解開智慧“冰絲帶”的靈動(dòng)奧秘

李久林，北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司總工程師，北京國(guó)家速滑館經(jīng)營(yíng)有限責(zé)任公司副總經(jīng)理兼總工程師，教授級(jí)高級(jí)工程師，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)——國(guó)家速滑館智慧場(chǎng)館建設(shè)和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范應(yīng)用項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。

兼任多個(gè)行業(yè)協(xié)會(huì)專家委員及高等院校外聘教授，享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼。主持和領(lǐng)導(dǎo)了國(guó)家體育場(chǎng)“鳥巢”、國(guó)家速滑館“冰絲帶”、槐房水廠等多項(xiàng)重大工程施工建設(shè)。獲評(píng)首批北京學(xué)者、國(guó)家級(jí)百千萬人才、國(guó)家級(jí)有突出貢獻(xiàn)中青年專家，先后榮獲全國(guó)五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)?、全?guó)勞動(dòng)模范等榮譽(yù)稱號(hào)。

北京奧運(yùn)中軸線迎來了新朋友，“鳥巢”“水立方”迎來了“冰絲帶”。在這片占地1.2萬平方米、碳排放趨近于零、被譽(yù)為“最快的冰”上，將上演四年磨一劍、千分之一秒定勝負(fù)的速度滑冰冬奧賽事。

因建筑外形飄逸靈動(dòng)，國(guó)家速滑館被親切地稱為“冰絲帶”，作為北京2022年冬奧會(huì)標(biāo)志性場(chǎng)館，承擔(dān)速度滑冰項(xiàng)目的比賽和訓(xùn)練。冬奧會(huì)后，在長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展中，將建成以冰雪運(yùn)動(dòng)為核心、全面促進(jìn)全民健身、體育消費(fèi)的新型城市文體綜合體，努力成為滿足人民群眾對(duì)冬季美好生活向往的新坐標(biāo)。

在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”專項(xiàng)——國(guó)家速滑館智慧場(chǎng)館建設(shè)和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范應(yīng)用項(xiàng)目的支持下，國(guó)家速滑館科研團(tuán)隊(duì)從設(shè)計(jì)理念、技術(shù)工藝、材料選取、施工技法等多個(gè)方面都實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新和突破。

高技術(shù)保障了冬奧場(chǎng)館和附屬設(shè)施的設(shè)計(jì)建筑運(yùn)維與自然人文環(huán)境相融合，實(shí)現(xiàn)了冬奧會(huì)場(chǎng)地場(chǎng)館建設(shè)運(yùn)營(yíng)管理的協(xié)同化、精細(xì)化、智慧化。

我們采訪了本項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、北京城建集團(tuán)總工程師李久林，帶領(lǐng)大家走進(jìn)智慧的“冰絲帶”。

問：請(qǐng)您介紹一下項(xiàng)目總體實(shí)施目標(biāo)和實(shí)施成效。

李久林：“冰絲帶”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，主要包括五個(gè)方面的研發(fā)內(nèi)容。第一個(gè)是大跨度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這是全世界最大的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)體育館。我們?cè)瓉聿捎玫母叩\密閉索都是從國(guó)外進(jìn)口，這是要解決的問題;第二個(gè)是復(fù)雜的曲面幕墻和柔性屋面，用簡(jiǎn)單的工藝實(shí)現(xiàn)復(fù)雜建筑效果;第三個(gè)是二氧化碳跨臨界直冷制冰系統(tǒng)，打造一個(gè)最快的冰場(chǎng);第四個(gè)是在短時(shí)間內(nèi)完成場(chǎng)館建設(shè);第五個(gè)是實(shí)現(xiàn)智慧場(chǎng)館。

“冰絲帶”索網(wǎng)張拉過程

基于平行施工模式建造的國(guó)家速滑館

實(shí)施科技冬奧項(xiàng)目以后，第一，我們建成了全世界最大的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)體育場(chǎng)館，而且實(shí)現(xiàn)了高礬密閉索的國(guó)產(chǎn)化，產(chǎn)品性能也達(dá)到了國(guó)際上同類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，引領(lǐng)了國(guó)內(nèi)高礬密閉索生產(chǎn)。

第二，解決了在復(fù)雜的柔性索網(wǎng)上建造屋面的難題，開發(fā)了新型屋面系統(tǒng)，同時(shí)通過3360塊玻璃的工藝設(shè)計(jì)和建造技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了“冰絲帶”的建筑效果。

第三，研發(fā)了二氧化碳跨臨界直冷的制冰系統(tǒng)，在冬奧歷史上首次實(shí)現(xiàn)了制冰技術(shù)在速滑場(chǎng)館的應(yīng)用。

第四，基于平行施工的高效高精度建造技術(shù)，像造汽車一樣建成速滑館。

第五，實(shí)現(xiàn)了集先進(jìn)技術(shù)、優(yōu)質(zhì)觀眾體驗(yàn)和精細(xì)管理于一體的智慧場(chǎng)館建設(shè)目標(biāo)，不但解決了速滑館本身的工程建設(shè)難題，相關(guān)技術(shù)還在國(guó)內(nèi)一些工程上得到推廣應(yīng)用。

問：“冰絲帶”的智慧體現(xiàn)在哪些方面？

李久林：主要是兩個(gè)方面。一個(gè)是建造過程。我們采用智能建造方式，像混凝土構(gòu)建、看臺(tái)、鋼結(jié)構(gòu)、索網(wǎng)、屋面，全部是在工廠建設(shè)完成，在現(xiàn)場(chǎng)就像組裝汽車一樣，把它們組裝在一起，這個(gè)過程中大量應(yīng)用了自動(dòng)化和智能化技術(shù)。

比如鋼結(jié)構(gòu)環(huán)桁架，一個(gè)8000多噸的鋼結(jié)構(gòu)怎么做呢？實(shí)際上是在場(chǎng)館外側(cè)87米遠(yuǎn)的地方，在建設(shè)場(chǎng)館的同時(shí)，在那兒把它拼起來，通過計(jì)算機(jī)控制爬行機(jī)器人推動(dòng)桁架滑移到場(chǎng)館上面，從而實(shí)現(xiàn)在場(chǎng)館里面混凝土結(jié)構(gòu)施工的同時(shí)，外側(cè)的鋼結(jié)構(gòu)也在施工，兩個(gè)同時(shí)完成混凝土封頂。那邊鋼結(jié)構(gòu)也拼完了，通過機(jī)器人把它滑過來，安裝到位，時(shí)間上大大節(jié)約了工期。從質(zhì)量上來講，一個(gè)182米的桁架滑移了87米，而且通過兩次高低位的變軌以后，最終安裝精度偏差僅幾毫米，實(shí)現(xiàn)了高效高精度建造。

國(guó)家速滑館近景

另一個(gè)是實(shí)現(xiàn)了智慧場(chǎng)館的目標(biāo)。除了建造實(shí)體場(chǎng)館，還在計(jì)算機(jī)里同步建造數(shù)字場(chǎng)館?；贐IM技術(shù)，從設(shè)計(jì)施工到最后的交付，形成實(shí)體速滑館的同時(shí)，有一個(gè)跟它一模一樣的數(shù)字速滑館。速滑館上面有大量傳感器。通過管理平臺(tái)，速滑館就像手機(jī)一樣，各種數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)字場(chǎng)館上，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生，對(duì)場(chǎng)館進(jìn)行精細(xì)調(diào)控。

比如制冰系統(tǒng)，有很多因素影響運(yùn)動(dòng)員成績(jī)，甚至看臺(tái)觀眾數(shù)量對(duì)場(chǎng)館環(huán)境也有影響。我們通過攝像系統(tǒng)，能夠看到場(chǎng)館上哪些地方坐的人多、哪些地方坐的人少，把這些數(shù)據(jù)傳給數(shù)字孿生系統(tǒng)，它就可以仿真計(jì)算場(chǎng)館需要做哪些調(diào)整。通過對(duì)除濕、送風(fēng)等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使場(chǎng)館運(yùn)行環(huán)境達(dá)到最好，助力運(yùn)動(dòng)員在這里創(chuàng)造佳績(jī)。

我們圍繞觀賽、辦賽和參賽準(zhǔn)備了幾十種技術(shù)，希望能夠?yàn)榇蠹姨峁┳詈玫姆?wù)。

問：冬奧測(cè)試賽中，我們的速度滑冰項(xiàng)目取得了優(yōu)異成績(jī)，這讓人想到之前所說的打造“最快的冰”這一目標(biāo)，請(qǐng)您介紹一下如何打造“最快的冰”。

李久林：2021年10月份舉辦的速度滑冰中國(guó)公開賽上，四人五次創(chuàng)造了個(gè)人最好成績(jī)，某種程度上檢驗(yàn)了“最快的冰”這一目標(biāo)。

建設(shè)團(tuán)隊(duì)在整個(gè)研究和建設(shè)過程中，始終把“最快的冰”作為最重要目標(biāo)，速滑場(chǎng)館一定要為運(yùn)動(dòng)員出成績(jī)提供最好的條件。影響“最快的冰”的因素很多，其中有一個(gè)最重要因素就是冰面的質(zhì)量和溫差。我們采用了多項(xiàng)技術(shù)，包括首次研發(fā)和應(yīng)用了二氧化碳跨臨界直冷制冰系統(tǒng)。最早設(shè)計(jì)采用的是使用R507制冷劑、乙二醇載冷劑的制冰系統(tǒng)，這個(gè)技術(shù)跟國(guó)際上常用制冰技術(shù)一樣。后來圍繞“最快的冰”和綠色低碳目標(biāo)，在重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持下，創(chuàng)新了二氧化碳跨臨界直冷制冰系統(tǒng)，這套制冰系統(tǒng)不但將節(jié)能環(huán)保GWP值由最初將近4000降為1，同時(shí)還能控制冰溫。

我們還采取了很多措施，比如通過激光掃描跟BIM模型進(jìn)行比對(duì)，檢驗(yàn)、保證冰場(chǎng)下邊12萬米不銹鋼制冰管道處于精準(zhǔn)位置，因?yàn)槊恳粋€(gè)管道就相當(dāng)于一個(gè)制冷器，制冷管位置越準(zhǔn)，則冰溫越均勻。為保證冰板混凝土平整度，采用激光測(cè)量技術(shù)，使1.2萬平方米冰場(chǎng)平整度偏差從原來5毫米驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)最終達(dá)到最大不超過3毫米。整個(gè)冰場(chǎng)溫差原來理論極限值是0.26攝氏度，通過幾次制冰檢驗(yàn)達(dá)到0.5攝氏度冰面溫差以下，比原來設(shè)定的1.5攝氏度驗(yàn)收要求提高很多。當(dāng)然還有風(fēng)速、濕度等一系列因素的管控，包括基于數(shù)字孿生場(chǎng)館室內(nèi)環(huán)境的精細(xì)調(diào)控，所有這些都為運(yùn)動(dòng)員創(chuàng)造最好的成績(jī)、打造“最快的冰”作出了貢獻(xiàn)。

問：運(yùn)動(dòng)員能賽出好成績(jī)是大家共同的心愿。國(guó)家速滑館不僅內(nèi)部結(jié)構(gòu)做得非常精細(xì)，外立面建造也非常獨(dú)特，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。請(qǐng)您介紹一下“冰絲帶”索網(wǎng)屋面上有哪些科技奧秘。

李久林：冬奧速滑館建設(shè)，注重考慮綠色環(huán)保低碳理念。在結(jié)構(gòu)體系上，采用了高性能結(jié)構(gòu)體系，通過索網(wǎng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大跨度屋面建造目標(biāo)，只用幾百噸索就編織出大型場(chǎng)館屋頂。鋼材抗拉強(qiáng)度是最好的，通過拉索充分發(fā)揮材料性能，使索網(wǎng)像網(wǎng)球拍一樣扣到速滑館的屋頂上。

我們面臨幾個(gè)問題。第一，它是全世界體育場(chǎng)館里最大、最扁的橢圓形單層雙向正交馬鞍形索網(wǎng)，單層雙向正交索網(wǎng)，加上環(huán)桁架和幕墻斜拉索體系是我們第一次創(chuàng)新采用的技術(shù)。

第二，高礬密閉索過去長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，這次依托國(guó)家速滑館重大工程，我們和國(guó)內(nèi)廠家及相關(guān)單位共同研究攻關(guān)，首次實(shí)現(xiàn)索網(wǎng)國(guó)產(chǎn)化。在速滑館重大工程的應(yīng)用起到了示范引領(lǐng)作用。目前，國(guó)內(nèi)大量工程都采用了國(guó)產(chǎn)高礬密閉索，使得材料從價(jià)格到供貨期都已經(jīng)大大壓縮。

第三，如何做出這樣一個(gè)場(chǎng)館？索網(wǎng)非常復(fù)雜，我們做了大量的數(shù)字仿真，在計(jì)算機(jī)里模擬整個(gè)過程，在實(shí)驗(yàn)室里做1：12模型試驗(yàn)，提前建了一個(gè)小速滑館，在實(shí)驗(yàn)室里把索網(wǎng)建造過程全部模擬出來，作為建造依據(jù)，并且提前把標(biāo)準(zhǔn)制定下來。先把幕墻索掛上去，然后把承重索和穩(wěn)定索編起來，把東西向承重索提升上來后，像漁網(wǎng)一樣收網(wǎng)，把它從地面上提起，掛到桁架耳板上去，再?gòu)埨媳毕蚍€(wěn)定索，最后通過張拉南北向的索，帶動(dòng)整個(gè)索網(wǎng)變形，索網(wǎng)變形再拉著環(huán)桁架的邊跟著變形，這邊再拉著幕墻的索變形，最終就通過拉一個(gè)穩(wěn)定索，把它拉到位后，放到耳板梁上。整個(gè)索網(wǎng)體系張拉成形，非常巧妙。

我們通過計(jì)算機(jī)控制這些設(shè)備實(shí)現(xiàn)同步張拉，在速滑館建設(shè)過程中和建成后，通過1100個(gè)傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，比如在屏幕上能看到北京大風(fēng)大雪天氣時(shí)，速滑館整個(gè)屋面的反應(yīng)。建造凝聚了整個(gè)建設(shè)團(tuán)隊(duì)的心血，最終的建設(shè)效果非常完美。這項(xiàng)工程獲得了中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)年度杰出工程大獎(jiǎng)，得到了各方面高度肯定。

問：除索網(wǎng)屋面結(jié)構(gòu)，還有一個(gè)受人關(guān)注的焦點(diǎn)——“冰絲帶”。它之所以被稱為“冰絲帶”，就是因?yàn)橥獗碛?2條晶瑩美麗的絲帶狀曲面玻璃幕墻構(gòu)成，22條“冰絲帶”環(huán)繞索網(wǎng)屋面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)非常新穎。您能否介紹一下復(fù)雜玻璃曲面幕墻里有哪些設(shè)計(jì)和技術(shù)？

李久林：就像我們的“鳥巢”是用鋼結(jié)構(gòu)編織出來的，“水立方”是用膜結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，速滑館最好的體現(xiàn)材料是玻璃。如何實(shí)現(xiàn)飄逸靈動(dòng)的建筑效果，實(shí)際上是曲面玻璃如何兼顧多個(gè)方面的問題。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)現(xiàn)場(chǎng)研究索網(wǎng)結(jié)構(gòu)安裝和監(jiān)測(cè)情況。

第一，不能把工程做得過于復(fù)雜，這樣會(huì)使造價(jià)非常昂貴。所以在設(shè)計(jì)方面，通過平曲玻璃的耦合分析，使所有玻璃的弧度都一樣，通過曲面玻璃和平面玻璃的組合，減少工程建造難度，從而實(shí)現(xiàn)飄逸靈動(dòng)的建造效果。

第二，選用四層夾膠中空的玻璃作為材料，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的建筑效果，再組合里面的遮陽(yáng)簾、自然通風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。很多觀眾會(huì)提問說，“冰絲帶”這樣一個(gè)大玻璃房子，會(huì)不會(huì)像玻璃大棚一樣夏天很熱冬天很冷？甚至有人會(huì)擔(dān)心光污染問題。我們做了非常詳細(xì)的研究，既兼顧建筑效果，又實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

第三，在建造的時(shí)候，幕墻也是柔性索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，就如何把玻璃安裝上去，也做了包括數(shù)字模型在內(nèi)的大量技術(shù)工作，通過激光掃描把所有實(shí)際結(jié)構(gòu)和形狀都掃描進(jìn)去，再跟玻璃單元板塊擬合，最終實(shí)現(xiàn)了飄逸靈動(dòng)的建筑效果，既實(shí)現(xiàn)了三星級(jí)節(jié)能環(huán)保的建設(shè)目標(biāo)，又實(shí)現(xiàn)了建筑工藝美學(xué)新高度的建造效果。

問：冬奧會(huì)之后，這個(gè)項(xiàng)目的科研成果還將有哪些應(yīng)用？

李久林：圍繞冬奧會(huì)速滑館建造，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持下，一方面，通過技術(shù)攻關(guān)，解決了場(chǎng)館建設(shè)本身面對(duì)的索網(wǎng)、屋面和曲面幕墻、制冰等建設(shè)問題;另一方面，形成了大量通用技術(shù)、行業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。比如國(guó)產(chǎn)高礬密閉索，目前我們國(guó)家大量工程已經(jīng)采用國(guó)產(chǎn)化高礬密閉索，產(chǎn)生了非常好的效果。我們目前形成了七項(xiàng)新標(biāo)準(zhǔn)，在科技部、住建部、北京市等相關(guān)部門和地方的大力支持下，有些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)逐步上升為地方、行業(yè)甚至國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。通過這些標(biāo)準(zhǔn)，我們將為促進(jìn)冰雪運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館建設(shè)提供技術(shù)支持。

速滑館本身是多功能場(chǎng)館設(shè)計(jì)，在場(chǎng)館策劃和設(shè)計(jì)之初，我們不僅滿足冬奧會(huì)速度滑冰功能和需求，而且能夠滿足所有冰上運(yùn)動(dòng)需要。未來將建成集體育賽事、群眾健身、文化休閑、展覽展示和社會(huì)公益五位一體的多功能體育場(chǎng)館，為帶動(dòng)三億人參與冰雪運(yùn)動(dòng)這一目標(biāo)提供助力。