放的空基和天基測量。并通過將多尺度碳排放數據與場館運行管理數據的擬合，構建場館碳排放數據庫。

為實現對賽事相關碳排放的精準評估，開展了從速滑館建設到賽后利用全生命周期的碳排放核算，用以量化賽事籌備、賽時運營、觀眾觀賽及賽后利用等活動產生的碳排放。通過核算賽事相關活動直接與間接碳排放量，為碳排放智能管控提供數據基礎。

運用超低能耗建筑技術制造并搭建“零碳小屋”，具有選材環保、可回收利用、裝配速度快等特點，并采用全熱交換新風確保室內空氣質量。搭載“風、光、儲”清潔創能系統和零碳智能控制平臺，可實現建筑電氣系統智能控制，最終達到運行過程的碳中和。

單層橢圓馬鞍形索網＋環桁架＋幕墻斜拉索結構體系

先進信息技術實現智慧場館集成應用

在國家速滑館基于5G技術的云網霧端架構，借助5G網絡用戶面功能（UPF）下沉能力，為場館提供了媒體專網設施，升級了智慧場館運營所需的網絡條件。其核心是通過下沉的UPF可將用戶數據流量就近分流至靠近場館的霧計算或邊緣計算平臺，能夠滿足用戶對時延要求較高的服務要求，并通過5G網絡的無線跟蹤區域（TA）控制技術，實現對場內外用戶的精準區隔。推出的現場低時延視角定制服務，實現了比賽現場與觀眾現場手機之間600毫秒的時延效果，觀眾在賽場內可實時觀看到不同角度的比賽實況，不錯過任何一個精彩的瞬間，讓用戶享受無與倫比的觀賽體驗。

構建了基于物聯網的國家速滑館智能化集成平臺，作為神經中樞系統連接著速滑館的視覺系統、聽覺系統、嗅覺系統、呼吸系統、循環系統、動力系統、運動系統，支持毫秒級數據采集，數據點查詢速度不低于每秒5萬點，單數據節點支持100萬點以上的數據管理；可實現對國家速滑館36個系統進行數據實時采集、匯總、分析，設備運行監控管理，能源管理，安全管理，冰面養護，智能化聯動控制與調度等。

運用數字化融合技術將“源—網—荷—儲”等所有與能源相關的系統有機聯系在一起，通過柔性互聯形態使得能量能夠在各個系統間自由流動，利用虛擬儲能及多時間尺度預測和調度方法，讓能量的運動變得井然有序。最后，結合人工智能算法實現能源取用的精準控制，使速滑館的各種能源系統不再單獨工作，而是構成一個統一的整體，用能、蓄能、產能各系統彼此相互關聯、相互協調、靈活調度、精準控制。

為了避免傳統場館存在的人工運維工作效率低、運維成本高、響應速度慢等問題，基于全過程建筑信息模型（BIM）和全域數字孿生技術，建設了國家速滑館智能化運維系統來實現運維的可視化，提升建筑全生命周期內的運維效率，降低人工、運維成本，保障場館內安全管理。建設國家速滑館可視化運維系統，進行建筑、設備和基礎設施的控制系統，包括智能照明、視頻監控系統、出入口控制系統、安防監控技術系統、樓控系統等集中展示和管理，通過數據分析，第一時間了解場館內建筑及系統環境，支持場館管理人員設備巡檢、設備維修、設備調控、工單管理等運維工作，為場館運營、決策提供精準服務。

冬奧會后，國家速滑館將可承辦所有冰上項目國際頂級賽事，進行二次開發利用，成為集“體育賽事、群眾健身、文化休閑、展覽展示、社會公益”五位一體的綜合性體育場館，實現更新和功能的快速轉換。