山林場館、生態(tài)冬奧——“復(fù)雜山地條件下冬奧雪上場館設(shè)計(jì)建造運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目概況

李興鋼

1 任務(wù)來源

北京2022冬奧會和冬殘奧會是我國重要?dú)v史節(jié)點(diǎn)的重大標(biāo)志性活動，是展現(xiàn)國家形象、促進(jìn)國家發(fā)展、振奮民族精神的重要契機(jī)。

北京2022冬奧會和冬殘奧會場館規(guī)劃建設(shè)工作以“綠色辦奧、共享辦奧、開放辦奧、廉潔辦奧”為指導(dǎo)思想，從戰(zhàn)略層面聚焦以下需求：

（1）高質(zhì)量籌辦北京冬奧會。以為世界奉獻(xiàn)一屆“精彩、非凡、卓越”的冬奧會為目標(biāo)，在疫情發(fā)生后突出“簡約、安全、精彩”的辦賽要求，場館建設(shè)突出“科技、智慧、綠色、節(jié)儉”特色。

（2）保護(hù)生態(tài)環(huán)境，嚴(yán)格落實(shí)節(jié)能環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

（3）牽引京津冀協(xié)調(diào)發(fā)展，推動大眾冰雪運(yùn)動。

（4）體現(xiàn)中國元素和當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)，讓現(xiàn)代建筑與自然山水、歷史文化交相輝映。

在此背景下，“復(fù)雜山地條件下冬奧雪上場館設(shè)計(jì)建造運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)”（2018YFF03003000）項(xiàng)目成為2018年首批立項(xiàng)的“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目之一，屬于“冬奧會科學(xué)辦賽關(guān)鍵技術(shù)”方向，以解決北京2022冬奧會延慶賽區(qū)工程建設(shè)需求、形成共性關(guān)鍵技術(shù)體系為主要研究目標(biāo)，執(zhí)行期為2018年8月-2021年6月，項(xiàng)目牽頭單位為中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，參與單位包括北京北控京奧建設(shè)有限公司、北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司、上海建工集團(tuán)股份有限公司、中交隧道工程局有限公司、北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司、清華大學(xué)、沈陽建筑大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京萬集科技股份有限公司、北京北控智慧城市科技發(fā)展有限公司、北京市交通信息中心等13家冬奧會場館開發(fā)、設(shè)計(jì)、咨詢、建設(shè)單位和多所高校，兼顧理論基礎(chǔ)、技術(shù)集成和示范實(shí)施全鏈條研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了資源互補(bǔ)、學(xué)科交叉、聚焦冬奧。

2 研究背景與框架

作為北京2022冬奧會和冬殘奧會三大賽區(qū)之一，延慶賽區(qū)核心區(qū)位于燕山山脈軍都山以南的小海坨南麓，山高林密、風(fēng)景秀麗、谷地幽深、用地狹促，區(qū)域溫度適合人工造雪和雪道維護(hù)。規(guī)劃建設(shè)用地面積804.74hm2，總用地面積799.13hm2，總建設(shè)用地面積76.55hm2?？偨ㄖ娣e350，000m2，賽區(qū)內(nèi)集中建設(shè)國家高山滑雪中心、國家雪車雪橇中心兩個競賽場館，延慶冬奧村、山地新聞中心兩個非競賽場館，及大量附屬設(shè)施（圖1）。

圖1 從西南向東北俯瞰延慶賽區(qū)

高山滑雪被稱作“冬奧會皇冠上的明珠”、雪車雪橇被譽(yù)為“冰雪運(yùn)動中的F1方程式”，是冬奧會雪上項(xiàng)目中引人注目、難度極高的兩個項(xiàng)目，其設(shè)計(jì)建設(shè)尚屬我國工程空白領(lǐng)域。

延慶賽區(qū)地勢復(fù)雜，位于山體南坡，是極具挑戰(zhàn)性的冬奧賽區(qū)，其建設(shè)面臨著四大挑戰(zhàn)：兩個頂級雪上競賽場館設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行零經(jīng)驗(yàn)和高難度、高復(fù)雜度的技術(shù)挑戰(zhàn)；賽區(qū)的生態(tài)敏感、地形復(fù)雜、氣候嚴(yán)苛帶來規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行的環(huán)境挑戰(zhàn)；冬奧遺產(chǎn)賽后長效利用和場館建設(shè)運(yùn)營兼顧山村改造及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的經(jīng)濟(jì)、社會可持續(xù)性挑戰(zhàn)；冬奧會高標(biāo)準(zhǔn)賽事要求和向世界講好中國故事、樹立傳播當(dāng)代中國形象的文化挑戰(zhàn)。

面對以上挑戰(zhàn)，圍繞“山林場館、生態(tài)冬奧”規(guī)劃設(shè)計(jì)理念，結(jié)合信息化方法和工具、場館設(shè)計(jì)方法和技術(shù)、全生命期技術(shù)和平臺、交通設(shè)施技術(shù)和平臺、信息融合平臺等5個方面關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)需求，設(shè)置了由6個課題組成的“復(fù)雜山地條件下冬奧雪上場館設(shè)計(jì)建造運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目，課題間互相支撐、反饋、協(xié)調(diào)與集成，共同構(gòu)成覆蓋冬奧雪上場館設(shè)計(jì)建設(shè)運(yùn)維各方向技術(shù)的整體研究框架（圖2）。

圖2 “復(fù)雜山地條件下冬奧雪上場館設(shè)計(jì) 建造運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目研究框架

項(xiàng)目研發(fā)面向冬奧雪上場館實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新方案、共性關(guān)鍵技術(shù)和賽后綜合利用的成套解決方案，在項(xiàng)目研究全過程始終遵循以下目標(biāo)原則：

（1）引領(lǐng)復(fù)雜山地冬奧雪上場館設(shè)計(jì)建設(shè)技術(shù)領(lǐng)域國際前沿；

（2）推廣于復(fù)雜山地條件下的生態(tài)環(huán)保綠色低碳工程設(shè)計(jì)建設(shè)；

（3）應(yīng)用于大型復(fù)雜建筑場館的全生命期可持續(xù)利用；

（4）服務(wù)于山林環(huán)境場館設(shè)計(jì)建設(shè)中的人文精神傳承和展現(xiàn)。

b-90°風(fēng)向角下出發(fā)區(qū)分布云圖

3 創(chuàng)新成果

項(xiàng)目研發(fā)組與工程建設(shè)組緊密配合，在建設(shè)全程實(shí)踐了“以場館帶規(guī)劃”“以設(shè)計(jì)帶需求”“以科研帶工程”的創(chuàng)新工作模式，通過系統(tǒng)研究，形成以下4個方面創(chuàng)新成果，并成功應(yīng)用于以北京2022冬奧會延慶賽區(qū)為主的工程實(shí)踐：

（1）提出了復(fù)雜山地條件“順形勢、弱介入、可逆式”設(shè)計(jì)理念和方法，創(chuàng)建了冬奧會級別高山滑雪場館設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維成套創(chuàng)新技術(shù)體系（圖3）。

圖3 國家高山滑雪中心全景

延慶高山滑雪賽道是世界獨(dú)有的高山峽谷地段賽道，起點(diǎn)高程最高、賽道最長、落差最大，從草甸到松林、從山脊到峽谷，跌宕起伏，變化多端，充分展示了高山滑雪運(yùn)動的驚險(xiǎn)與刺激、速度與激情，是世界上極具難度、挑戰(zhàn)性的高山滑雪賽道。項(xiàng)目研發(fā)了“順形勢”高山滑雪賽道與場地高擬合度技術(shù)，實(shí)現(xiàn)賽道與自然場地?cái)M合度超過70%（圖4）；開創(chuàng)了復(fù)雜山地環(huán)境下場館精細(xì)化抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論并成功實(shí)踐（圖5）；首創(chuàng)并實(shí)踐了基于北斗的毫米級高山雪上場館形變監(jiān)測成套關(guān)鍵技術(shù)，全天候連續(xù)實(shí)時高程監(jiān)測精度達(dá)到±3mm（圖6）；研發(fā)了適應(yīng)高海拔、極低溫的高山滑雪中心瀝青路面主動融雪技術(shù)（圖7）；研發(fā)了高山滑雪賽道新型施工運(yùn)輸裝置及賽道施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)（圖8）。成果支撐建成的國家高山滑雪中心填補(bǔ)了我國此工程建設(shè)領(lǐng)域空白，并被國際滑雪聯(lián)合會認(rèn)證為世界領(lǐng)先的高山滑雪場館，為成功舉辦北京冬奧會和發(fā)展提升我國高山滑雪運(yùn)動項(xiàng)目打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖4 競速雪道（C1+B1）軸測圖

圖5 高山滑雪中心出發(fā)區(qū)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)a-高山滑雪中心出發(fā)區(qū)模型（1:150）

圖6 高山滑雪北斗監(jiān)測點(diǎn)安裝位置

圖7 主動融雪環(huán)保型示范路應(yīng)用效果

圖8 無動力運(yùn)輸裝置和無人履帶運(yùn)輸車

（2）創(chuàng)建了冬奧會級別雪車雪橇賽道及場館設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維成套創(chuàng)新技術(shù)體系，在世界范圍內(nèi)開創(chuàng)了山體南坡建設(shè)雪車雪橇賽道的先例（圖9）。

圖9 國家雪車雪橇中心

國家雪車雪橇中心是世界首條南坡賽道，項(xiàng)目創(chuàng)新研發(fā)了狹窄山脊選址條件下雪車雪橇賽道數(shù)字化選型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了安全性、競技性及工程建設(shè)可行性的平衡，拓寬了世界車橇賽道及場館的選址限制；創(chuàng)新研發(fā)了超長薄殼賽道混凝土三維數(shù)字化生成及一體化成型技術(shù)（圖10），實(shí)現(xiàn)了延慶高烈度[8度（0.30g）]區(qū)賽道高標(biāo)準(zhǔn)抗震設(shè)防要求；首創(chuàng)了雪車雪橇賽道“地形氣候保護(hù)系統(tǒng)”（圖11），實(shí)現(xiàn)98%以上賽道免受太陽輻射及其他氣候因素影響，實(shí)現(xiàn)了“南坡變北坡”的節(jié)能目標(biāo)；首創(chuàng)了單邊超大懸挑裝配式鋼木組合雪車雪橇賽道遮陽棚結(jié)構(gòu)體系（圖12）；自主開發(fā)了基于BIM的雪上場館信息化運(yùn)維管理平臺（圖13）。成果支撐建成的國家雪車雪橇中心打破了國外的技術(shù)壟斷，填補(bǔ)了我國此工程建設(shè)領(lǐng)域空白，并被國際車橇協(xié)會認(rèn)證評價為目前為止世界上最好的滑行中心，引領(lǐng)了國際雪車雪橇場館發(fā)展的新方向，為成功舉辦北京冬奧會和發(fā)展提升我國雪車雪橇運(yùn)動項(xiàng)目打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖10 雪車雪橇賽道異形曲面三維數(shù)字化生成技術(shù)

圖11 雪車雪橇賽道“地形氣候保護(hù)系統(tǒng)”

圖12 單邊超大懸挑裝配式鋼木組合雪車雪橇賽道遮陽棚結(jié)構(gòu)體系

圖13 基于BIM的雪上場館信息化運(yùn)維管理平臺

圖18 輕干預(yù)山地歷史遺存保護(hù)展示效果

圖20 采用木結(jié)構(gòu)和木瓦屋面

（3） 創(chuàng)建了冬奧雪上體育運(yùn)動與生態(tài)環(huán)境共生的“山林場館”創(chuàng)新技術(shù)體系，打造了復(fù)雜山地、地質(zhì)脆弱、生態(tài)敏感、場館集約等建設(shè)條件下的綠色冬奧工程范例。

賽區(qū)資源條件復(fù)雜，為解決在復(fù)雜山地、地質(zhì)脆弱、生態(tài)敏感地區(qū)的場館建設(shè)和資源條件融合共生問題，項(xiàng)目研發(fā)了復(fù)雜山地裝配化高山架空平臺系統(tǒng)，高山滑雪項(xiàng)目建筑及附屬設(shè)施的結(jié)構(gòu)主體裝配化占比達(dá)到90.9%（圖14）；研發(fā)了復(fù)雜山地室外場地與場館高融合設(shè)計(jì)技術(shù)（圖15）；研發(fā)了復(fù)雜山地環(huán)境生態(tài)保護(hù)與修復(fù)技術(shù)（圖16）；研發(fā)了原生山地樹木評估保護(hù)移栽及輕干預(yù)山地歷史遺存保護(hù)展示技術(shù)（圖17、18）；大規(guī)模集成石籠墻及木瓦屋面的山地自然材料建造技術(shù)（圖19、20）。成果支撐有效支撐了延慶賽區(qū)成為“生態(tài)冬奧”工程范例，在實(shí)現(xiàn)場地、場館、交通基礎(chǔ)設(shè)施與復(fù)雜地形、自然環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)和協(xié)調(diào)方面達(dá)到了新高度，成為綠色冬奧的新名片。

圖14 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建成實(shí)景

圖15 雪車雪橇場館結(jié)束區(qū)場地與場館BIM融合模型

圖16 延慶賽區(qū)生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程

圖17 冬奧村安檢廣場保留樹木

圖19 大規(guī)模采用石籠墻

（4）開創(chuàng)了應(yīng)對復(fù)雜山地冬奧場館非標(biāo)和未知條件并與可持續(xù)工程相結(jié)合的設(shè)計(jì)模式，創(chuàng)建了冬奧遺產(chǎn)可持續(xù)工程創(chuàng)新技術(shù)體系，構(gòu)建了冬奧賽區(qū)建設(shè)兼顧社會可持續(xù)性的實(shí)踐新路徑。

場館規(guī)劃設(shè)計(jì)為非標(biāo)模式，面臨工藝、需求、氣候、技術(shù)等諸多未知條件，為滿足復(fù)雜山地環(huán)境中冬奧賽區(qū)場館在“規(guī)劃—設(shè)計(jì)—建造—運(yùn)行”全過程創(chuàng)新需求，項(xiàng)目開創(chuàng)建設(shè)全程“以場館帶規(guī)劃”“以設(shè)計(jì)帶需求”“以科研帶工程”的創(chuàng)新工作模式（圖21），解決了復(fù)雜山地場館的非標(biāo)模式和未知條件；建設(shè)行業(yè)首創(chuàng)可持續(xù)設(shè)計(jì)專業(yè)，實(shí)現(xiàn)了“可持續(xù)的工程化”；首次研發(fā)冬奧雪上場館與附屬設(shè)施賽后改造設(shè)計(jì)技術(shù)及導(dǎo)則（圖22），確保冬奧遺產(chǎn)全生命周期可持續(xù)利用；開創(chuàng)實(shí)踐了冬奧模式下既有山村改造與大型賽事及賽后服務(wù)功能結(jié)合的社會和文化可持續(xù)發(fā)展模式，提升了村民獲得感和幸福感；創(chuàng)新研發(fā)了復(fù)雜山地場館能源調(diào)節(jié)、設(shè)備監(jiān)測、交通管理等綜合智慧平臺（圖23）。成果支撐冬奧場館可持續(xù)工程化和冬奧遺產(chǎn)的長效利用，助力實(shí)現(xiàn)“三億人上冰雪”，成為“共享辦奧” 典范工程，推動區(qū)域環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會和文化可持續(xù)發(fā)展。

圖21 復(fù)雜而有效的延慶賽區(qū)場館建設(shè)工作關(guān)系框架

圖22 賽后改造設(shè)計(jì)導(dǎo)則和設(shè)計(jì)說明書

圖23 能源—環(huán)境對策響應(yīng)平臺

4 示范應(yīng)用效果

通過以上各項(xiàng)創(chuàng)新成果的系統(tǒng)研究和賽區(qū)工程實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了高山滑雪、雪車雪橇等雪上項(xiàng)目的場地、場館建設(shè)在我國零的突破，打破了國外少數(shù)公司的技術(shù)壟斷。項(xiàng)目已于2022年3月29日順利通過了由中國21世紀(jì)議程管理中心組織的綜合績效評價，并獲得以下示范應(yīng)用效果：

（1）首次在中國建成符合奧運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)的高山滑雪中心、雪車雪橇中心，建成世界上首條南坡車橇賽道，順利通過了國際滑雪聯(lián)合會、國際雪車聯(lián)合會和國際雪橇聯(lián)合會組織的各項(xiàng)國際認(rèn)證，拓寬了世界車橇賽道選址限制。

（2）在冬奧會歷史上最具生態(tài)挑戰(zhàn)性的賽區(qū)實(shí)現(xiàn)了“山林場館、生態(tài)冬奧”的建設(shè)目標(biāo)，實(shí)踐了綠色冬奧工程新范例。

圖26 延慶賽區(qū)總體鳥瞰圖

（3）高標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)于冬奧賽事需求，經(jīng)受住了奧運(yùn)比賽的考驗(yàn)，獲得了各國頂尖運(yùn)動員對賽道和場館的高度評價，助力中國隊(duì)創(chuàng)造歷史最佳戰(zhàn)績。中國隊(duì)實(shí)現(xiàn)全項(xiàng)目參賽、成績均完成歷史性突破，延慶冬奧村在冬奧會期間接待了87個代表團(tuán)，村內(nèi)居民最多時超1200人，冬殘奧會期間保障了38個冬殘奧會代表團(tuán)545名運(yùn)動員和隨隊(duì)官員的無障礙居住和出行。

（4）支撐了冬奧遺產(chǎn)可持續(xù)工程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，助力《北京2022年冬奧會和冬殘奧會可持續(xù)性計(jì)劃》的落實(shí)，成果寫入《北京2022冬奧會和冬殘奧會遺產(chǎn)報(bào)告》，獲得了各方廣泛贊譽(yù)（圖24）。

圖24 成果寫入《北京2022冬奧會和冬殘奧會遺產(chǎn)報(bào)告》

復(fù)雜山地條件下冬奧雪上場館設(shè)計(jì)建造運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新研究和“山林場館、生態(tài)冬奧”在延慶賽區(qū)的工程實(shí)踐，落實(shí)了“綠色辦奧”理念，踐行了國際社會及《奧林匹克2020議程》可持續(xù)理念，彰顯了中國國家生態(tài)發(fā)展理念，體現(xiàn)了自然與人工互成相生的中國文化理念，引領(lǐng)了國際頂級雪上場館設(shè)計(jì)建設(shè)的新方案、新模式、新方向（圖25、26）。

圖25 從賽區(qū)入口望向冬奧村雪景