解码“冰丝带”
北京日报 | 2021年11月18日
发令枪响，两位运动员用力一蹬，从起点出发。冰刀划过冰面的咔咔声，就像是飞翔的预告，也宣告着“相约北京”系列冬季体育赛事速度滑冰中国公开赛在北京国家速滑馆开赛。
“运动员下脚的一刹那，就知道这个冰好不好。”在国际测试赛中，国家速滑馆表现优异，或者说，冰面“很走道儿”。“这个场馆非常美丽，冰面的体验也非常好。”第一位登上赛场的荷兰选手克莱依维尔德兴奋地说。而对于北京城建集团总工程师、国家速滑馆总工程师李久林来说，听到运动员成绩的那一刻，他才略感轻松，“这是一场对工程技术前沿的大挑战，体现了中国建筑行业的最高水平。”
为深化绿色、共享、开放、廉洁的办奥理念，在北京2022年冬奥会与冬残奥会的筹办过程中，“科技冬奥”愿景贯穿始终，目标是为世界探寻更好的未来城市生活解决方案。有“冰丝带”美称的国家速滑馆，无疑是探寻未来的生动注解。替代传统钢结构的索网屋面、碳排放值趋近于零的制冰水平、数字化生产与装配技术……科技前进的每一小步，都是自主创新的一大步。
从0到1
国产索填补应用空白
2021年11月6日，立冬前一天，北京迎来今冬第一场雪。一大早，李久林就以技术专家的身份出现在建筑工地上，为不久后的关键节点施工出谋划策。“过去干工程，最重要的是保证施工质量；现在干工程，许多时候还要做好技术创新。”办公桌上，一本本项目图纸和实验报告，是他持续创新的源泉，这其中，不少都和一个名字有关——国家速滑馆。
时间回溯到3年前。
2018年1月16日，北京市重大项目建设指挥部办公室对外公布了北京2022年冬奥会标志性场馆——国家速滑馆政府与社会资本合作项目招标结果，首开集团、北京城建集团、北京住总集团、华体集团4家单位组成的联合体中标，并与政府出资方代表北京国资公司组建项目联合体，负责国家速滑馆的建设与运营。
这是2022年冬奥会北京赛区唯一的新建场馆，也是北京冬奥会首个采用政府与社会资本合作模式进行建设的场馆，重要性和受关注度不言而喻。很快，李久林接到通知，去国家速滑馆当总工。“工程复杂，工期又短，怎么想都太难。你当过‘鸟巢’的总工程师，希望借助这种重大工程的主持经验，把这根‘硬骨头’啃下来。”临危受命的那一刻，李久林的脑子里就紧绷起一根弦：又好又快地建成国家速滑馆。
又好又快，脑海里的四个字，真要做到却是难如登天。
建筑面积约8万平方米的国家速滑馆，有着灵动的造型：沿着外墙盘旋而成的曲面玻璃幕墙，犹如22条晶莹美丽的“冰丝带”，“丝带”飞舞向上，围合出顶部的马鞍形屋面，仿佛森林的顶盖。支撑起这造型的，则是全球规模最大的单层双向正交马鞍形索网结构——长跨198米，短跨124米，索体总长20450米。“受力优、形态美外，索网结构的另一大优点是节能环保。”李久林说，国家速滑馆索网屋面的总重量达968吨，用钢量却仅为传统钢屋面的约四分之一。
但硬币的另一面，是复杂的变形控制。这是因为，索网具有一定的柔性，当向高空提升时，随着温度、风力等环境因素发生变化，索网的最大变形值可达到470毫米。与此同时，国家速滑馆的索网结构生根于8500吨超大跨度钢结构环桁架上，环桁架也会在索网提升张拉中跟随变形。而固定在索网结构上的管线，如除湿风管和雨水排水管，也要适应索网的变形。
变形，是建设中的变数，也是建设过程中的难点。而当李久林提出在国家速滑馆索网施工中舍弃采购成熟的进口索，改为应用国产高钒密闭索时，这个变数又增大了。
“以前都是使用进口索，这次为何非得使用国产索？”“国外供应商追着卖索，干嘛不买现成的？”“这么重要的工程，万一出现风险，责任谁来担？”……质疑的声音不绝于耳。李久林却坚持，100%使用国产索。
“这是基于摸底调研后的合理判断。”说起当初的这个决定，李久林解释，这并非盲目乐观，而是一次顺理成章的突破。进口索虽然产品有保障，但价格居高不下，还会因加工、通关等导致供货时间不可控。反观国产高钒密闭索，早已在矿山、缆车等领域有应用案例，且整个生产流程中，只差制作索体外层的Z形钢丝的技术，在短时间内是有望实现国产化的。
“迈出第一步很难，但总要有人迈！”3个月的时间，李久林带着项目团队与生产厂家联合开展技术攻关，成功研制出第一根试制索，并经第三方机构平行检验，验证了国产索的安全性和可靠性。
2019年3月19日，形似羽毛球拍的索网如“天幕”一般在高空张拉成型，不仅填补了国内大面积、超大跨度单层正交索网同步张拉的技术空白，也一举打破了进口索的垄断地位，填补了国产索在国内大型场馆的应用空白。
2021年10月，国家速滑馆的超大跨度索网高效高精度建造关键技术，获得中国钢结构协会科学技术奖特等奖，这也是中国钢结构协会的最高荣誉奖。更值得惊喜的是，如今，上海浦东足球场、三亚亚沙会体育场等国内各大工程纷纷效仿，陆续应用起国产高钒密闭索，国内高端材料行业再一次实现“并跑”。
从1到N
智慧建造让丝带飞舞
“真美啊！”2021年10月28日晚，国家体育场、国家速滑馆、国家游泳中心集体亮灯，夏奥场馆与冬奥场馆遥遥相望、相得益彰，揭开了北京这座“双奥之城”的魅力一角。
而在国家速滑馆项目技术质量部副部长苏振华眼中，这份魅力来得更早一些：是拔地而起的效率，是自我革命的勇气，更是精益求精的坚持。
如果说国家速滑馆的建设质量离不开突破与创新，建设速度更是须臾离不开科技的助力，或者，用李久林的话说：用技术赢空间，用空间换时间。
“国家速滑馆采用了全新的结构体系，可谓环环相扣。”李久林告诉记者，按照正常的施工工序，国家速滑馆需要先进行土建施工，在土建结构完工后再进行钢结构环桁架施工，环桁架拼装完、现场实测实量后，才能进行索网的加工和施工，随后是屋面和玻璃幕墙的施工。但若这样按部就班地施工，工期上不允许。如何与时间赛跑？第一次项目碰头会上，他就提出了平行施工的思路：在进行地上土建结构施工时，同步开展钢结构、索结构的材料加工和施工。
想象一下，当吊车、罐车在围挡环绕的现场内进行地上混凝土结构施工时，场外，东、西车库顶板上钢结构环桁架已开始拼装；
当建设工人昼夜抢工，地上混凝土结构全部完工时，场外东、西两侧环桁架拼装完成即将开始滑移；
随后，场外环桁架开始在高空向场内滑移，而地面之上，建设工人正编织钢索；
……
这一幕发生在国家速滑馆建设现场的平行施工场景，让不少人感觉震撼。像造汽车一样造场馆，仅用4个月就完成了原本按照顺序施工需10个月的工程量，“这就是智慧建造。”李久林笑着说。
实现智慧建造，精准分析是基础。“作为施工团队的‘大脑’，技术团队要做的就是解读图纸，把建造的昨天、今天与明天用数据展现出来。”苏振华以8500吨钢结构环桁架举例，他们需要基于BIM（即建筑信息模型）技术，建立起钢结构环桁架的模型，并对不同焊接温度、自重、滑移、卸载等因素下的变形量进行仿真分析，计算出变形值，在加工和施工时弥补变形，再通过精准的测控技术和装配化安装，确保施工达到设计精度。
对一座8万平方米的冬奥场馆来说，读图的计算量可谓浩大。“坐在电脑前，28岁的我第一次体验到了头疼的滋味。”苏振华介绍，14天里，他计算出了140个基坑的数据，“白天黑夜地算，只有数据准确了，施工才能精准。”
实验验证，也成为贯穿场馆建设全程的指南。比例模型实验，在实验室或工厂先做出模型，确保技术稳定后再到项目现场实施；材料稳定性实验，从一个个样板中必选最优材料。从2018年1月开始桩基施工，到2020年除夕夜亮起灯光，仅仅24个月，国家速滑馆就完成了从精耕细作、拔地而起，到天幕编织、丝带飞舞的结构施工。
这种速度，是坚持高标准下的智慧效率。个子高、脾气急的国家速滑馆项目安全总监田宝新，对此最有发言权。2018年11月，钢结构环桁架第一次试滑移前，只因为缺少几道焊缝的数据，田宝新拒绝在审批方案上签字，并叫停了试滑移的准备工作。“每道焊缝都得检查一遍，数据一个不能少。”这位在工地上呆了30多年的建设“老兵”深知，安全无小事，为此他不惜当“恶人”。
建设全程，国家速滑馆实现了零事故。2020年5月17日，经12位评审专家现场考评，国家速滑馆工程以148.5分的年度最高分，获得2019年度中国钢结构金奖年度杰出工程大奖。评审专家一致认为，国家速滑馆工程施工难度大、质量要求高，建设质量、标准达到国际领先水平。
最环保的冰
温差控制在0.5℃以内
其实，最令建设团队忐忑的，是国家速滑馆的冰面。
为了在赛后实现速度滑冰、短道速滑、花样滑冰、冰球等所有冰上运动的全覆盖，更多地为大众提供冰上活动空间，自设计之初，国家速滑馆就确定要采用全冰面设计，1.2万平方米的冰面也创下了亚洲之最。但这个“亚洲之最”背后带来的挑战是：由于不同冰上运动要求的冰面温度不同，全冰面的设计意味着要能对每一块冰面实现单独控温，使整个场馆实现同时运行、不同使用。
如何制冰？国际单项体育组织专家曾建议采用国际惯用的环保制冰技术，但中国团队经过1年半的摸索，决定选择技术更先进、能耗更低的二氧化碳制冰技术，即二氧化碳跨临界直冷制冰技术。这是目前世界上最环保的制冰技术，碳排放趋近于零，有助于打造出最快、最环保的冰面。
这也是冬奥场馆历史上第一次使用的新技术。经模拟分析，采用二氧化碳跨临界直冷制冰技术，冰面温差可控制在0.5℃以内，相较于传统方式，不仅效能可以提升20%以上，制冷也更加均匀，不会出现各个部位温度不一样、冰面硬度不均匀的情况。在以0.001秒计时的高水平竞技中这些因素尤为关键。
新的技术，意味着新的挑战。参与国家速滑馆冰板层施工的李燕敏说，要打造最快的冰，对制冰排管安装精度和冰面混凝土平整度有超高要求。“冰面之下，实际上是厚度达17厘米的混凝土地面，包括加热层、防潮隔汽层、保温层、防水层、混凝土冰板层等9层结构，一层层叠加而成。”李燕敏介绍，总长度约120千米的不锈钢制冷管道就盘踞在混凝土冰板层中，单根不锈钢管的长度在40米到50米，光焊接口就有8574道。为了高质量完成任务，施工中，自动焊机取代人工焊接，一次焊接成型，“最终，混凝土冰板层水平高差在4毫米左右，连外国专家都夸赞，说做出了像镜面一样的效果。”
与此同时，为了确保速滑赛道冰面质量满足冬奥会比赛要求，北京2022年冬奥组委体育部特聘来自加拿大的制冰师马克·麦瑟为制冰专家，由国内外制冰师联合制冰。
值得一提的是，通过智慧化管理，国家速滑馆还实现了馆内气温分层：冰面一个温度，确保冰面标准稳定；运动员比赛空间一个温度，保证运动员体温体感，有利于创造最佳运动成绩；观众席一个温度，营造一个舒适的观赛环境。
被寄予厚望的“最快的冰”，在国际测试赛中没有令人失望。今年10月，在国家速滑馆举办的北京冬奥会首场国际测试赛“相约北京”速度滑冰中国公开赛中，3天的比赛，共有4名运动员5次滑出个人最好成绩。
国际滑冰联盟副主席创·埃斯普利将这块冰面形容为“无与伦比”。女子3000米冠军、荷兰选手克莱依维尔德表示，这里的现代化设施让她感到很震撼，非常幸运能够有机会来到北京，参加这次测试赛。中国速滑运动员杨滨瑜则评价道，“这是一个华丽、漂亮的冰场，体验感很好，冰面的质量也很好，各方面设施非常完善，非常荣幸能够在国家速滑馆参加比赛。”
参与了国家速滑馆建设全程的团队，则对这块冰期盼更多。“我期待等到北京2022年冬奥会正式开赛后，全世界的运动员都能在这里体验到最棒的滑冰感觉。”李久林说，从“鸟巢”到“冰丝带”，既是重大赛事的场馆，也是技术进步的标志。
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比如，位于延庆的国家高山滑雪中心，赛后将进行四季运营。其中，雪季将继续举办高山滑雪赛事，为专业滑雪队提供训练场地，并向滑雪技能高级别大众爱好者开放；同时利用回村雪道形成训练雪道，面向广大群众提供舒适且富有趣味性的滑雪运动场地。非雪季时期，这里将作为山地观光和户外运动场所，可以开展山地探险活动，包括山地越野跑、自行车、滑索、攀岩等多种方式。
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