從“冰絲帶”到“水立方”，從場館結(jié)構(gòu)到制冰方案，從滿足賽事需要到賽后循環(huán)利用……2022北京冬奧場館建設(shè)處處體現(xiàn)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(wǎng)結(jié)構(gòu)

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(huán)繞，遠(yuǎn)觀飄逸，近看宏偉。“冰絲帶”的屋蓋結(jié)構(gòu)是超大跨度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，跨度大、面積大、空間大，其建設(shè)施工與運維保障背后，中國團(tuán)隊貢獻(xiàn)了重要的科技力量。

“所謂的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，簡單地說，就是一張由鋼索編織而成的大網(wǎng)。這樣一張大網(wǎng)‘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(xué)建筑工程學(xué)院教授羅堯治介紹，“冰絲帶”屋蓋結(jié)構(gòu)由49對承重索和30對穩(wěn)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(wǎng)屋面體育館。

由于一根索網(wǎng)就有幾噸重，只有通過合理的張拉，才能織成一張網(wǎng)。在索網(wǎng)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(zhǔn)確的數(shù)據(jù)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(nèi)力協(xié)調(diào)復(fù)雜，這要求結(jié)構(gòu)必須實現(xiàn)高精度的建造。”浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院教授鄧華介紹，團(tuán)隊在浙大打造了一個縮小版的“冰絲帶”模型，模擬索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的建造全過程，并驗證結(jié)構(gòu)的設(shè)計性能。

浙大團(tuán)隊基于大量的數(shù)值仿真結(jié)果和試驗測試數(shù)據(jù)，在索網(wǎng)的整體提升、張拉控制、施工驗收和預(yù)張力監(jiān)測等方面提出了系統(tǒng)性的方案和建議，為“冰絲帶”大跨度索網(wǎng)屋蓋結(jié)構(gòu)的高精度建造提供了有力的技術(shù)支撐。

此外，團(tuán)隊還通過沙袋等，在張拉好的索網(wǎng)施加荷載。“我們在模型上吊掛不同的荷載來模擬風(fēng)吹雪打的環(huán)境，驗證屋頂?shù)膹姸群涂剐巫兡芰Α?rdquo;鄧華說。

為了更好摸清鋼索狀態(tài)，保障施工質(zhì)量與安全，羅堯治團(tuán)隊在施工環(huán)節(jié)就安裝上浙大自主開發(fā)的無線傳感器，用以實時監(jiān)測和力學(xué)分析，不僅在建設(shè)時發(fā)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(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，是我們開展監(jiān)測分析的全過程。”浙江大學(xué)羅堯治團(tuán)隊成員、建筑工程學(xué)院教授許賢說，團(tuán)隊對速滑館的應(yīng)力、位移、加速度、溫度、風(fēng)壓、索力六大類參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，測試點數(shù)多達(dá)千余個。

相較于傳統(tǒng)的剛性屋面結(jié)構(gòu)體系，柔性的索網(wǎng)屋面在滿足結(jié)構(gòu)功能的前提下大大減少了結(jié)構(gòu)的用鋼量，這樣精巧的空間設(shè)計為節(jié)能環(huán)保提供了保障。

“現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)技術(shù)水平是一個國家建筑科技水平的重要標(biāo)志。人們不斷追求更大的建筑空間，也促使我們不斷研究創(chuàng)新，來滿足工程建設(shè)的重大需求。”浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院董石麟院士說。

“冰立方”“水立方”雙輪驅(qū)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(zhì)量、場地環(huán)境及賽場保障有嚴(yán)苛的要求。國家游泳中心聯(lián)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)等組建科研團(tuán)隊，按照“水冰轉(zhuǎn)換，雙輪驅(qū)動”的策略，開展了結(jié)構(gòu)、溫度、濕度、照明、聲學(xué)等方面的攻關(guān)和改造，實現(xiàn)了“冰場-泳池”復(fù)合型“雙奧場館”。

“最快可以10至20天完成裝配式冰場結(jié)構(gòu)的安裝。”2015年以來，經(jīng)過6年多的科研攻關(guān)與現(xiàn)場測試，哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院教授張文元團(tuán)隊創(chuàng)造性地提出了冰水轉(zhuǎn)換賽場的結(jié)構(gòu)方案、設(shè)計詳圖、性能指標(biāo)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(shè)計結(jié)構(gòu)方案，實現(xiàn)在游泳池里“蓋房子”;其次，將設(shè)計好的鋼架構(gòu)快速搭建起來，避免對泳池的損傷;最后，再將冰面快速精細(xì)調(diào)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(jié)構(gòu)在比賽中的可靠性，哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院副教授丁勇帶領(lǐng)團(tuán)隊設(shè)計了結(jié)構(gòu)安全健康監(jiān)測系統(tǒng)，采用全面感知、智慧控制等手段，實現(xiàn)對冰面影響因素的全過程監(jiān)控。

這個系統(tǒng)可以實時觀測冰面結(jié)構(gòu)的加速度、位移、應(yīng)變、傾角等詳細(xì)情況，并將數(shù)據(jù)實時傳導(dǎo)到計算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)中，方便第一時間掌握變化情況。

目前，“冰立方”結(jié)構(gòu)自振頻率不低于20赫茲，經(jīng)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(yīng)用。

張文元說，依托國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”專項課題，團(tuán)隊已獲得國家發(fā)明和實用新型專利14項，發(fā)表相關(guān)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(yè)大學(xué)建筑學(xué)院教授陸詩亮說，為了找到合適的材料，團(tuán)隊反復(fù)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(huán)境變成冰壺場的低溫低濕環(huán)境，并降低熱輻射對制冰系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的負(fù)荷。

值得一提的是，這層膜并非一張平整的大網(wǎng)，而是由幾百塊“小窗戶”組成的。“‘水立方’的外觀是水泡形結(jié)構(gòu)的，設(shè)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(zhǔn)。”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(xiàn)了“水立方”“冰立方”雙輪驅(qū)動。

制冰方案更環(huán)保

經(jīng)過一系列測試活動、測試賽，北京2022年冬奧會冰上場館的優(yōu)質(zhì)冰面受到國內(nèi)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(huán)保、環(huán)境可持續(xù)性的特點，制冰方案從設(shè)計到執(zhí)行，“綠色辦奧”的理念貫穿始終。

據(jù)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(huán)保型制冷系統(tǒng)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(tǒng)，4塊冰面使用了R449A制冷劑。

在冰上場館制冰方案的設(shè)計之初，原計劃采用R507制冷劑，該制冷劑在當(dāng)前全球范圍內(nèi)普遍使用，符合《蒙特利爾議定書》對發(fā)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(huán)保、可持續(xù)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(fā)展趨勢和當(dāng)前實用技術(shù)，與國內(nèi)外制冷行業(yè)知名專家多次會商討論，確認(rèn)了兩種制冷系統(tǒng)可以選擇：一是二氧化碳跨臨界直接制冷系統(tǒng)，適合常年制冰的場館，如國家速滑館等;二是傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)，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(xué)教授、國際天然工質(zhì)研究領(lǐng)域知名專家張信榮認(rèn)為，二氧化碳跨臨界直接制冷系統(tǒng)具有安全性高、能耗和運行成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點，且全部熱量可回收利用，是冰上場館能源系統(tǒng)中最有前景的工質(zhì)之一，可使場館能源系統(tǒng)冷熱一體化高效運行，在全球范圍內(nèi)都具有廣闊的應(yīng)用前景。

國家速滑館制冰技術(shù)方案有十多位院士、國內(nèi)行業(yè)協(xié)會頂尖專家、建設(shè)代表進(jìn)行反復(fù)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(shù)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(huán)保制冰技術(shù)就能達(dá)到冬奧比賽標(biāo)準(zhǔn)。但經(jīng)過18個月摸索，中方團(tuán)隊把歷屆冬奧會速滑館制冷系統(tǒng)資料翻了個遍，對世界所有制冷劑優(yōu)劣特點逐一分析，最終拿出了更先進(jìn)的制冰技術(shù)。”參與國家速滑館建設(shè)的工程師宋家峰說。

在創(chuàng)新的背后，環(huán)?？剂渴亲钪匾囊蛩?。據(jù)宋家峰介紹，北京冬奧會之前，在全世界范圍內(nèi)，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(tǒng)。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(shù)量的傳統(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)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(jié)省約200萬度電。

在傳統(tǒng)制冷劑選擇方面，當(dāng)前國際相關(guān)組織，如美國空調(diào)制冷學(xué)會(AHRI)，確定了現(xiàn)階段全球范圍內(nèi)普遍使用的R507所對應(yīng)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(yīng)“綠色、共享、開放、廉潔”的理念，三場館在對設(shè)備供應(yīng)商、設(shè)計工程師和服務(wù)提供商進(jìn)行調(diào)研后，選擇了R449A制冷劑。

制冷行業(yè)內(nèi)專家說：“采用R449A制冷劑，是在不影響系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性的前提下，采取積極措施向環(huán)境可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)邁進(jìn)的例證。”

國際奧委會一直十分支持北京冬奧會場館建設(shè)的環(huán)保選擇，相關(guān)官員表示，北京冬奧會冰上場館采用了節(jié)能型制冷系統(tǒng)、環(huán)保型制冷劑，積極推動了國際奧委會的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。其中二氧化碳制冷系統(tǒng)的使用，率先為世界做出了環(huán)保和可持續(xù)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(guān)鍵詞： 冰絲帶 水立方 冬奧場館 凝聚 中國科技力量