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科技專家合力 冬奧場館由“水立方”變“冰立方”
發(fā)布時間:2021-01-05 10:50:00

  由水到冰,,水立方“變形記”

  剛剛過去的元旦,,對于所有為冬奧場館奔忙的人來說是個大日子:北京冬奧會全部競賽場館于2020年12月31日前全面完工,。

  國家游泳中心(水立方)是第一個實現(xiàn)完工改造的場館,,也是世界上首次采用智能化技術(shù)建立泳池轉(zhuǎn)換冰場?,F(xiàn)在,,它有了一個新名字——“冰立方”,。

  時間回到2015年7月31日,,2022年冬季奧運會主辦權(quán)花落北京,。按規(guī)劃,水立方將變身“冰立方”,,承接冰壺比賽——在全中國最有名的場館,、晶瑩剔透的藍色膜結(jié)構(gòu)里,招待全球來客,,一切似乎完美,。

  沒想到,這個先入為主的決定讓水立方的命運陷入兩難之境:冬奧會冰壺比賽歷來都是在混凝土結(jié)構(gòu)上凍冰,,如果要在水立方舉辦,,只能徹底放棄原有功能,在泳池中澆筑混凝土,。

  如此一來,,水立方將不再有“水”。

  一邊是國人有特殊情結(jié)的重要的奧運遺產(chǎn)之一,是創(chuàng)造過24項世界紀錄的“全世界最快的泳池”,;一邊是冰壺場地的嚴苛標準、國際奧委會的嚴格把關(guān)和“科技冬奧,、綠色冬奧”的莊重承諾,。

  水還是冰,夏還是冬——這道二選一的艱難命題,,橫在冬奧團隊面前,。

  水立方何去何從?

  “沒了水就沒了魂”

  舍棄泳池,,北京國資公司所屬國家游泳中心總經(jīng)理楊奇勇是最不能接受的,。

  2004年起,他開始在水立方工作,。彼時的水立方還是一片空地,,這座日后位于中軸線西側(cè)的“藍色地標”還停留在剛剛贏下場館設(shè)計方案的圖紙上。從一名現(xiàn)場工程師開始,,楊奇勇親歷了場館的拔地而起,,2008年的奧運盛事,其后數(shù)千個日夜的場館運營,,無數(shù)人慕名而來,。迄今為止,水立方已經(jīng)接待了2700萬名游客,,舉辦了超過1600場活動,。

  加入冬奧申辦行列,這座場館獨特的氣質(zhì)和影響力得到國際冬奧會和國際冰壺組織的一致喜愛,?!吧贽k小組問我們辦冰壺比賽行不行,我們在網(wǎng)上看了錄像,,感覺和冰球,、速滑比,冰壺沒有太大的運動幅度,,應該比較輕松,。”楊奇勇回憶說,。

  現(xiàn)實卻大相徑庭,。確定承接后,大家才意識到原來冰壺比賽是塊極其難啃的“硬骨頭”,,對場地的技術(shù)要求極高,,需要穩(wěn)固的混凝土基層。

  這也是國際冰壺組織的明確要求。2015年底,,國際冰壺組織第一次派人來水立方考察,,就提出在泳池中澆筑混凝土的要求。

  一旦澆筑,,泳池即遭廢棄,,這意味著放棄水立方的夏季奧運功能。

  在設(shè)計總負責人,、北京市建筑設(shè)計研究院副總建筑師鄭方的講述里,,種種不舍具體可感。

  “郭晶晶等人就是在那里拿的金牌,?!彼种赶蜻h處的十米跳臺,“中國跳水‘夢之隊’包攬了除男子10米臺的全部金牌,?!?/p>

  水池的榮耀恍如昨天?!?008年,,運動員們在這個游泳池里24次刷新21項世界紀錄。菲爾普斯一人獨得8塊金牌,?!币暰€轉(zhuǎn)向另一邊,“那邊還有個嬉水樂園,,小朋友都特別喜歡,,館里甚至還有嬰兒游泳池?!?/p>

  “水是這座建筑的靈魂,,”鄭方反復講,“它所有的設(shè)計都跟水有關(guān),。大家來到這里,,就是為了游泳、玩水,。你看上面屋頂?shù)臍馀?,多邊形氣枕就像水分子一樣包裹著這個房子的鋼結(jié)構(gòu)。里里外外,、從結(jié)構(gòu)到功能,,這里都與水有關(guān)。失去水,,這個房子就沒有靈魂了,?!?/p>

  十年來,國際游泳和跳水比賽每年如期上演,,“觀眾到點兒就來,,電視上就播?!睏钇嬗抡f,。

  除了“情感上很難接受”,他手里還有一本實在的“經(jīng)濟賬”:靠著夏季奧運會的光環(huán)和拉動,,以及人們對奧運遺產(chǎn)的愛護,水立方的旅游收入達到總收入的三分之一,,這個比例在國內(nèi)首屈一指,。一旦賽道被破壞性拆除,后臺千萬級投資的設(shè)備機器將被棄用,,代價巨大,。

  不想澆筑混凝土,也別無他法,?;I備時間在大家的不甘和矛盾中嘩嘩流過。

  楊奇勇知道,,不能等“死”,,要救游泳池!

  2016年初,,矛盾已經(jīng)箭在弦上,。兩位并肩作戰(zhàn)多年的老友在泳池邊徘徊。其間,,一個大膽的想法閃現(xiàn):能不能夏天游泳,,冬天滑冰,把水立方變成“兩棲”的,?

  “水冰轉(zhuǎn)換”,,這個奧運歷史上前所未有的做法帶來破局的希望。

  “難搞”的冰

  顧名思義,,“水冰轉(zhuǎn)換”就是在保留水上功能的基礎(chǔ)上,,新增冰上功能,實現(xiàn)水立方與“冰立方”的互換,。

  這不是天外飛仙的想法,。憑借多年建筑工程經(jīng)驗,結(jié)構(gòu)工程師楊奇勇對在泳池里鋪設(shè)可拆卸的穩(wěn)定支撐結(jié)構(gòu)有把握,。

  但往上到了冰面,,就沒什么底氣了。

  在那之前,全世界只有一個日本的游泳館曾在上世紀90年代在泳池上鋪設(shè)簡易冰面,,供人滑冰娛樂,,但消遣性質(zhì)的普通滑冰和奧運級別的冰壺比賽,改造難度如云泥之別,。更令人灰心的是,,當時國內(nèi)對冰面性能的研究還是空白。

  冰壺比賽的“冰”大有講究,。

  如果你曾經(jīng)摸過賽道,,會詫異于那并不是一片平整光滑的冰面,而是散布著無數(shù)細小的顆粒,,大小不一且不均勻,,合起來約占冰場一半面積。冰壺在密布冰點的“鵝卵石路”上快速滑行,。

  長45米,,寬4.75米,整個厚度在4到5厘米的冰層其實就像一塊“切糕”,,制冰師要按照順序依次鋪設(shè)每一層構(gòu)造,。從底層冰到制冷管線,再到比賽冰面,,每次制冰,,國際頂級制冰師通常要花費約10個工作日,用細水管把經(jīng)處理的純水幾十上百次地澆上去,,精細平整,,噴灑水霧,形成冰點,。

  冰壺賽道也不是一個永恒不變的水平冰面,,隨著冰壺在賽道上不斷滑動、制冰師的反復修冰,,甚至室內(nèi)環(huán)境的些許變化,,賽道表面發(fā)生著微妙的改變。

  用鄭方的話說,,冰非?!懊舾小薄?/p>

  冰壺比賽要求場館濕度在30%以下,,冰面溫度約在零下8攝氏度,,冰面以上1米空氣溫度在10攝氏度,館內(nèi)溫度在16攝氏度以內(nèi),,這些數(shù)據(jù)會直接影響冰壺與冰的摩擦系數(shù),。冰壺館里布滿燈光,、攝像機,還坐著數(shù)量不等的觀眾,,他們產(chǎn)生大量熱量,,給冰帶來種種影響??傊?,空氣溫度、濕度,,氣流場的分布等時刻影響著賽道的品質(zhì),。

  因此,要在水立方辦冰壺比賽,,不僅是“凍出標準冰”,,場館內(nèi)的溫度、濕度,、通風、節(jié)能等都面臨全面改造,。

  “前途未卜”的中國方案

  2016年4月,,國際冰壺聯(lián)合會在瑞士巴塞爾舉辦男子冰壺世界錦標賽,邀請楊奇勇和鄭方去看看比賽,,學習經(jīng)驗,。楊奇勇知道,“短兵相接”的時候到了,。他們帶上水立方“水冰轉(zhuǎn)換”的方案去了巴塞爾,。

  一進門,還沒提交方案,,世界冰壺聯(lián)合會的技術(shù)代表先給出一頁紙,,上書29條技術(shù)標準。那是楊奇勇和鄭方第一次見到冰壺世界通用標準,,也是第一次體會到形勢之嚴峻:對照來看,,水立方幾乎一條也不滿足。

  第五條甚至明確寫著:世界冰壺聯(lián)合會傾向使用混凝土基層,,其他方案應征求同意,。

  混凝土基層常規(guī)而穩(wěn)妥?!八D(zhuǎn)換”方案則設(shè)想在原來的泳池賽道里,,通過搭建可轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、安裝可拆裝制冰系統(tǒng),,形成標準冰壺場地,。冬天一過,,構(gòu)造移除,回歸泳池,。

  誰也不知道這個體育場館創(chuàng)新利用的“中國方案”,,前路如何。

  “只能進,,不能退,,沒有別的選擇?!睏钇嬗逻@樣描述當時的心情,,“我們表態(tài)拒絕現(xiàn)澆混凝土方案,希望給機會做水冰轉(zhuǎn)換的實驗,。如果不能滿足全部標準,,就無條件服從?!?/p>

  軍令狀遞出,,水立方暫時“躲過一劫”。

  “冰水兩重天”

  作為2008年北京奧運主要的水上項目比賽場館,,水立方總建筑面積6.5萬至8萬平方米,,地下部分的建筑面積不少于15000平方米,內(nèi)設(shè)多個游泳池,、跳臺,,還有占據(jù)一半面積的嬉水樂園。

  從高溫高濕的泳池環(huán)境,,到低溫,、干燥的冰場環(huán)境,可謂“冰水兩重天”,,改造技術(shù)難度和工程復雜度遠超設(shè)想,。

  搭建轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是改造的首要難題,講究的是快,、穩(wěn)和高精度,。

  冰壺比賽對冰面平整度要求極高,每平方米在承受150公斤重量的情況下,,冰面變形不能超過1毫米,,據(jù)助理制冰師張金泉介紹:“我們研發(fā)定制可拆裝的鋼結(jié)構(gòu)作為冰下主體結(jié)構(gòu),為冰壺賽道提供牢固的結(jié)構(gòu)支撐,?!?/p>

  賽道最下面是鋼結(jié)構(gòu)支撐體系,然后,,依次是10厘米輕制混凝土預制板和兩層各5厘米的保溫層,,接下來又是PE防潮隔離層及無紡布層,,在7厘米的制冰排管及蜂窩支架之上,才是運動員接觸到的真正冰層,。

  作為最終冰面的基礎(chǔ),,混凝土板塊兩米之內(nèi)高差不能大于3毫米,全場高差不能大于6毫米,,這是拼裝結(jié)構(gòu)安裝誤差的極限,。

  改造中,很多原來引以為傲的設(shè)計,,此刻都成了待解的難題,。比如醒目的“藍色泡泡外墻”。

  水立方的藍色膜結(jié)構(gòu)形體輕盈,、透光性強,,但對于“嬌氣”的冰面來說,從早到晚的陽光并不友好,。據(jù)高級技術(shù)經(jīng)理時玉橋介紹,,他們在膜結(jié)構(gòu)下覆了一層PVC膜,給水立方“拉上了窗簾”,,避免了陽光照射對冰的影響,。等到水立方切換到“夏季模式”,這層黑膜還可以移除,。

  冰壺被稱為“咆哮的運動”,冰壺運動員比賽不帶擴音設(shè)備,,全靠喊,,對于場館的聲音環(huán)境要求很高,為此,,團隊已經(jīng)進行5次模擬噪聲實驗,,以求達到1.8秒混響效果。

  科技專家合力破“冰”

  2019年,,科技部聯(lián)合北京市,、河北省及北京冬奧組委,會同教育部,、工信部,、國家體育總局等部門成立“科技冬奧”領(lǐng)導小組,統(tǒng)籌設(shè)計科技冬奧重點任務(wù),,為北京冬奧會和冬殘奧會提供科技支撐,。

  清華大學、哈爾濱工業(yè)大學,、同濟大學,、中建一局,、商湯科技等,以及志愿加入的東北農(nóng)業(yè)大學在內(nèi)的國內(nèi)頂尖科研力量集結(jié)起來,,在科技部部署下,,致力于在冰的內(nèi)部性能和外部影響研究上尋求突破。

  他們中,,有人本身研究極地冰川,,有人研究海洋冰對鉆井平臺的影響,有人專攻熱—力學,、研究低溫空調(diào),,都屬運動冰研究的“擦邊球”。

  某種程度上,,他們在為國內(nèi)運動冰研究“開山辟路”,。

  在楊奇勇看來,這固然是出于場館建設(shè)需要,,卻延伸出更悠遠的價值,。

  冰壺運動作為舶來品,最初是在奧運爭光戰(zhàn)略下,,因其較適合亞洲人參與,,為了擴大中國冰雪項目的奪金面而引進的。十幾年來,,高潮有之,,平谷更多。由于國內(nèi)并沒有對冰進行過系統(tǒng)研究,,也就沒有人給運動員提供基礎(chǔ)而必要的冰面信息,。在世界頂級比賽中,冰面的微妙變化將影響關(guān)鍵時刻戰(zhàn)術(shù)選擇,,而中國運動員在“讀冰”方面能力薄弱,。

  相比而言,老牌強隊積累了很多歷史經(jīng)驗,,能通過讀取冰面做出更好判斷,。國內(nèi)運動員卻因為研究信息的匱乏望塵莫及。

  通過對冰研究的拓荒,,一方面解決標準不齊,、冰面不完美的問題,一方面也可以積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗,?!叭绻\動員可以知道一場比賽打到第五局時冰面可能發(fā)生了什么變化,他一定可以在腦中龐大的計算體系中選擇一個更優(yōu)的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù),?!睏钇嬗抡f,,“我們下了巨大的功夫做研究,轉(zhuǎn)身把數(shù)據(jù)給他們,,就成了競賽的‘幫手’,。”

  此外,,高水平制冰師這個國內(nèi)鮮見的職業(yè)也能在這個過程中成長起來,,為中國未來的制冰工作提供“工作范本”。

  用“智慧大腦”指揮轉(zhuǎn)換

  2019年底,,水立方第一次圓滿完成“水冰轉(zhuǎn)換”,,耗時近60天。2020年12月,,第二次“水冰轉(zhuǎn)換”的結(jié)構(gòu)搭建順利完成,,僅用十幾天,達到“科技冬奧”重點專項的既定目標,。

  大大加速的“水變冰”背后,,是智能化改造的加持。

  據(jù)了解,,第二次轉(zhuǎn)換搭建了由2600根薄壁H形鋼和1570塊輕質(zhì)混凝土預制板組成的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),,每根(塊)鋼梁和混凝土預制板都有自己的“數(shù)字身份”,在轉(zhuǎn)換施工中,,可以精準高效地將每個構(gòu)件復位,。在施工過程中,通過運動捕捉技術(shù)與施工測量技術(shù)相結(jié)合,,極大提高了安裝精度,。

  “冰壺賽道對平整度要求極高。去年給混凝土板調(diào)平時,,工人每調(diào)平1塊板,就涉及周邊8塊板,,測量非常耗時?,F(xiàn)在配備10臺高精度傳感儀實時反映高差變化,調(diào)平一次性到位,?!睏钇嬗抡f,這項技術(shù)還會更成熟,,“水冰轉(zhuǎn)換”還能提效,。

  傳統(tǒng)場館變“聰明”

  變化不只發(fā)生在泳池內(nèi),水立方轉(zhuǎn)成冰立方,,傳統(tǒng)場館也轉(zhuǎn)成一座真正意義上的智能場館,。

  楊奇勇說,,“水冰轉(zhuǎn)換”要求場館后臺機器設(shè)備、控制系統(tǒng)都有能力隨場館功能需求轉(zhuǎn)換,,期間還要承辦商業(yè)活動,。這給場館設(shè)備智能化水平,甚至物業(yè)管理水平帶來巨大挑戰(zhàn),。

  為保障“冰立方”的室內(nèi)環(huán)境條件符合冰壺比賽的要求,,場館設(shè)置了由4000多個傳感器領(lǐng)銜的樓宇設(shè)備管理系統(tǒng),可以監(jiān)測和控制場館內(nèi)的溫度,、濕度,、PM2.5濃度等的變化。在這套系統(tǒng)的精準調(diào)控下,,冰壺賽道冰面溫度達到零下8.5攝氏度的要求,,冰面上1.5米高處溫度始終保持在10攝氏度,看臺觀眾區(qū)溫度則恒定在16至18攝氏度,,真正做到“同室不同天”,。

  在環(huán)繞冰場的觀眾臺下方,可以看到直徑1米的藍色長條“布袋”,。這種“布風管”是一個除濕送風系統(tǒng),,除濕系統(tǒng)處理完的低溫低濕空氣經(jīng)過它,被均勻地吹送到場地上空,。

  場館的地下,,藏著一間60平方米的控制室,墻上大屏就是水立方智能建筑運維管理平臺,,實時顯示制冰系統(tǒng),、除濕系統(tǒng)、能源系統(tǒng),、票務(wù)系統(tǒng)等的運行情況,,對場館各設(shè)備系統(tǒng)實行智能調(diào)控??梢暬哪茉垂芸剡€能有效控制場館能耗和碳排放,。

  時玉橋說,等到冬奧會時,,觀眾還可以通過人臉識別出入場館,,通過新設(shè)的四塊智能導覽屏順暢穿行。

  “我們不是在賭博”

  回想“異想天開”的方案,、攻堅克難的試驗,,到第一次試驗成功時“策略基本得到認可”,再到達到冬奧標準“運動員沒有投訴”?!拔覀儾皇窃谫€博,。”一路走來,,楊奇勇說,,“‘水冰轉(zhuǎn)換’從暢想到現(xiàn)實,離不開中國科技力量的支持?,F(xiàn)在看,,我們不僅完成了曾經(jīng)‘不可能完成’的任務(wù),以后還會更精彩,?!?/p>

  2020年11月27日,水立方冰壺場館改造工程順利通過完工驗收,。完成第二次“水冰轉(zhuǎn)換”的冰壺場地正在面向公眾開放,,同時繼續(xù)檢測和調(diào)試場館冰面及機電系統(tǒng)的運行狀況。

  在鄭方看來,,如果說2008年我們通過“設(shè)計場館”展示科技創(chuàng)新成果,,那么2022年,我們用“改造場館”,,續(xù)寫這段科技創(chuàng)新的中國故事,。

  他還記得,2018年9月,,國際奧委會副主席,、北京冬奧會協(xié)調(diào)委員會主席小薩馬蘭奇來水立方,他們以動畫的形式現(xiàn)場演示了水立方變身“冰立方”的轉(zhuǎn)換過程,,小薩馬蘭奇看后很欣喜,,他說“北京正在用一個充滿智慧的方式舉辦奧運會”。

  如今,,他們兌現(xiàn)了承諾,。

  2022年2月,將有最多4600名觀眾坐在“冰立方”,,在冰壺劃過的優(yōu)美曲線里,,延續(xù)2008年盛夏,水立方的榮光,。

  來源:中國新聞網(wǎng)

千島湖新聞網(wǎng) 責任編輯:姜智榮

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