“冰丝带”的科技范儿

《人民日报海外版》 （2022年07月21日 第09 版）

 

刘 峣 彭元元

近日，北京冬奥会标志性场馆、唯一新建冰上运动场馆国家速滑馆“冰丝带”正式对外开放。北京冬奥会上，各国运动员在此创造世界纪录并多次刷新奥运纪录，高亭宇实现了中国冬奥男子速度滑冰金牌“零的突破”。

除了近距离接触“最快的冰”，公众还可以在开放后的“冰丝带”中领略科技的神奇。对外开放期间，“冰丝带”以模型等方式立体展示国际领先的二氧化碳跨临界直冷环保制冰技术以及索网幕墙等具有创新意义的硬件建设成果，彰显绿色、科技冬奥和北京“双奥之城”发展风采。

北京城建集团总工程师、国家速滑馆总工程师李久林在接受采访时说，“冰丝带”在场馆策划和设计之时，便考虑到满足所有冰上运动需要。科研团队从设计理念、技术工艺、材料选取、施工技法等多个方面都实现了创新和突破。“冰丝带”将成为集体育赛事、群众健身、文化休闲、展览展示和社会公益五位一体的多功能体育场馆。

创新制冰技术

走进“冰丝带”，曾见证多项新纪录的冰面最受游客青睐。据统计，“冰丝带”开放首日，仅上午入场的游客中就有近1000人上冰体验。

李久林说，建设团队在整个研究和建设过程中，始终把“最快的冰”作为最重要目标。

“影响‘最快的冰’的因素很多，其中一个最重要因素就是冰面的质量和温差。”李久林说，在“冰丝带”制冰过程中，建设团队采用了多项技术，包括首次研发和应用二氧化碳跨临界直冷制冰系统。

“最早设计采用的是使用R507制冷剂、乙二醇载冷剂的制冰系统，这个技术跟国际上常用制冰技术一样。后来，围绕‘最快的冰’和绿色低碳目标，创新了二氧化碳跨临界直冷制冰系统，这套制冰系统不但将节能环保GWP（全球变暖潜能值）由最初将近4000降为1，同时还能控制冰温。”

李久林说，为了让“冰丝带”的冰更快、更好，团队还采取了很多措施，比如通过激光扫描与建筑信息模型进行比对，检验、保证冰场下12万米不锈钢制冰管道处于精准位置，让冰温更均匀。为保证冰板混凝土平整度，采用激光测量技术，使1.2万平方米冰场平整度偏差从原来5毫米验收标准最终达到最大不超过3毫米。

“整个冰场温差原来理论极限值是0.26摄氏度，通过几次制冰检验达到0.5摄氏度冰面温差以下。当然还有风速、湿度等一系列因素的管控，包括基于数字孪生场馆室内环境的精细调控，所有这些都为打造‘最快的冰’作出了贡献。”李久林说。

“天幕”索网国产化

除了上冰体验外，游客还可以在“冰丝带”开放期间，按照场馆方设计的路线，在场馆内外感受“冰丝带”的建筑之美，拍照“打卡”。

“冰丝带”之美，首先美在外观。李久林说，“冰丝带”的建设注重绿色环保低碳理念，采用了高性能结构体系，通过索网结构实现大跨度屋面建造目标，只用几百吨索就编织出大型场馆屋顶。通过拉索充分发挥材料性能，使索网像网球拍一样扣到速滑馆的屋顶上。

“冰丝带”屋顶的“天幕”采用了全世界体育场馆里最大、最扁的椭圆形单层双向正交马鞍形索网。李久林说，单层双向正交索网，加上环桁架和幕墙斜拉索体系，是第一次创新采用的技术。

“高矾密闭索过去长期依赖进口。依托国家速滑馆重大工程，我们和国内厂家及相关单位共同研究攻关，首次实现索网国产化。目前，国内大量工程都采用了国产高矾密闭索，使得材料从价格到供货期都已经大大压缩。”李久林说。

如此复杂而宏伟的索网是如何搭建的？李久林介绍，团队做了大量的数字仿真，在计算机里模拟整个过程，并在实验室里进行了1∶12模型试验，把索网建造过程模拟出来。整个索网体系张拉成形，非常巧妙，而计算机则控制这些设备实现同步张拉。

“在国家速滑馆建设过程中和建成后，我们通过1100个传感器对数据进行监测，比如在屏幕上能够看到北京大风大雪天气时整个屋面的反应。”李久林说。

玻璃材料节能环保

“冰丝带”这样一个大玻璃房子，会不会像玻璃大棚一样夏天很热、冬天很冷？时值盛夏，北京户外最高温度超过35摄氏度。艳阳高照的正午，“冰丝带”场馆内仍十分凉爽。

“冰丝带”的冬暖夏凉，离不开如水波流动般玻璃幕墙的“保护”。李久林说，“冰丝带”选用四层夹胶中空的玻璃作为材料，实现节能环保的建筑效果，再组合场馆中的遮阳帘、自然通风系统，实现节能环保。

每到夜幕降临时，“冰丝带”外玻璃幕墙流光溢彩。李久林说，如何实现飘逸灵动的建筑效果，实际上是曲面玻璃如何兼顾多个方面的问题。

“在设计方面，我们通过平曲玻璃的耦合分析，使所有玻璃的弧度都一样。通过曲面玻璃和平面玻璃的组合，减少工程建造难度，从而实现飘逸灵动的建造效果。”李久林介绍，针对保温、光污染等问题，团队也做了非常详细的研究，实现了既兼顾建筑效果，又节能环保。

“在场馆建造安装玻璃时，我们也做了包括数字模型在内的大量技术工作，通过激光扫描把所有实际结构和形状都扫描进去，再跟玻璃单元板块拟合，最终实现了飘逸灵动的建筑效果，既实现了三星级节能环保的建设目标，又实现了建筑工艺美学新高度的建造效果。”

打造智慧场馆

“冰丝带”是一座智慧场馆。李久林说，“冰丝带”建造过程中采用了智能方式。“像混凝土构建、看台、钢结构、索网、屋面等，全部是在工厂建设完成，在现场就像组装汽车一样，把它们组装在一起，这个过程中大量应用了自动化和智能化技术。”

“比如钢结构环桁架，一个8000多吨的钢结构实际上是在场馆外侧87米远的地方‘拼’起来，通过计算机控制爬行机器人推动桁架滑移到场馆上面。场馆里面混凝土结构在施工，外侧的钢结构也在施工，两个同时完成混凝土封顶。那边钢结构拼完了，通过机器人滑过来安装到位，大大节约了工期。”李久林说。

除了建造实体场馆，科研团队还在计算机里同步建造数字场馆。李久林介绍，基于建筑信息模型技术，从设计施工到最后的交付，“冰丝带”从图纸变为现实的同时，还有一个跟它一模一样的数字速滑馆也“落成”了。

在运行过程中，“冰丝带”上面有大量传感器。通过管理平台，各种数据实时传输到数字场馆上，实现数字孪生，对实体场馆进行精细调控。

本文部分素材来自大型科普融媒体节目《人民冰雪·冰雪科技谈》