國家速滑館“冰絲帶”高效高精度建造關(guān)鍵技術(shù)

李久林，陳利敏，徐浩

1 背景

國家速滑館又稱“冰絲帶”，是北京2022年冬奧會(huì)速度滑冰項(xiàng)目的比賽場館，也是北京賽區(qū)標(biāo)志性場館和唯一新建冰上競賽場館。國家速滑館復(fù)用了2008年北京奧運(yùn)會(huì)曲棍球、射箭場地，建筑面積約126，000m2[1-2]，地下2層，地上3層，檐口高度15.4～33.8m，冰面海拔為43.6m，總坐席11，884座（圖1）。在北京冬奧會(huì)期間，場館共進(jìn)行了14個(gè)小項(xiàng)的比賽，有來自27個(gè)國家和地區(qū)的166名運(yùn)動(dòng)員參賽，13次刷新奧運(yùn)會(huì)紀(jì)錄，其中1次打破世界紀(jì)錄。

為響應(yīng)2022年冬奧會(huì)承辦理念，國家速滑館自建設(shè)開始，將“綠色、共享、開放、廉潔”貫穿建造全過程，針對超大跨度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)、曲面玻璃幕墻、亞洲最大人工冰場等重點(diǎn)難點(diǎn)問題，在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃科技冬奧專項(xiàng)的支持下，開展了理論研究、仿真模擬、試驗(yàn)分析、樣板測試、系統(tǒng)研發(fā)、示范應(yīng)用等，通過提高預(yù)制裝配率、優(yōu)化施工方案、提升機(jī)械化率、合理安排工期等方式方法充分體現(xiàn)“冬奧質(zhì)量”和“冬奧速度”[3]，實(shí)現(xiàn)了國家速滑館的高效高精度的建造，支撐國家速滑館的全生命期安全、穩(wěn)定、精細(xì)地運(yùn)行。

2 管理機(jī)制

秉承“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念，通過質(zhì)量、綠色和科技方面的創(chuàng)新研究，打造了資源友好、環(huán)境適宜的“最快的冰”和“智慧的館”。國家速滑館采用PPP模式進(jìn)行投資、建設(shè)與運(yùn)營，由北京國資公司作為政府出資代表，攜手以北京首開集團(tuán)為牽頭方的聯(lián)合體，匯集北京城建集團(tuán)、北京住總集團(tuán)、華體集團(tuán)等企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)與優(yōu)勢，共同組建了北京國家速滑館經(jīng)營有限責(zé)任公司，廣集眾智，凝心聚力，共同打造“冰絲帶”。

3 超大跨度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)、曲面玻璃幕墻和單元式屋面系統(tǒng)

3.1 高性能索網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系

針對橢圓馬鞍形索網(wǎng)長短軸差異大等技術(shù)難題，首創(chuàng)了單層橢圓馬鞍形索網(wǎng)+環(huán)桁架+幕墻斜拉索結(jié)構(gòu)體系[4]（圖2），相對于網(wǎng)架和桁架結(jié)構(gòu)，本體系可降低建筑高度8～10m，節(jié)省措施費(fèi)約20%、節(jié)省玻璃幕墻2880萬元、節(jié)省工期約3個(gè)月、減少空調(diào)設(shè)備投入400萬元、運(yùn)營能耗負(fù)荷減少5%。研究形成了多重彈性邊界找形方法[5]，實(shí)現(xiàn)固定邊界條件下索網(wǎng)形態(tài)控制與目標(biāo)狀態(tài)完全一致、彈性邊界下整體結(jié)構(gòu)初始態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)一致，零態(tài)誤差＜1mm，初始態(tài)誤差＜5mm。

圖2 結(jié)構(gòu)體系示意圖

3.2 高釩密閉索國產(chǎn)化

為滿足建設(shè)成本和工期要求，項(xiàng)目自主研制建筑用大直徑高釩密閉索，產(chǎn)品性能達(dá)到歐洲標(biāo)準(zhǔn)，并首次應(yīng)用于國家重大建筑工程，打破了國外同類產(chǎn)品壟斷，使密閉索價(jià)格顯著降低，供貨期明顯縮短，促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。同時(shí)，針對國產(chǎn)高釩封閉索的力學(xué)特性、損傷特性以及耐久性等使用性能方面的研究空白，開展了基于同條件試件的使用性能測試（表1），通過現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測和國產(chǎn)高釩封閉索試件力學(xué)測試，獲得了國產(chǎn)建筑用大直徑高釩密閉索的損傷模式、腐蝕機(jī)理及腐蝕規(guī)律。

表1 多種缺陷試件拉伸試件斷口形貌

3.1.3 基于平行施工的智能化安裝

在PPP組織模式基礎(chǔ)上，基于平行施工建造模式研發(fā)了計(jì)算機(jī)控制的大落差馬鞍形環(huán)桁架高低位變軌滑移安裝技術(shù)和超大跨度單層正交索網(wǎng)同步張拉技術(shù)（圖3），主體結(jié)構(gòu)施工工期節(jié)省了2個(gè)月，索夾偏差絕大部分節(jié)點(diǎn)誤差在10mm以內(nèi)，穩(wěn)定索（長軸向）索力偏差全部低于10%，承重索（短軸向）索力偏差低于10%的達(dá)到96%。在北京2022年4月21日陣風(fēng)達(dá)8、9級的情況下，屋面索索力變化最小值和最大值分別為-18.45kN和2.95kN，變化率為-0.62%和-0.19%，屋面索網(wǎng)位移變化最小值和最大值分別為-6mm和9mm，變化量小于規(guī)范的1/250結(jié)構(gòu)跨度規(guī)定。

圖3 基于平行施工的智能化安裝實(shí)景

3.1.4 高工藝曲面玻璃幕墻

承載“冰絲帶”概念的“曲面幕墻”，挑戰(zhàn)了“現(xiàn)有幕墻體系和玻璃的工藝極限”，研發(fā)了單索支承異面網(wǎng)殼曲面幕墻體系[1-2]（圖4），曲面玻璃的半徑為1.5m，曲面板塊的面積僅占47%。針對節(jié)能和安全要求，幕墻采用了半鋼化雙超白雙銀低輻射雙夾膠中空玻璃，由4片8mm厚超白彎弧半鋼化熱浸玻璃夾兩片SGP膠片組成（弧形玻璃和平板玻璃膠片厚度依次為2.28mm和1.52mm）組成，中空層為12mm，內(nèi)填充氬氣，“冰絲帶”則集成了小半徑半圓彎曲、鋼化、夾層膠片和漸變彩釉印刷等工藝制作而成。幕墻設(shè)計(jì)深化、板片加工、單元生產(chǎn)以及現(xiàn)場安裝均采用同一個(gè)三維模型，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、建造全過程的數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)了高標(biāo)準(zhǔn)的曲面玻璃幕墻工藝和性能。

圖4 國家速滑館幕墻系統(tǒng)

3.1.5 單元式屋面板塊系統(tǒng)

屋面索網(wǎng)在正常使用階段，亦會(huì)隨著溫度、風(fēng)荷載等的作用而產(chǎn)生一定的變形，經(jīng)計(jì)算屋面最大變形量達(dá)470mm，為適應(yīng)這一柔性變形，創(chuàng)新性的將金屬屋面隨索網(wǎng)劃分為4m×4m的單元板塊[6]（圖5），并在屋面板塊之間設(shè)置伸縮縫、板塊和索夾之間采用可調(diào)支座，解決了金屬屋面和索網(wǎng)的變形協(xié)調(diào)問題，填補(bǔ)了裝配式模塊化屋面系統(tǒng)的空白。同時(shí)，針對屋面防水采用的高延展性防水EPDM卷材和硅基涂料，開展了專項(xiàng)試驗(yàn)，其延展性（往復(fù)拉伸循環(huán)次數(shù)不小于12，000次）、耐久性、耐老化性、防水性能均能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 國家速滑館單元式屋面系統(tǒng)

4 超大人造冰場CO2跨臨界直冷制冰建造技術(shù)

4.1 大型冰場人工環(huán)境營造

運(yùn)用數(shù)字化+AR技術(shù)系統(tǒng)研究了溫度場、濕度場、氣流組織、空氣質(zhì)量等環(huán)境因素，采用發(fā)射率小于0.3（常規(guī)為0.9）的Low-E涂層膜結(jié)構(gòu)吊頂，熱損失小，針對12，000m2超大冰面場地照明要求，運(yùn)用數(shù)字化與AR技術(shù)對燈具數(shù)量、角度、眩光、照度等進(jìn)行數(shù)字模擬研究（圖6），實(shí)現(xiàn)了眩光限制值19、顯色指數(shù)91、頻閃比小于1%等重要參數(shù)指標(biāo)，滿足了高規(guī)格國際冰上賽事照明和8K 高清視頻轉(zhuǎn)播要求，為實(shí)現(xiàn)“最快的冰”創(chuàng)造了良好的環(huán)境條件。

圖6 國家速滑館場地照明系統(tǒng)

4.2 CO2跨臨界直冷制冰系統(tǒng)建造

國家速滑館放棄了國際慣用的氟利昂制冷劑，選擇采用最先進(jìn)、最環(huán)保、最高效的CO2跨臨界直冷制冰技術(shù)[7]，采用分區(qū)制冷（圖7），精準(zhǔn)溫控，冰面溫差可控制在0.5℃以內(nèi)，遠(yuǎn)低于國際滑聯(lián)的不超過1.5℃要求。為了確保冰面平整度，研發(fā)了基于三維掃描的復(fù)雜環(huán)境下制冰排管形態(tài)高精度檢測技術(shù)[8]和基于慣性導(dǎo)航的地坪超高精度連續(xù)標(biāo)高面快速測量技術(shù)[9-10]，實(shí)現(xiàn)了制冰排管安裝過程快速數(shù)據(jù)獲取處理和對地面平整度的全面測量，提取的排管平行度、翹曲檢測成果精度達(dá)到±2mm，地面平整度精度達(dá)到5m范圍±0.5mm，確保了12，000m2冰板平整度≤3mm，遠(yuǎn)小于國際滑聯(lián)的不大于5mm要求；全程采用了自動(dòng)焊接的施工工藝（圖8），采用了WEL-200全自動(dòng)焊機(jī)，焊接速度100mm/min，全自動(dòng)自熔、打底、填充、蓋面一次成活，120km制冷拔管中11，098道焊口一次合格率達(dá)到99.27%，有效保障了國家速滑館冰面混凝土施工的質(zhì)量和效率；通過對混凝土配合比、不同種類添加劑作用、溫度場、應(yīng)力場分布等進(jìn)行深入研究，研發(fā)了超大平面薄層混凝土抗裂建造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鏡面混凝土效果（圖9），截至目前，經(jīng)4次制冰、3次化冰反復(fù)凍融，未發(fā)現(xiàn)任何裂紋。

圖7 冰面示意圖，根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]繪制

圖8 自動(dòng)焊接

4.3 中外聯(lián)合高水平制冰團(tuán)隊(duì)

由中外18名制冰師組成的制冰團(tuán)隊(duì)（圖10），用時(shí)10天，完成了底板清潔、底冰澆筑、噴漆畫線、分層多次澆冰、冰眼敷設(shè)等全部制冰工序。奧運(yùn)期間，制冰團(tuán)隊(duì)每日測量冰厚和場館溫濕度，根據(jù)運(yùn)動(dòng)員及教練對冰面情況的反饋，酌情增減澆冰水量，修復(fù)冰場平整度，針對特殊情況進(jìn)行冰水混合物人工補(bǔ)冰，確保冰面始終呈現(xiàn)最完美的狀態(tài)。

5 智慧場館集成應(yīng)用

5.1 全生命周期BIM應(yīng)用

在國家速滑館建造中，秉承全生命期BIM應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維全覆蓋（圖11、12），建立了針對智慧場館的竣工BIM模型交付標(biāo)準(zhǔn)。在方案設(shè)計(jì)時(shí)要求建立并提交了BIM模型，在初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，要求建立全專業(yè)BIM模型，并達(dá)到了相應(yīng)的深度；在施工階段，施工方承接設(shè)計(jì)模型，開展深化設(shè)計(jì)、施工應(yīng)用；在運(yùn)維階段，運(yùn)維方承接施工方的竣工模型，在此基礎(chǔ)上開展數(shù)字孿生、定位導(dǎo)航等方面運(yùn)維研究工作。此外，針對大型體育場館模型復(fù)雜問題，通過渲染優(yōu)化、模型結(jié)構(gòu)化解析和整合、多層次輕量化處理等實(shí)現(xiàn)了大型場館BIM模型輕量化，模型數(shù)據(jù)量壓縮達(dá)到54%，為國家速滑館的建設(shè)和運(yùn)維提供了便利。

圖11 設(shè)計(jì)階段BIM模型—方案設(shè)計(jì)模型

圖12 設(shè)計(jì)階段BIM模型—施工圖設(shè)計(jì)模型

5.2 智能化集成管理平臺(tái)研究

基于項(xiàng)目建造BIM模型，搭建了基于物聯(lián)網(wǎng)的國家速滑館智能化集成管理平臺(tái)（圖13），整體為C/S架構(gòu)，服務(wù)端提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問功能，客戶端通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)訪問接口提供數(shù)據(jù)讀取和查詢功能、通過數(shù)據(jù)采集接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入，在智慧場館集成平臺(tái)中，數(shù)據(jù)資源庫主要由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫和對外接口組成。集成管理平臺(tái)數(shù)據(jù)庫刷新頻率為1ms，數(shù)據(jù)點(diǎn)一秒查詢達(dá)50，000點(diǎn)，典型大歷史數(shù)據(jù)壓縮比率達(dá)50:1。截至目前，已接入36個(gè)系統(tǒng)、近100，000點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，實(shí)現(xiàn)了跨系統(tǒng)的功能聯(lián)動(dòng)和場館內(nèi)機(jī)電設(shè)備安全監(jiān)控功能，減少了場館能耗，確保了設(shè)備運(yùn)行安全，提高了場館精細(xì)化運(yùn)營管理能力。

圖13 智能化集成管理平臺(tái)

5.3 天空地一體化CO2濃度測量系統(tǒng)

圍繞冬奧賽事直接溫室氣體排放測量需求，創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了天空地一體化的場館CO2濃度測量系統(tǒng)，研發(fā)的分布式原位測量設(shè)備完成了場館內(nèi)外多點(diǎn)CO2濃度測量（圖14），車載高精度測量設(shè)備完成了場館周邊的CO2濃度測量，基于天基衛(wèi)星數(shù)據(jù)對場館周邊區(qū)域大尺度CO2濃度進(jìn)行測量和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了多尺度高精度CO2濃度測量。在冬奧比賽期間，場館內(nèi)外多點(diǎn)測量精度分別達(dá)到±（50 ppm+5%讀數(shù)值）和±（50 ppm+3%讀數(shù)值），達(dá)到了大型賽事場館內(nèi)外分布式多點(diǎn)CO2濃度實(shí)時(shí)測量的目的。

圖14 測試賽和奧運(yùn)賽時(shí)CO2濃度測量值

5.4 基于云網(wǎng)霧端的VR觀賽

借助冬奧場館的5G基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)為底座，借鑒國外先進(jìn)的智慧化場館理念，基于國內(nèi)比較發(fā)達(dá)的視頻OTT業(yè)務(wù)體驗(yàn)，在國內(nèi)首次創(chuàng)新提出了“云—網(wǎng)—霧—端”（“云—館—端”）的智慧場館架構(gòu)（圖15），利用場館下沉的UPF實(shí)現(xiàn)分流滿足業(yè)務(wù)靈活性，將場內(nèi)媒體流本地回傳保證了播放的安全管控和低時(shí)延特性，基于MEC技術(shù)的霧計(jì)算能力提升了低時(shí)延優(yōu)勢，終端側(cè)采用輕量化APP集成，并提供SDK進(jìn)一步增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，經(jīng)多次測試，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場與手機(jī)僅差600ms的低時(shí)延視角定制服務(wù)。

5.5 基于智能芯片的3D AI體感互動(dòng)平臺(tái)

研發(fā)面向場館應(yīng)用的3D AI體感互動(dòng)平臺(tái)（圖16），基于國內(nèi)首創(chuàng)并擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的28nm自研MR芯片IMI2280、三圖（深度圖、彩色圖、紅外圖）融合算法（骨架算法、手勢算法、定向增強(qiáng)和實(shí)時(shí)降噪等），支持低時(shí)延處理1080P 的視頻流，實(shí)現(xiàn)了圖像50FPS高速運(yùn)算和處理，支持高靈活性、高識(shí)別率進(jìn)行遠(yuǎn)近場景切換和人體行為響應(yīng)；基于定向增強(qiáng)和實(shí)時(shí)降噪技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了嘈雜環(huán)境下的定向角色操控。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研發(fā)了體感滑冰/滑雪游戲，無需穿戴體感設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)多方位、多角度、高頻次體驗(yàn)活動(dòng)，經(jīng)過測試，得到了現(xiàn)場大量體驗(yàn)者的良好反饋和肯定。

圖16 3D AI體感互動(dòng)平臺(tái)

6 總結(jié)

作為2022年北京冬奧會(huì)標(biāo)志性場館，國家速滑館堅(jiān)持“綠色、共享、開放、廉潔”的辦奧理念，在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃科技冬奧專項(xiàng)的支持下，研發(fā)了超大跨度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)、曲面玻璃幕墻和單元式柔性屋面系統(tǒng)、超大CO2跨臨界直冷制冰技術(shù)，打造了智慧場館集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了建筑和結(jié)構(gòu)的完美統(tǒng)一，創(chuàng)造了建筑工藝美學(xué)的新高度。在北京冬奧會(huì)期間，國家速滑館共進(jìn)行了14個(gè)小項(xiàng)的比賽，有來自27個(gè)國家和地區(qū)的166名運(yùn)動(dòng)員參賽，13次刷新奧運(yùn)會(huì)紀(jì)錄，其中1次打破世界紀(jì)錄。至此，北京冬奧會(huì)追平2002年鹽湖城冬奧會(huì)（產(chǎn)生10項(xiàng)奧運(yùn)會(huì)紀(jì)錄），并列成為史上誕生速度滑冰奧運(yùn)會(huì)紀(jì)錄最多的一屆冬奧會(huì)。