科技專家合力 冬奧場館由“水立方”變“冰立方”

中國新聞網
2021-01-04 18:06
北京冬奧會全部競賽場館于2020年12月31日前全面完工。

  由水到冰,水立方“變形記”

  剛剛過去的元旦,對于所有為冬奧場館奔忙的人來説是個大日子:北京冬奧會全部競賽場館于2020年12月31日前全面完工。

  國家遊泳中心(水立方)是第一個實現完工改造的場館,也是世界上首次採用智能化技術建立泳池轉換冰場。現在,它有了一個新名字——“冰立方”。

  時間回到2015年7月31日,2022年冬季奧運會主辦權花落北京。按規劃,水立方將變身“冰立方”,承接冰壺比賽——在全中國最有名的場館、晶瑩剔透的藍色膜結構裏,招待全球來客,一切似乎完美。

  沒想到,這個先入為主的決定讓水立方的命運陷入兩難之境:冬奧會冰壺比賽歷來都是在混凝土結構上凍冰,如果要在水立方舉辦,只能徹底放棄原有功能,在泳池中澆築混凝土。

  如此一來,水立方將不再有“水”。

  一邊是國人有特殊情結的重要的奧運遺産之一,是創造過24項世界紀錄的“全世界最快的泳池”;一邊是冰壺場地的嚴苛標準、國際奧委會的嚴格把關和“科技冬奧、綠色冬奧”的莊重承諾。

  水還是冰,夏還是冬——這道二選一的艱難命題,橫在冬奧團隊面前。

  水立方何去何從?

  “沒了水就沒了魂”

  舍棄泳池,北京國資公司所屬國家遊泳中心總經理楊奇勇是最不能接受的。

  2004年起,他開始在水立方工作。彼時的水立方還是一片空地,這座日後位于中軸線西側的“藍色地標”還停留在剛剛贏下場館設計方案的圖紙上。從一名現場工程師開始,楊奇勇親歷了場館的拔地而起,2008年的奧運盛事,其後數千個日夜的場館運營,無數人慕名而來。迄今為止,水立方已經接待了2700萬名遊客,舉辦了超過1600場活動。

  加入冬奧申辦行列,這座場館獨特的氣質和影響力得到國際冬奧會和國際冰壺組織的一致喜愛。“申辦小組問我們辦冰壺比賽行不行,我們在網上看了錄像,感覺和冰球、速滑比,冰壺沒有太大的運動幅度,應該比較輕松。”楊奇勇回憶説。

  現實卻大相徑庭。確定承接後,大家才意識到原來冰壺比賽是塊極其難啃的“硬骨頭”,對場地的技術要求極高,需要穩固的混凝土基層。

  這也是國際冰壺組織的明確要求。2015年底,國際冰壺組織第一次派人來水立方考察,就提出在泳池中澆築混凝土的要求。

  一旦澆築,泳池即遭廢棄,這意味著放棄水立方的夏季奧運功能。

  在設計總負責人、北京市建築設計研究院副總建築師鄭方的講述裏,種種不舍具體可感。

  “郭晶晶等人就是在那裏拿的金牌。”他手指向遠處的十米跳臺,“中國跳水‘夢之隊’包攬了除男子10米臺的全部金牌。”

  水池的榮耀恍如昨天。“2008年,運動員們在這個遊泳池裏24次刷新21項世界紀錄。菲爾普斯一人獨得8塊金牌。”視線轉向另一邊,“那邊還有個嬉水樂園,小朋友都特別喜歡,館裏甚至還有嬰兒遊泳池。”

  “水是這座建築的靈魂,”鄭方反復講,“它所有的設計都跟水有關。大家來到這裏,就是為了遊泳、玩水。你看上面屋頂的氣泡,多邊形氣枕就像水分子一樣包裹著這個房子的鋼結構。裏裏外外、從結構到功能,這裏都與水有關。失去水,這個房子就沒有靈魂了。”

  十年來,國際遊泳和跳水比賽每年如期上演,“觀眾到點兒就來,電視上就播。”楊奇勇説。

  除了“情感上很難接受”,他手裏還有一本實在的“經濟賬”:靠著夏季奧運會的光環和拉動,以及人們對奧運遺産的愛護,水立方的旅遊收入達到總收入的三分之一,這個比例在國內首屈一指。一旦賽道被破壞性拆除,後臺千萬級投資的設備機器將被棄用,代價巨大。

  不想澆築混凝土,也別無他法。籌備時間在大家的不甘和矛盾中嘩嘩流過。

  楊奇勇知道,不能等“死”,要救遊泳池!

  2016年初,矛盾已經箭在弦上。兩位並肩作戰多年的老友在泳池邊徘徊。其間,一個大膽的想法閃現:能不能夏天遊泳,冬天滑冰,把水立方變成“兩棲”的?

  “水冰轉換”,這個奧運歷史上前所未有的做法帶來破局的希望。

  “難搞”的冰

  顧名思義,“水冰轉換”就是在保留水上功能的基礎上,新增冰上功能,實現水立方與“冰立方”的互換。

  這不是天外飛仙的想法。憑借多年建築工程經驗,結構工程師楊奇勇對在泳池裏鋪設可拆卸的穩定支撐結構有把握。

  但往上到了冰面,就沒什麼底氣了。

  在那之前,全世界只有一個日本的遊泳館曾在上世紀90年代在泳池上鋪設簡易冰面,供人滑冰娛樂,但消遣性質的普通滑冰和奧運級別的冰壺比賽,改造難度如雲泥之別。更令人灰心的是,當時國內對冰面性能的研究還是空白。

  冰壺比賽的“冰”大有講究。

  如果你曾經摸過賽道,會詫異于那並不是一片平整光滑的冰面,而是散布著無數細小的顆粒,大小不一且不均勻,合起來約佔冰場一半面積。冰壺在密布冰點的“鵝卵石路”上快速滑行。

  長45米,寬4.75米,整個厚度在4到5厘米的冰層其實就像一塊“切糕”,制冰師要按照順序依次鋪設每一層構造。從底層冰到制冷管線,再到比賽冰面,每次制冰,國際頂級制冰師通常要花費約10個工作日,用細水管把經處理的純水幾十上百次地澆上去,精細平整,噴灑水霧,形成冰點。

  冰壺賽道也不是一個永恒不變的水平冰面,隨著冰壺在賽道上不斷滑動、制冰師的反復修冰,甚至室內環境的些許變化,賽道表面發生著微妙的改變。

  用鄭方的話説,冰非常“敏感”。

  冰壺比賽要求場館濕度在30%以下,冰面溫度約在零下8攝氏度,冰面以上1米空氣溫度在10攝氏度,館內溫度在16攝氏度以內,這些數據會直接影響冰壺與冰的摩擦係數。冰壺館裏布滿燈光、攝像機,還坐著數量不等的觀眾,他們産生大量熱量,給冰帶來種種影響。總之,空氣溫度、濕度,氣流場的分布等時刻影響著賽道的品質。

  因此,要在水立方辦冰壺比賽,不僅是“凍出標準冰”,場館內的溫度、濕度、通風、節能等都面臨全面改造。

  “前途未卜”的中國方案

  2016年4月,國際冰壺聯合會在瑞士巴塞爾舉辦男子冰壺世界錦標賽,邀請楊奇勇和鄭方去看看比賽,學習經驗。楊奇勇知道,“短兵相接”的時候到了。他們帶上水立方“水冰轉換”的方案去了巴塞爾。

  一進門,還沒提交方案,世界冰壺聯合會的技術代表先給出一頁紙,上書29條技術標準。那是楊奇勇和鄭方第一次見到冰壺世界通用標準,也是第一次體會到形勢之嚴峻:對照來看,水立方幾乎一條也不滿足。

  第五條甚至明確寫著:世界冰壺聯合會傾向使用混凝土基層,其他方案應徵求同意。

  混凝土基層常規而穩妥。“水冰轉換”方案則設想在原來的泳池賽道裏,通過搭建可轉換結構、安裝可拆裝制冰係統,形成標準冰壺場地。冬天一過,構造移除,回歸泳池。

  誰也不知道這個體育場館創新利用的“中國方案”,前路如何。

  “只能進,不能退,沒有別的選擇。”楊奇勇這樣描述當時的心情,“我們表態拒絕現澆混凝土方案,希望給機會做水冰轉換的實驗。如果不能滿足全部標準,就無條件服從。”

  軍令狀遞出,水立方暫時“躲過一劫”。

  “冰水兩重天”

  作為2008年北京奧運主要的水上項目比賽場館,水立方總建築面積6.5萬至8萬平方米,地下部分的建築面積不少于15000平方米,內設多個遊泳池、跳臺,還有佔據一半面積的嬉水樂園。

  從高溫高濕的泳池環境,到低溫、幹燥的冰場環境,可謂“冰水兩重天”,改造技術難度和工程復雜度遠超設想。

  搭建轉換結構是改造的首要難題,講究的是快、穩和高精度。

  冰壺比賽對冰面平整度要求極高,每平方米在承受150公斤重量的情況下,冰面變形不能超過1毫米,據助理制冰師張金泉介紹:“我們研發定制可拆裝的鋼結構作為冰下主體結構,為冰壺賽道提供牢固的結構支撐。”

  賽道最下面是鋼結構支撐體係,然後,依次是10厘米輕制混凝土預制板和兩層各5厘米的保溫層,接下來又是PE防潮隔離層及無紡布層,在7厘米的制冰排管及蜂窩支架之上,才是運動員接觸到的真正冰層。

  作為最終冰面的基礎,混凝土板塊兩米之內高差不能大于3毫米,全場高差不能大于6毫米,這是拼裝結構安裝誤差的極限。

  改造中,很多原來引以為傲的設計,此刻都成了待解的難題。比如醒目的“藍色泡泡外墻”。

  水立方的藍色膜結構形體輕盈、透光性強,但對于“嬌氣”的冰面來説,從早到晚的陽光並不友好。據高級技術經理時玉橋介紹,他們在膜結構下覆了一層PVC膜,給水立方“拉上了窗簾”,避免了陽光照射對冰的影響。等到水立方切換到“夏季模式”,這層黑膜還可以移除。

  冰壺被稱為“咆哮的運動”,冰壺運動員比賽不帶擴音設備,全靠喊,對于場館的聲音環境要求很高,為此,團隊已經進行5次模擬噪聲實驗,以求達到1.8秒混響效果。

  科技專家合力破“冰”

  2019年,科技部聯合北京市、河北省及北京冬奧組委,會同教育部、工信部、國家體育總局等部門成立“科技冬奧”領導小組,統籌設計科技冬奧重點任務,為北京冬奧會和冬殘奧會提供科技支撐。

  清華大學、哈爾濱工業大學、同濟大學、中建一局、商湯科技等,以及志願加入的東北農業大學在內的國內頂尖科研力量集結起來,在科技部部署下,致力于在冰的內部性能和外部影響研究上尋求突破。

  他們中,有人本身研究極地冰川,有人研究海洋冰對鑽井平臺的影響,有人專攻熱—力學、研究低溫空調,都屬運動冰研究的“擦邊球”。

  某種程度上,他們在為國內運動冰研究“開山辟路”。

  在楊奇勇看來,這固然是出于場館建設需要,卻延伸出更悠遠的價值。

  冰壺運動作為舶來品,最初是在奧運爭光戰略下,因其較適合亞洲人參與,為了擴大中國冰雪項目的奪金面而引進的。十幾年來,高潮有之,平谷更多。由于國內並沒有對冰進行過係統研究,也就沒有人給運動員提供基礎而必要的冰面信息。在世界頂級比賽中,冰面的微妙變化將影響關鍵時刻戰術選擇,而中國運動員在“讀冰”方面能力薄弱。

  相比而言,老牌強隊積累了很多歷史經驗,能通過讀取冰面做出更好判斷。國內運動員卻因為研究信息的匱乏望塵莫及。

  通過對冰研究的拓荒,一方面解決標準不齊、冰面不完美的問題,一方面也可以積累數據和經驗。“如果運動員可以知道一場比賽打到第五局時冰面可能發生了什麼變化,他一定可以在腦中龐大的計算體係中選擇一個更優的戰略戰術。”楊奇勇説,“我們下了巨大的功夫做研究,轉身把數據給他們,就成了競賽的‘幫手’。”

  此外,高水平制冰師這個國內鮮見的職業也能在這個過程中成長起來,為中國未來的制冰工作提供“工作范本”。

  用“智慧大腦”指揮轉換

  2019年底,水立方第一次圓滿完成“水冰轉換”,耗時近60天。2020年12月,第二次“水冰轉換”的結構搭建順利完成,僅用十幾天,達到“科技冬奧”重點專項的既定目標。

  大大加速的“水變冰”背後,是智能化改造的加持。

  據了解,第二次轉換搭建了由2600根薄壁H形鋼和1570塊輕質混凝土預制板組成的轉換結構,每根(塊)鋼梁和混凝土預制板都有自己的“數字身份”,在轉換施工中,可以精準高效地將每個構件復位。在施工過程中,通過運動捕捉技術與施工測量技術相結合,極大提高了安裝精度。

  “冰壺賽道對平整度要求極高。去年給混凝土板調平時,工人每調平1塊板,就涉及周邊8塊板,測量非常耗時。現在配備10臺高精度傳感儀實時反映高差變化,調平一次性到位。”楊奇勇説,這項技術還會更成熟,“水冰轉換”還能提效。

  傳統場館變“聰明”

  變化不只發生在泳池內,水立方轉成冰立方,傳統場館也轉成一座真正意義上的智能場館。

  楊奇勇説,“水冰轉換”要求場館後臺機器設備、控制係統都有能力隨場館功能需求轉換,期間還要承辦商業活動。這給場館設備智能化水平,甚至物業管理水平帶來巨大挑戰。

  為保障“冰立方”的室內環境條件符合冰壺比賽的要求,場館設置了由4000多個傳感器領銜的樓宇設備管理係統,可以監測和控制場館內的溫度、濕度、PM2.5濃度等的變化。在這套係統的精準調控下,冰壺賽道冰面溫度達到零下8.5攝氏度的要求,冰面上1.5米高處溫度始終保持在10攝氏度,看臺觀眾區溫度則恒定在16至18攝氏度,真正做到“同室不同天”。

  在環繞冰場的觀眾臺下方,可以看到直徑1米的藍色長條“布袋”。這種“布風管”是一個除濕送風係統,除濕係統處理完的低溫低濕空氣經過它,被均勻地吹送到場地上空。

  場館的地下,藏著一間60平方米的控制室,墻上大屏就是水立方智能建築運維管理平臺,實時顯示制冰係統、除濕係統、能源係統、票務係統等的運行情況,對場館各設備係統實行智能調控。可視化的能源管控還能有效控制場館能耗和碳排放。

  時玉橋説,等到冬奧會時,觀眾還可以通過人臉識別出入場館,通過新設的四塊智能導覽屏順暢穿行。

  “我們不是在賭博”

  回想“異想天開”的方案、攻堅克難的試驗,到第一次試驗成功時“策略基本得到認可”,再到達到冬奧標準“運動員沒有投訴”。“我們不是在賭博。”一路走來,楊奇勇説,“‘水冰轉換’從暢想到現實,離不開中國科技力量的支持。現在看,我們不僅完成了曾經‘不可能完成’的任務,以後還會更精彩。”

  2020年11月27日,水立方冰壺場館改造工程順利通過完工驗收。完成第二次“水冰轉換”的冰壺場地正在面向公眾開放,同時繼續檢測和調試場館冰面及機電係統的運行狀況。

  在鄭方看來,如果説2008年我們通過“設計場館”展示科技創新成果,那麼2022年,我們用“改造場館”,續寫這段科技創新的中國故事。

  他還記得,2018年9月,國際奧委會副主席、北京冬奧會協調委員會主席小薩馬蘭奇來水立方,他們以動畫的形式現場演示了水立方變身“冰立方”的轉換過程,小薩馬蘭奇看後很欣喜,他説“北京正在用一個充滿智慧的方式舉辦奧運會”。

  如今,他們兌現了承諾。

  2022年2月,將有最多4600名觀眾坐在“冰立方”,在冰壺劃過的優美曲線裏,延續2008年盛夏,水立方的榮光。

責任編輯:王夢 別致
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