北京冬奧會(huì)場(chǎng)館里的“黑科技”

從場(chǎng)內(nèi)到場(chǎng)外，從比賽到觀賽，北京冬奧會(huì)可以說是一場(chǎng)被科技創(chuàng)新成果“武裝”的盛會(huì)。一項(xiàng)項(xiàng)新科技成果得以應(yīng)用，使冬奧會(huì)披上一層酷炫的“科技色彩”。讓我們一起近距離了解北京冬奧會(huì)在智慧場(chǎng)館建設(shè)方面蘊(yùn)藏了哪些“黑科技”吧。

科技賦能“冰絲帶”

國(guó)家速滑館是北京2022年冬奧會(huì)速度滑冰項(xiàng)目的比賽場(chǎng)館，因其外觀設(shè)計(jì)如絲帶飛舞，被大家稱為“冰絲帶”。

“冰絲帶”從外觀到內(nèi)部設(shè)計(jì)，處處都是“黑科技”

如果從高空看國(guó)家速滑館，你將會(huì)看到一個(gè)馬鞍形建筑，它長(zhǎng)198米，寬124米，屋頂是世界最大跨度正交雙向單層馬鞍形屋頂索網(wǎng)，它通過49對(duì)承重索和30對(duì)穩(wěn)定索編織成索網(wǎng)狀屋面，再鋪設(shè)1080塊4米×4米單元屋面板組成。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，需要通過實(shí)測(cè)得到數(shù)據(jù)后再進(jìn)行加工定制。在材料使用上，全部使用中國(guó)制造的高釩密閉索，降低了工程用鋼量，是傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的1/4。

場(chǎng)館內(nèi)配備有智能化的運(yùn)動(dòng)管理系統(tǒng)、觀眾觀賽管理和場(chǎng)館管理系統(tǒng)，就像給場(chǎng)館配備了一顆“大腦”。比如，可以通過智慧管理使得館內(nèi)氣溫分層——冰面一個(gè)溫度，確保冰面標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定;運(yùn)動(dòng)員比賽空間一個(gè)溫度，保證運(yùn)動(dòng)員體溫體感，有利于創(chuàng)造最佳運(yùn)動(dòng)成績(jī);觀眾席一個(gè)溫度，可以達(dá)約16℃，營(yíng)造舒適的觀賽環(huán)境。

國(guó)家速滑館是全球首個(gè)采用二氧化碳跨臨界直冷制冰的冬奧速度滑冰場(chǎng)館，場(chǎng)館內(nèi)冰面面積達(dá)1.2萬平方米，采用全冰面設(shè)計(jì)和分模塊控制單元，最多可將冰面劃分為9個(gè)區(qū)域。根據(jù)不同的比賽項(xiàng)目分區(qū)域、分標(biāo)準(zhǔn)制冰，可同時(shí)開展冰球、速度滑冰、花樣滑冰、冰壺等所有群眾性冰上運(yùn)動(dòng)。

二氧化碳制冰系統(tǒng)比傳統(tǒng)的乙二醇系統(tǒng)對(duì)冰面質(zhì)量的把控更有優(yōu)勢(shì)。經(jīng)模擬分析，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℃，利于運(yùn)動(dòng)員創(chuàng)造好的成績(jī)。在以0.001秒計(jì)的高水平競(jìng)技中，冰面的硬度不均勻、各個(gè)部位溫度不同，都會(huì)是影響選手成績(jī)的關(guān)鍵性因素，而二氧化碳制冰系統(tǒng)將杜絕這樣的問題出現(xiàn)。

另外，制冷過程中產(chǎn)生的大量高品質(zhì)余熱，可通過冷熱聯(lián)供一體化設(shè)計(jì)進(jìn)行回收利用，用于場(chǎng)館的熱水、澆冰、除濕等，相比較傳統(tǒng)冰場(chǎng)可以有20%以上的能效提升，整個(gè)制冷系統(tǒng)的碳排放趨近于0。

“水立方”變身“冰立方”

2022年北京冬奧會(huì)的冰壺比賽將在國(guó)家游泳中心舉辦，這是奧運(yùn)史上首次在夏奧場(chǎng)館舉辦冰上項(xiàng)目比賽。為了滿足冬奧賽事場(chǎng)地要求，又保有夏季奧運(yùn)水上項(xiàng)目功能，國(guó)家游泳中心（也就是我們俗稱的“水立方”）創(chuàng)造性地提出了“水冰轉(zhuǎn)換”方案：通過支撐體系和移動(dòng)式制冰系統(tǒng)，完成“水立方”到“冰立方”的功能轉(zhuǎn)換。改造后的“冰立方”將成為世界首個(gè)泳池上架設(shè)冰壺賽道的場(chǎng)館和世界唯一冰上水上項(xiàng)目同時(shí)運(yùn)行的場(chǎng)館。

起初，世界冰壺聯(lián)合會(huì)并不支持這個(gè)方案，由于冰壺場(chǎng)地對(duì)冰面穩(wěn)定性要求非常高，他們更傾向于把泳池填平。但科研人員通過將近一年的改造，確立了“在泳池內(nèi)架設(shè)可拆卸鋼結(jié)構(gòu)，鋪設(shè)混凝土預(yù)制板，安裝可拆裝制冰系統(tǒng)及配套管線”的方案，實(shí)現(xiàn)了泳池到冰壺賽道的轉(zhuǎn)換，打造出符合冬奧會(huì)冰壺賽事標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)、制冰系統(tǒng)、除濕系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、體育照明系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

國(guó)家游泳中心還建立了覆蓋全建筑空間、集成多種終端、自適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)景的群智能控制系統(tǒng)。數(shù)百個(gè)智能控制節(jié)點(diǎn)、上千個(gè)各類傳感器織構(gòu)成的強(qiáng)大“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，可并行處理至少30個(gè)場(chǎng)館的管理任務(wù)。擁有“更強(qiáng)大腦”的智慧“冰立方”，可以瞬間完成多種模式的更新和切換，為冬奧賽后場(chǎng)館的冰上、水上賽事和演出、展覽等各類活動(dòng)提供功能和環(huán)境保障。

此外，在“冰立方”的賽場(chǎng)上，還有一塊新增的“巨型”智慧屏幕。這塊大屏就是“冰立方”全新探索的一個(gè)獨(dú)特設(shè)計(jì)，它不僅個(gè)頭更大——約170平方米，可以以真實(shí)尺寸展現(xiàn)4個(gè)大本營(yíng)的實(shí)時(shí)畫面，而且在運(yùn)動(dòng)員擲出冰壺的同時(shí)，會(huì)在屏上實(shí)時(shí)繪出一條曲線，這就是場(chǎng)館團(tuán)隊(duì)正在測(cè)試和完善的“冰壺運(yùn)動(dòng)軌跡捕捉”技術(shù)。這一創(chuàng)新應(yīng)用具有提升觀賽體驗(yàn)、輔助運(yùn)動(dòng)員觀察和判斷等諸多優(yōu)勢(shì)。冰壺的運(yùn)行軌跡是體現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員競(jìng)賽策略的一個(gè)重要方面，現(xiàn)場(chǎng)有了這塊大屏，不僅可以向觀眾展示冰壺運(yùn)動(dòng)軌跡，幫助觀眾解讀冰壺運(yùn)動(dòng)，也能讓觀眾在欣賞之余關(guān)注競(jìng)技雙方的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)。

五棵松體育館：冰場(chǎng)規(guī)格“隨心換”

北京冬奧會(huì)的冰球比賽將在五棵松體育館舉辦。五棵松體育館在建造之初就已經(jīng)為場(chǎng)館未來多功能使用做好設(shè)想，在場(chǎng)芯下面預(yù)埋了制冰管道，可以在6小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)冰面與籃球場(chǎng)地的轉(zhuǎn)換。

最初，五棵松體育館的冰面設(shè)計(jì)為國(guó)際冰球比賽標(biāo)準(zhǔn)的30米×60米。但為了增加比賽的激烈程度和觀賞性，國(guó)際冰聯(lián)決定從北京冬奧會(huì)開始，將冬奧會(huì)冰球場(chǎng)地改為26米×60米。為滿足不同冰上項(xiàng)目對(duì)場(chǎng)地的不同需求，五棵松體育館決定利用“冰壩”技術(shù)讓冰面尺寸實(shí)現(xiàn)“自由切換”。在不同冰面區(qū)域設(shè)置“冰壩”，需要多大冰面可以按需切換，這在國(guó)內(nèi)尚屬首次。未來，五棵松體育中心將成為能承辦冰球、短道速滑、花樣滑冰三項(xiàng)賽事的通用型場(chǎng)館。

由于冰場(chǎng)空氣中含水量大，冰面上容易起霧，尤其是在板墻周圍容易發(fā)生結(jié)露，從而影響冰面質(zhì)量，因此五棵松體育中心場(chǎng)館配備了全新的溶液除濕系統(tǒng)。這一系統(tǒng)利用化學(xué)方式除濕，可將空氣中的水分吸收、干燥。相比傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)，溶液除濕可降低50%的能耗，年運(yùn)行費(fèi)用可降低70%左右。

雪車雪橇中心“不怕曬”

雪車雪橇比賽是冬奧會(huì)雪上競(jìng)賽中速度最快的項(xiàng)目，危險(xiǎn)系數(shù)高、專業(yè)性強(qiáng)，對(duì)競(jìng)賽場(chǎng)地要求嚴(yán)苛，場(chǎng)館建設(shè)費(fèi)用高昂，后期運(yùn)行和維護(hù)投入不菲。所以到目前為止，全世界總共只有16座標(biāo)準(zhǔn)雪車雪橇場(chǎng)館，分布在三大洲11個(gè)國(guó)家：10座位于歐洲，其中德國(guó)擁有4座雪車雪橇場(chǎng)館，是場(chǎng)館數(shù)量最多的國(guó)家，也是該競(jìng)賽項(xiàng)目的頭號(hào)強(qiáng)國(guó);美國(guó)和加拿大各有2座;日本和韓國(guó)各擁有1座，分別位于長(zhǎng)野和平昌，而位于日本札幌的1972年冬奧會(huì)雪車雪橇比賽賽道已被拆除，因此中國(guó)北京延慶賽區(qū)的國(guó)家雪車雪橇中心將成為亞洲第3座滿足奧運(yùn)比賽要求的雪車雪橇場(chǎng)館。它也是中國(guó)第一座雪車雪橇場(chǎng)館。

此外，國(guó)家雪車雪橇中心還是全球唯一建在山體南坡的賽道。為了避免陽光照射使賽道冰面溫度升高，它成為全球唯一全遮陽棚遮擋賽道。

外界環(huán)境溫度再低，只要有陽光直射，冰面也會(huì)融化、蒸發(fā)，影響賽道質(zhì)量。為了不讓光線直接照射冰面，研究人員研發(fā)了全球首套鋼木結(jié)合結(jié)構(gòu)的地形氣候保護(hù)系統(tǒng)，通過遮光處理，加上遮陽簾，形成賽道小氣候，滿足賽時(shí)需求。

國(guó)家雪車雪橇中心賽道遮陽棚面積總共將近2.3萬平方米，結(jié)合賽道形狀、自然地形和“人工地形”，將傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合，有效保護(hù)賽道冰面免受各種氣候因素影響，大大減少陽光直射，起到節(jié)能保溫作用，最大限度地降低了能源消耗。