最快的冰是如何煉成的：來自國(guó)家速滑館秘密武器

國(guó)家速滑館又被稱為“冰絲帶”，是北京 2022冬奧會(huì)新建標(biāo)志性場(chǎng)館。冰絲帶建筑面積約8萬平方米，能容納約1.2萬名觀眾。冬奧會(huì)期間，國(guó)家速滑館承辦全部速度滑冰比賽，14塊金牌在此誕生。冬奧后，該館向公眾開放，成為能夠舉辦短道速滑、花滑、冰球、冰壺等冰上賽事及大眾冰上活動(dòng)的多功能場(chǎng)館。

國(guó)家速滑館

智慧與環(huán)保：飄逸的“冰絲帶”

國(guó)家速滑館是北京2022年冬奧會(huì)的標(biāo)志性建筑，其場(chǎng)館施工從2018年1月持續(xù)到2020年12月，擁有亞洲最大的全冰面設(shè)計(jì)，冰面面積達(dá)到了1.2萬平方米。在冬奧會(huì)期間，國(guó)家速滑館將承擔(dān)速度滑冰項(xiàng)目的比賽和訓(xùn)練。冬奧會(huì)后，該館成為能夠舉辦滑冰、冰球等國(guó)際賽事及大眾進(jìn)行冰上活動(dòng)的多功能場(chǎng)館。

國(guó)家速滑館因其造型設(shè)計(jì)又被稱為“冰絲帶”，其設(shè)計(jì)理念來自一個(gè)冰和速度結(jié)合的創(chuàng)意，22條絲帶就像運(yùn)動(dòng)員滑過的痕跡，象征速度和激情。在自然界中，冰的感覺透明、寒冷而且堅(jiān)硬，但是在特定的氣候條件下，冰會(huì)由縫隙的毛細(xì)作用而呈現(xiàn)絲帶一樣的形態(tài)。建筑設(shè)計(jì)具有剛?cè)岵?jì)的力量：水成為立方，冰也可以成為絲帶。冰和速度結(jié)合，立面的設(shè)計(jì)概念稱為“冰絲帶”，呈現(xiàn)動(dòng)感、輕盈、透明的建筑效果。

冰絲帶從最初的設(shè)計(jì)概念就一直遵循可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保策略，這包括了三種不同方面的目標(biāo)。一是建立集約的冰場(chǎng)空間以控制建筑體積，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。二是采用高性能的鋼索結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)屋面、幕墻體系等以節(jié)約用材。三是使用可再生能源，降低溫室氣體排放等。

這些目標(biāo)由數(shù)字幾何建構(gòu)、超大跨度索網(wǎng)找形與模擬、自由曲面幕墻擬合、金屬單元柔性屋面等創(chuàng)新技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)動(dòng)感輕盈的建筑效果、輕質(zhì)高效的結(jié)構(gòu)體系和綠色節(jié)能技術(shù)的統(tǒng)一，建立面向可持續(xù)的冰上場(chǎng)館技術(shù)與設(shè)計(jì)體系。從數(shù)字模型開始，三維信息便持續(xù)貫穿于設(shè)計(jì)計(jì)算、工藝構(gòu)造、模擬實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)制造、現(xiàn)場(chǎng)安裝、健康監(jiān)測(cè)和運(yùn)行維護(hù)等全過程。

南北跨度約****200米，鋼結(jié)構(gòu)體系強(qiáng)力支撐

結(jié)構(gòu)體系是一座建筑的命脈，是整個(gè)項(xiàng)目功能呈現(xiàn)和依托的基礎(chǔ)。

國(guó)家速滑館主場(chǎng)館地上部分建筑高度為17~ 32m，平面尺寸為 178m × 240m。地下室、看臺(tái)及支承屋頂部分為混凝土結(jié)構(gòu)，屋頂和周邊幕墻為鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)部分由馬鞍形索網(wǎng)、環(huán)桁架、斜拉索及幕墻網(wǎng)殼組成。

鋼結(jié)構(gòu)模型分解圖（左）與典型剖面圖（右）

屋面采用雙曲面馬鞍形單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由 98 根東西向排列的承重索和 60 根南北向排列的穩(wěn)定索組成，南北長(zhǎng)跨約200米，東西短跨約130米，是目前世界上規(guī)模最大的單層雙向正交馬鞍形索網(wǎng)屋面體育館。屋面索網(wǎng)總質(zhì)量為 581t，在承載力不變的情況下，索網(wǎng)整體用鋼量只相當(dāng)于傳統(tǒng)鋼屋面的 1 /4，大大節(jié)約了鋼材，不僅節(jié)省空間，而且降低了能耗。

這張索網(wǎng)就像是有一個(gè)巨大的羽毛球拍‘繃’在了場(chǎng)館的上方，由于索網(wǎng)屋面的空間形態(tài)非常復(fù)雜，張拉以后每一個(gè)“方格”空間形態(tài)都不一樣，因此填充的每一塊單元體尺寸也不同，都需要通過實(shí)測(cè)得到數(shù)據(jù)后再進(jìn)行加工定制。

在場(chǎng)館內(nèi)部，這張巨大的“天幕”已經(jīng)被數(shù)條無縫銜接的白色鏡面吸聲膜覆蓋起來。這層膜也是特殊材料制成的，能起到節(jié)能降耗和吸聲反射的作用。另外，它把屋頂?shù)墓芫€機(jī)電等遮擋封閉起來，也使得速滑館更美觀。

國(guó)家速滑館巨大的索網(wǎng)屋面已被白色鏡面吸聲膜覆蓋

設(shè)計(jì)師在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)時(shí)，也建立了國(guó)家速滑館屋頂復(fù)雜索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的形態(tài)分析原則，能夠考慮彈性邊界和幕墻索的影響，實(shí)現(xiàn)屋頂索網(wǎng)初始態(tài)和零狀態(tài)與建筑幾何一致，并使環(huán)桁架水平變形小、構(gòu)件內(nèi)力均勻。

施工張拉過程中，環(huán)桁架支座先滑動(dòng)再固定的安裝工序，可以減小環(huán)桁架傳遞給混凝土柱頂水平力和下部構(gòu)件尺寸。

通過采用“先分再合、先主要再全面、線性和非線性結(jié)合”的方式，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)，可以全面考慮復(fù)雜結(jié)構(gòu)關(guān)系和多耦合因素，提高結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性，并節(jié)約設(shè)計(jì)周期。

制造最快的冰，排放最少的碳

在冰絲帶采用的所有技術(shù)中，制冰技術(shù)絕對(duì)是首屈一指的存在。它采用了二氧化碳跨臨界直冷制冰系統(tǒng)，是全球首個(gè)采用二氧化碳跨臨界直接蒸發(fā)制冷的冬奧速滑場(chǎng)館。

經(jīng)理論分析，采用二氧化碳制冷，有把握實(shí)現(xiàn)冰表面溫差不超過0.5℃。溫差越小，冰面的硬度就越均勻，冰面便越平整，越有利于出成績(jī)，在以0.001秒計(jì)時(shí)的高水平競(jìng)技中，這都是關(guān)鍵性的因素。

二氧化碳現(xiàn)場(chǎng)制冰技術(shù)原理

為打造“最快的冰”，國(guó)家速滑館冰板層施工精益求精，用時(shí)60多天完成制冰鋼管8574道焊口焊接，制出的混凝土冰板層水平高差在4毫米左右，非常平整。而且這樣制冷，相較傳統(tǒng)方式不僅效能提升20%以上，而且制冷非常均勻，不會(huì)出現(xiàn)各個(gè)部位溫度不一樣、冰面硬度不均勻的情況。制冷產(chǎn)生的余熱將用于運(yùn)動(dòng)員生活熱水、融冰池融冰、冰面維護(hù)澆冰等，一年可節(jié)省約200萬度電。

這種制冰技術(shù)使得國(guó)家速滑館的碳排放量接近于零，還配有一套場(chǎng)館智能化能源管理系統(tǒng)，能把制冰產(chǎn)生的廢熱用于除濕、冰面維護(hù)、場(chǎng)館生活熱水等，全冰面模式下每年僅制冷部分就能節(jié)省 200多萬千瓦時(shí)的電；整個(gè)系統(tǒng)的碳減排量，相當(dāng)于近3900輛汽車產(chǎn)生的二氧化碳年排放量，或種植超過120萬棵樹實(shí)現(xiàn)的碳減排量。

場(chǎng)館制冰系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)和冰板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)方案已獲得專利保護(hù)。

動(dòng)態(tài)高精度施工，保障精準(zhǔn)“下料”

預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的施工過程與索網(wǎng)成形形態(tài)及最終受力狀態(tài)直接相關(guān)，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮施工過程對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

施工中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)精密定位安裝

冰絲帶支承鋼結(jié)構(gòu)的混凝土框架柱受到建筑使用功能限制，柱截面尺寸不能太大。施工過程釋放環(huán)桁架支座的水平約束、支座設(shè)置為滑動(dòng)狀態(tài)，利用環(huán)桁架自平衡消化索網(wǎng)張拉及一部分恒荷載產(chǎn)生的水平力，以減小環(huán)桁架傳遞給混凝土柱頂水平力。綜合考慮混凝土框架柱的水平承載力和鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，施工中通過控制支座在整個(gè)施工過程中的滑動(dòng)、鎖定狀態(tài)，來調(diào)整環(huán)桁架與混凝土結(jié)構(gòu)分擔(dān)的水平力，使環(huán)桁架和混凝土結(jié)構(gòu)可以同時(shí)發(fā)揮最大作用。

為了確保冰板制冰效果均勻，施工中為嚴(yán)格控制管道的位置、標(biāo)高以及混凝土的表面平整度。他們引入第三方檢測(cè)團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行管道三維激光掃描及混凝土平整度慣導(dǎo)檢測(cè)，為項(xiàng)目施工提供了極大的校準(zhǔn)考核和保證。最終，17厘米的完整混凝土地面，水平高差控制在 4毫米左右。

國(guó)家速滑館巨大的索網(wǎng)屋面已被白色鏡面吸聲膜覆蓋

國(guó)家速滑館整體采用國(guó)產(chǎn)高釩密閉索，也是首次在大型公共建筑中全部采用國(guó)產(chǎn)高釩封閉索。高釩封閉索具有高耐腐蝕性、防火性、防扭退性、摩擦系數(shù)大的特點(diǎn)。索網(wǎng)隨著拉力變化會(huì)發(fā)生改變，當(dāng)拉力超過一定界限索體會(huì)發(fā)生崩裂。為了在保障索網(wǎng)安全的情況下精準(zhǔn)計(jì)算索網(wǎng)長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)加工，該項(xiàng)目通過計(jì)算機(jī)仿真模擬方法采用按索體最小破斷載荷的 55% 的張力進(jìn)行預(yù)張拉，拉伸2次，每次持荷張拉60min，實(shí)現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下拉索的精確下料。

國(guó)家速滑館的誕生和運(yùn)行是對(duì)冰雪運(yùn)動(dòng)和滑雪行業(yè)的有利促進(jìn)，為世界貢獻(xiàn)了由中國(guó)設(shè)計(jì)、中國(guó)技術(shù)、中國(guó)材料、中國(guó)制造組成的奧運(yùn)場(chǎng)館建設(shè)“中國(guó)方案”，特別是近1.2萬平方米的世界最大采用二氧化碳制冰的速度滑冰場(chǎng)館，在綠色、環(huán)保、可持續(xù)方面為奧運(yùn)會(huì)樹立了新標(biāo)桿。

國(guó)家速滑館在奧運(yùn)會(huì)結(jié)束后建成以冰雪運(yùn)動(dòng)為核心，促進(jìn)全民健身、體育消費(fèi)的城市文體綜合體。相信在不久的將來，這里將成為中國(guó)冰雪運(yùn)動(dòng)的新地標(biāo)。