從“冰絲帶”到“水立方”，從場館結構到制冰方案，從滿足賽事需要到賽后循環利用……2022北京冬奧場館建設處處體現出科技奧運、綠色奧運的理念，也凝聚著中國科技力量。

“冰絲帶”建成超大跨度索網結構

國家速滑館“冰絲帶”由22條晶瑩的絲帶造型曲面玻璃幕墻環繞，遠觀飄逸，近看宏偉。“冰絲帶”的屋蓋結構是超大跨度索網結構，跨度大、面積大、空間大，其建設施工與運維保障背后，中國團隊貢獻了重要的科技力量。

“所謂的索網結構，簡單地說，就是一張由鋼索編織而成的大網。這樣一張大網‘扣’在了國家速滑館的上方，形成一個馬鞍形雙曲面屋頂。”浙江大學建筑工程學院教授羅堯治介紹，“冰絲帶”屋蓋結構由49對承重索和30對穩定索編織而成，長跨198米、短跨124米，“冰絲帶”也是目前世界上跨度最大的單層雙向正交馬鞍形索網屋面體育館。

由于一根索網就有幾噸重，只有通過合理的張拉，才能織成一張網。在索網的施工過程中，采取了“先地面拼裝、再整體提升”的工序，由于場地空間限制，鋪在地面等待張拉的鋼索需要微微拱起。倘若沒有準確的數據支撐，誰也不能輕易下令彎折動輒幾噸的鋼索。

“國家速滑館屋蓋跨度大、鋼索多、內力協調復雜，這要求結構必須實現高精度的建造。”浙江大學建筑工程學院教授鄧華介紹，團隊在浙大打造了一個縮小版的“冰絲帶”模型，模擬索網結構的建造全過程，并驗證結構的設計性能。

浙大團隊基于大量的數值仿真結果和試驗測試數據，在索網的整體提升、張拉控制、施工驗收和預張力監測等方面提出了系統性的方案和建議，為“冰絲帶”大跨度索網屋蓋結構的高精度建造提供了有力的技術支撐。

此外，團隊還通過沙袋等，在張拉好的索網施加荷載。“我們在模型上吊掛不同的荷載來模擬風吹雪打的環境，驗證屋頂的強度和抗形變能力。”鄧華說。

為了更好摸清鋼索狀態，保障施工質量與安全，羅堯治團隊在施工環節就安裝上浙大自主開發的無線傳感器，用以實時監測和力學分析，不僅在建設時發揮作用，在建成后，也依舊為“冰絲帶”測量著“脈搏”與“心跳”。

“拿到數據、傳輸數據、處理數據，是我們開展監測分析的全過程。”浙江大學羅堯治團隊成員、建筑工程學院教授許賢說，團隊對速滑館的應力、位移、加速度、溫度、風壓、索力六大類參數進行監測，測試點數多達千余個。

相較于傳統的剛性屋面結構體系，柔性的索網屋面在滿足結構功能的前提下大大減少了結構的用鋼量，這樣精巧的空間設計為節能環保提供了保障。

“現代空間結構技術水平是一個國家建筑科技水平的重要標志。人們不斷追求更大的建筑空間，也促使我們不斷研究創新，來滿足工程建設的重大需求。”浙江大學建筑工程學院董石麟院士說。

“冰立方”“水立方”雙輪驅動

2022年冬奧會期間，國家游泳中心“水立方”將變身“冰立方”，在泳池上搭建可拆裝的冰壺賽道，承接冰壺比賽項目。

冰壺運動對冰面質量、場地環境及賽場保障有嚴苛的要求。國家游泳中心聯合哈爾濱工業大學等組建科研團隊，按照“水冰轉換，雙輪驅動”的策略，開展了結構、溫度、濕度、照明、聲學等方面的攻關和改造，實現了“冰場-泳池”復合型“雙奧場館”。

“最快可以10至20天完成裝配式冰場結構的安裝。”2015年以來，經過6年多的科研攻關與現場測試，哈爾濱工業大學土木工程學院教授張文元團隊創造性地提出了冰水轉換賽場的結構方案、設計詳圖、性能指標和評價體系。

張文元介紹，“水立方”變身“冰立方”分為“三步走”：首先是設計結構方案，實現在游泳池里“蓋房子”;其次，將設計好的鋼架構快速搭建起來，避免對泳池的損傷;最后，再將冰面快速精細調平。

“冰壺是比較‘嬌氣’的運動，任何微小的振動都會影響冰壺的運行軌跡。”為了保障新結構在比賽中的可靠性，哈爾濱工業大學土木工程學院副教授丁勇帶領團隊設計了結構安全健康監測系統，采用全面感知、智慧控制等手段，實現對冰面影響因素的全過程監控。

這個系統可以實時觀測冰面結構的加速度、位移、應變、傾角等詳細情況，并將數據實時傳導到計算機監測系統中，方便第一時間掌握變化情況。

目前，“冰立方”結構自振頻率不低于20赫茲，經過試驗不會影響冰壺的運動，已在2019年全國青少年冰壺公開賽等多項賽事中成功應用。

張文元說，依托國家重點研發計劃“科技冬奧”專項課題，團隊已獲得國家發明和實用新型專利14項，發表相關論文10余篇。

冰在陽光照射下容易融化，因此“水立方”半透明式的房頂，需要拉上一層可移動的窗簾。哈爾濱工業大學建筑學院教授陸詩亮說，為了找到合適的材料，團隊反復模擬、實地試驗，最終選擇一種厚約0.26毫米的膜材材料，能夠有效將游泳館的高溫高濕環境變成冰壺場的低溫低濕環境，并降低熱輻射對制冰系統運轉的負荷。

值得一提的是，這層膜并非一張平整的大網，而是由幾百塊“小窗戶”組成的。“‘水立方’的外觀是水泡形結構的，設計時就臨摹出每個水泡，給每塊水泡的膜裝上小邊框，再完好地覆蓋在上面，既美觀，又精準。”陸詩亮說。

未來，國家游泳中心既可以舉辦國際級別的游泳賽事，也能夠舉辦大型冰上賽事，還可以舉辦多種大眾冰水娛樂活動，真正實現了“水立方”“冰立方”雙輪驅動。

制冰方案更環保

經過一系列測試活動、測試賽，北京2022年冬奧會冰上場館的優質冰面受到國內外各項目選手們的好評。此外，北京冬奧會的7座冰上場館的冰面，還具有環保、環境可持續性的特點，制冰方案從設計到執行，“綠色辦奧”的理念貫穿始終。

據了解，北京2022年冬奧會新建、改建了7座冰上場館、共9塊冰面，均使用了環保型制冷系統和制冷劑，其中5塊冰面使用了二氧化碳(R744)跨臨界直接制冷系統，4塊冰面使用了R449A制冷劑。

在冰上場館制冰方案的設計之初，原計劃采用R507制冷劑，該制冷劑在當前全球范圍內普遍使用，符合《蒙特利爾議定書》對發展中國家的要求，但其GWP值(全球變暖潛能值)為3985，相對較高。

為使北京冬奧會的場館更具有環保、可持續性，在國際奧委會和國際專家的支持下，北京冬奧會積極研究制冷劑的國際發展趨勢和當前實用技術，與國內外制冷行業知名專家多次會商討論，確認了兩種制冷系統可以選擇：一是二氧化碳跨臨界直接制冷系統，適合常年制冰的場館，如國家速滑館等;二是傳統制冷系統，適合不需要常年制冰的場館，如水立方、國家體育館等。

北京大學教授、國際天然工質研究領域知名專家張信榮認為，二氧化碳跨臨界直接制冷系統具有安全性高、能耗和運行成本低、環境友好等優點，且全部熱量可回收利用，是冰上場館能源系統中最有前景的工質之一，可使場館能源系統冷熱一體化高效運行，在全球范圍內都具有廣闊的應用前景。

國家速滑館制冰技術方案有十多位院士、國內行業協會頂尖專家、建設代表進行反復論證，在與北京冬奧組委、國際奧委會制冰專家的討論中，二氧化碳跨臨界直冷制冰技術被提出。

“國際單項體育組織專家曾說，國家速滑館使用國際慣用的環保制冰技術就能達到冬奧比賽標準。但經過18個月摸索，中方團隊把歷屆冬奧會速滑館制冷系統資料翻了個遍，對世界所有制冷劑優劣特點逐一分析，最終拿出了更先進的制冰技術。”參與國家速滑館建設的工程師宋家峰說。

在創新的背后，環保考量是最重要的因素。據宋家峰介紹，北京冬奧會之前，在全世界范圍內，從未在大型冰上場館中使用過二氧化碳跨臨界直接制冷系統。二氧化碳制冷劑ODP(破壞臭氧層潛能值)為0，GWP(全球變暖潛能值)僅為1，使用相同數量的傳統制冷劑的碳排放量，是二氧化碳制冷劑的3985倍。二氧化碳制冷產生的余熱回收后，可以提供70攝氏度熱水用于生活熱水和除濕再生等用途。相比傳統制冷方式，國家速滑館采用二氧化碳制冰能效提升30%、一年可節省約200萬度電。

在傳統制冷劑選擇方面，當前國際相關組織，如美國空調制冷學會(AHRI)，確定了現階段全球范圍內普遍使用的R507所對應的替代制冷劑可為R449A，R449A的GWP值為1282，較R507降低了68%。

北京國家游泳中心、國家體育館和五棵松體育中心均為2008年夏季奧運會的主場館，并將在北京冬奧會承辦冰壺和冰球比賽。為響應“綠色、共享、開放、廉潔”的理念，三場館在對設備供應商、設計工程師和服務提供商進行調研后，選擇了R449A制冷劑。

制冷行業內專家說：“采用R449A制冷劑，是在不影響系統性能和經濟可持續性的前提下，采取積極措施向環境可持續發展目標邁進的例證。”

國際奧委會一直十分支持北京冬奧會場館建設的環保選擇，相關官員表示，北京冬奧會冰上場館采用了節能型制冷系統、環保型制冷劑，積極推動了國際奧委會的可持續發展戰略。其中二氧化碳制冷系統的使用，率先為世界做出了環保和可持續的示范，R449A制冷劑的選擇，將使得北京冬奧會成為冬奧會歷史上冰上場館制冷劑GWP值最低的一屆冬奧會。

(記者 朱涵 楊思琪 趙建通)

關鍵詞： 冰絲帶 水立方 冬奧場館 凝聚 中國科技力量