揭秘冰丝带的“智慧”+“黑科技” 最快的冰不只属于运动员也属于你

来源:北京冬奥组委官网2021年02月08日 14:51

提要:从“鸟巢”到“冰丝带”,建设者两次大踏步地推动行业的发展,而运行人员则见证着越来越快的速度。

1月22日,北京迎来了2021年的第一场雪,新落成的国家速滑馆“冰丝带”披上了一层薄薄的银妆。

这一天,国家速滑馆第一次速度滑冰赛道冰面制成,这意味着,这个备受瞩目的新建奥运场馆在北京冬奥会倒计时一周年之际大声地宣布:我们准备好了!

揭秘冰丝带的“智慧”+“黑科技” 最快的冰不只属于运动员也属于你

设计/刘亮 王烨

01. 第一个场馆纪录:王北星,500米55.99秒

“冰丝带”场馆内,灿烂如银河一般的屋顶灯光,打在蔚蓝色的墙壁和晶莹冰面上,不放过场馆的每一个角落,呈现出空间的“纵深感”,那是一种极有冲击力的视觉体验。

建设者们斗志高昂,为即将到来的冰面首次制成做着最后的准备。偌大的场馆中,一位女运动员在冰面忘我地滑行。走近一看,正是王北星。

世界冠军王北星征战过三届冬奥会,退役后华丽转身,现如今是国家速滑馆的运行团队竞赛主任。场馆第一次全冰面制成,近水楼台的她当然不会放过机会。

“前几天得知可以上冰了之后,我晚上激动得没有睡好。”王北星翻出了自己备战索契冬奥会的比赛专用冰鞋,提早放在了背包里,就等着这一刻的到来。

听着发令枪,王北星用专业的起跑拉开架势。速滑馆的工作人员别出心裁地布置了一个展板:场馆纪录,王北星500米55.99秒。

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速滑前世界冠军王北星

“整体感觉冰面非常顺滑!”王北星对这块冰面赞不绝口,“虽然我并没有拉起速度来,但我也找回了运动员时的激情。希望我的师弟师妹们加油,在这块冰面上创造出自己的巅峰。”

国资公司副总经理、国家速滑馆公司董事长武晓南用“精耕细作、拔地而起、编织天幕、丝带飞舞,最快的冰和智慧的馆”来形容“冰丝带”。现今,冰丝带已经将“最快的冰”成功铺设,预示着场馆已进入冬奥会的最后冲刺阶段,即将迎来测试赛。

02. 励精图治,从概念方案到整体完工

2017年4月25日,“冰丝带”造型第一次亮相。

这一天,原北京市规划和国土资源管理委员会对媒体公开了以“冰丝带”为设计理念的国家速滑馆设计方案。

当时,“冰丝带”的模型已经在奥林匹克中心区下沉广场的奥运工程建设展示馆展出。这个造型一亮相,很多民众就表达了喜爱之意,并认为国家速滑馆会成为北京2022年冬奥会最具标志性的场馆,甚至没有之一。从规划来看,“冰丝带”,将和国家体育场“鸟巢”、国家游泳中心“水立方”遥相呼应。

本着节俭办赛的原则,遵循“绿色、环保、可持续发展”的理念,在2008年奥运会两座临时场馆——曲棍球场和射箭场已到建筑使用寿命后,相关部门决定,充分利用现有的场地资源,在前述两个场馆的建筑用地上,建设国家速滑馆。

建筑外盘旋着22条晶莹的“丝带”状曲面玻璃幕墙。取形于运动员高速滑进时冰刀留下的轨迹,富有动感的造型,象征速度和激情,22这一数字则与2022年相呼应。

按照设计预想,透明管内置彩色光带,变幻不同颜色,与“鸟巢”的红、水立方的蓝相映生辉,体现速度滑冰的动感和绚丽。而这个预想,已经实现。

2018年1月23日,国家速滑馆打下了第一根地桩。经历了三年多,“冰丝带”终于从图纸的模拟形态来到了现实世界中。

03. 两座标志性场馆,行业的两次大步跨越

从设想完美的图纸到真正落地的实物,场馆建设的三年里,到底经历了什么?

在北京北中轴线奥运场馆群,从“鸟巢”到“冰丝带”,大约有4公里。这两点间,北京城建集团总工程师兼国家速滑馆公司副总经理、总工程师李久林“走”了15年。

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国家速滑馆公司总工程师李久林

2003年6月,李久林进入“鸟巢”工作。2018年2月,正式入驻“冰丝带”。由于先后担任两个标志性场馆的总工程师,李久林成为了建筑界大家熟知的“双奥总工”。对此,他的态度是:“我感恩这个时代给予我们如此多的机遇。”

15年,斗转星移,不变的大概就是作为工程师的匠心和百分百投入的承诺。

“冰丝带”的建设、施工难度,如果不是李久林亲自述说,外人怕是极难体会。在建造之前,它被业内称为“世界级建造难题”,同等难度的还有北京大兴国际机场综合航站楼、港珠澳大桥等。

走在场馆中,抚摸着钢结构的高钒密闭索板段,李久林回忆:各个时期的建筑,都有时代背景和特色。“当年的鸟巢,是一个总体量4.2万吨的重型钢铁结构,无论是体量还是建筑形式,都可以称得上是一个非常精彩、经典的建筑。时代到了今天,改为追求绿色、低碳、可持续、智慧。因此速滑馆用一个大跨度,才几百吨重的索网,就可以把一个大型的体育场馆的屋顶给绷起来了。”

通俗地说,就像是把一个“网球拍面”盖在房顶上,作为“骨架”支撑。“冰丝带”的屋面,是目前世界体育场馆中规模最大的单层双向正交马鞍形索网屋面,碗状看台顶部周圈环桁架上的钢索网结构,最大跨度达到198米×124米。

编织索网,核心“零件”是高钒密闭索。这种“零件”国内尚无厂家生产,沿用国外技术,用“拿来主义”,对工程建设者来说,会相对轻松。“冰丝带”项目敲定后,很多欧美厂商主动找上门来“兜售”。

“我们建设的是北京冬奥场馆,更希望能突破技术壁垒,实现核心技术国产化。”以李久林为代表的国家速滑馆建设团队还是选择了一条难的路。

“就像芯片一样,如果不能自主掌握,那么制造和运输成本极高,建设周期也受限于人。”

当年“鸟巢”建设前,同样面临核心材料的选择难题。由于“鸟巢”被设计为重型钢结构,目标使用Q460钢,以往多依赖于进口。通过上百组实验、上万个数据分析研究形成标准,最终生产出新中国第一批建筑用Q460钢,并在“鸟巢”使用后,中央电视台新大楼、北京大兴机场等“后来者”也纷纷选择国产Q460钢。一座“鸟巢”的建设,带动了国家高强钢行业的大跨步发展。

过往的成功经验激励着以李久林为代表的国家速滑馆建设团队。为了严谨论证,将这副“骨架”打造成无懈可击的钢筋铁骨,李久林带领团队针对上万种不同工况进行了计算分析,覆盖这座功能复杂的奥运建筑从建造到使用面临的各种可能情况。同时委托浙江大学空间结构研究中心开展了结构模型试验研究,在实验室里搭建起一座几何相似比为1:12的“迷你骨架”,从施工可行性到受力性能对设计成果进行了全方位验证,确保整个工程设计万无一失。

2018年5月,河北巨力集团建设起国内第一条相关生产流水线;5个月后,第一车成品索到达国家速滑馆施工现场。

李久林一直没有忘记这一天:2018年11月16日。上午9点,国家速滑馆的屋面环桁架开始滑移。32个“机器人”同时发力,将5500吨钢铁“巨龙”从东、西两侧向内侧的主场馆上方平行推移,与南北侧吊装区约3000吨环桁架合为一体。

同期,工人们开始在地面编织天幕。12月28日,“网球拍”在地面组装完毕,开始往屋顶“提升”。“天幕”的提升张拉共进行了3个月。转年2019年1月29日,完成提升;3月19日,完成张拉;4月26日,完成索定。经检测,各项指标参数均在设计范围内,钢筋铁骨“天幕”工程完美收官。

那天傍晚,落日余晖洒在巨大的银色“天幕”上,不少工作人员,都掏出手机拍照,留下了这具有纪念意义的一刻。

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建设当中的冰丝带(新华社记者张晨霖摄)

如今,越来越多国内厂家具备生产高钒密闭索的能力,国产高钒密闭索在“冰丝带”的应用,推动了整个国际市场上高钒密闭索价格水平和供货周期的回落,把行业的发展向前推动了一大步。

2020年5月,国家速滑馆以最高分148.5分荣获“2019年度中国钢结构金奖年度杰出工程”大奖,这是国内钢结构行业的最高奖项,而“天幕”的成功“编织”是其主要加分项。此前获得年度杰出工程大奖的还有北京大兴机场综合航站楼、中国尊大厦等。

以中国工程院院士聂建国为首的12位现场评审专家一致认为,国家速滑馆工程团队完美解决了高性能钢材应用、钢结构滑移、索结构应用等众多技术难题,其建设质量和标准达到国际领先水平。

04. 冰面温度差小于0.5摄氏度意味着什么?

“冰丝带”的外观匠心独具,内在的主体功能——滑冰方面,又有哪些亮点呢?

马进是“冰丝带”的制冰管家,毕业于天津商业大学制冷工程专业。2003年至2004年,马进主持完成大型氨制冷系统技术体系的国产化工作,使国内肉类食品加工行业的制冷系统技术水平与国际接轨,荣获国务院国资委表彰。

十年后,马进的另一项重要研发给“冰丝带”制冰提供了理论基础和实战经验。他主持了冷链行业第一个采用二氧化碳冷排管的大型冷库工程设计,推动大中型二氧化碳制冷系统在国内冷链行业的应用。

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国家速滑馆制冰系统设计负责人马进

2016年马进开始参与北京冬奥会场馆项目的制冷工程方案讨论工作,力主自然冷媒和能量综合利用,2019年初接手北京冬奥会速滑场馆项目的制冷系统设计工作,主持并确定了二氧化碳跨临界制冷系统技术体系在冬奥场馆及国内冰雪运动应用的技术路线。

冰丝带也成为了国内首次提出使用二氧化碳制冰并且确定多功能超大冰面亚临界、跨临界多工况并行二氧化碳直接蒸发制冰集中式制冷系统技术方案的场馆。然而,二氧化碳跨临界制冷系统技术体系的确定过程经历了一波三折:由于二氧化碳制冷技术是正在发展过程中的新技术,业界和学界对此有不同的看法,这个技术方案经过冬奥组委和各方专家多次论证才得以通过。

这项“黑科技”最能打的一点是,它能够相对经济地实现冰面温度差不超过0.5摄氏度。而国际滑联要求的冰面温差,是不超过1.5摄氏度。温差越小,冰面的硬度就越均匀,冰面便越平整,也就越有利于滑行。

接受采访时,马进始终在强调一组数字:“冰丝带”的自然冷媒二氧化碳制冷剂环保性和安全性最佳。其ODP(破坏臭氧层潜能值)为0,GWP(全球变暖潜能值)为1,并且无异味、不可燃、不助燃,是可持续性最好的冷媒之一。与传统制冰制冷系统相比,能够提升能效20%以上。

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二氧化碳制冰优势明显

此外,国家速滑馆还配有一套场馆智能化能源管理系统,能把制冰产生的废热回收利用,用于供暖,除湿,融冰,制备热水以及其他的热能需求。全冰面模式下每年仅制冷部分就能节省200多万度电。为了确保冰板制冰效果均匀,设计团队在观众看不见的冰面之下进行了精心设计。最下面一层是加热层,防止底部土壤因长期结冰而膨胀凸起,影响整个冰面。上面依次为保温层、各功能层、混凝土冰板层、最上面是冰面层,制冷盘管就盘踞在混凝土冰板层内。

混凝土冰板层创造性采用超长不锈钢冷排管。有新技术支撑,制冷管道之间的焊接经过20多名高压双证焊工60多个日日夜夜的不懈努力,8574道焊口全部完成。17厘米的完整混凝土冰板地面,水平高差控制在4毫米左右。

目前,速度滑冰所有的世界纪录都是在加拿大卡尔加里和美国盐湖城的高原冰场上创造的。作为冰面打造者,马进希望2022年各国运动员能在“冰丝带”里创造新的世界纪录,也希望奥运会结束后,所有喜爱冰雪运动的普通老百姓都可以在冰面上嬉戏玩耍。

考虑到赛后场馆利用,满足群众参与不同冰上运动的需求,国家速滑馆1.2万平方米的冰面采用分区制冷方式,做到对每一块冰面实现单独控温,使整个场馆实现“同时运行、不同使用”。

另外,国家速滑馆将通过对气流组织进行精心排布,让观众席和冰面的温度、湿度分区,使观众可以在舒适环境中享受比赛。

05. 最快的冰 智慧的馆

钢搭好了,冰铺成了,剩下的工作接力棒,交到了场馆运营人员的手中。

现在,武晓南又有了新的身份。他被任命为国家速滑馆冬奥会运行团队的主任,将在北京冬奥会期间带领同事们负责速度滑冰比赛的组织运行工作。12年前在鸟巢,武晓南曾亲眼见证了牙买加飞人博尔特的闪电速度。他和马进有一样的期待,2022年的北京冬奥会赛场上,“冰丝带”也能见证更多速度的突破。

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国家速滑馆公司董事长、国家速滑馆运行团队主任武晓南

同时,武晓南一直在思考“智慧的馆”。长期来看,“冰丝带”的归宿是为普通冰雪爱好者服务。他希望大众能够在此体验冰上运动的魅力,团队也会把先进的科研技术应用到为群众服务的工作中去。

“这是一个长期的过程。”武晓南说。

在疫情的大背景下,“智慧的馆”在武晓南的脑海中产生了更多规划。比如,进一步增强智慧售卖水平,提供机器人指引、语言服务,这样观众便能够在减少接触、降低风险的同时,体验到一场充满科技感的奥运会。

(撰文 叶珠峰)

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