从“冰丝带”到“水立方”，从场馆结构到制冰方案，从满足赛事需要到赛后循环利用……2022北京冬奥场馆建设处处体现出科技奥运、绿色奥运的理念，也凝聚着中国科技力量。
“冰丝带”建成超大跨度索网结构
国家速滑馆“冰丝带”由22条晶莹的丝带造型曲面玻璃幕墙环绕，远观飘逸，近看宏伟。“冰丝带”的屋盖结构是超大跨度索网结构，跨度大、面积大、空间大，其建设施工与运维保障背后，中国团队贡献了重要的科技力量。
“所谓的索网结构，简单地说，就是一张由钢索编织而成的大网。这样一张大网‘扣’在了国家速滑馆的上方，形成一个马鞍形双曲面屋顶。”浙江大学建筑工程学院教授罗尧治介绍，“冰丝带”屋盖结构由49对承重索和30对稳定索编织而成，长跨198米、短跨124米，“冰丝带”也是目前世界上跨度最大的单层双向正交马鞍形索网屋面体育馆。
由于一根索网就有几吨重，只有通过合理的张拉，才能织成一张网。在索网的施工过程中，采取了“先地面拼装、再整体提升”的工序，由于场地空间限制，铺在地面等待张拉的钢索需要微微拱起。倘若没有准确的数据支撑，谁也不能轻易下令弯折动辄几吨的钢索。
“国家速滑馆屋盖跨度大、钢索多、内力协调复杂，这要求结构必须实现高精度的建造。”浙江大学建筑工程学院教授邓华介绍，团队在浙大打造了一个缩小版的“冰丝带”模型，模拟索网结构的建造全过程，并验证结构的设计性能。
浙大团队基于大量的数值仿真结果和试验测试数据，在索网的整体提升、张拉控制、施工验收和预张力监测等方面提出了系统性的方案和建议，为“冰丝带”大跨度索网屋盖结构的高精度建造提供了有力的技术支撑。
此外，团队还通过沙袋等，在张拉好的索网施加荷载。“我们在模型上吊挂不同的荷载来模拟风吹雪打的环境，验证屋顶的强度和抗形变能力。”邓华说。
为了更好摸清钢索状态，保障施工质量与安全，罗尧治团队在施工环节就安装上浙大自主开发的无线传感器，用以实时监测和力学分析，不仅在建设时发挥作用，在建成后，也依旧为“冰丝带”测量着“脉搏”与“心跳”。
“拿到数据、传输数据、处理数据，是我们开展监测分析的全过程。”浙江大学罗尧治团队成员、建筑工程学院教授许贤说，团队对速滑馆的应力、位移、加速度、温度、风压、索力六大类参数进行监测，测试点数多达千余个。
相较于传统的刚性屋面结构体系，柔性的索网屋面在满足结构功能的前提下大大减少了结构的用钢量，这样精巧的空间设计为节能环保提供了保障。
“现代空间结构技术水平是一个国家建筑科技水平的重要标志。人们不断追求更大的建筑空间，也促使我们不断研究创新，来满足工程建设的重大需求。”浙江大学建筑工程学院董石麟院士说。
“冰立方”“水立方”双轮驱动
2022年冬奥会期间，国家游泳中心“水立方”将变身“冰立方”，在泳池上搭建可拆装的冰壶赛道，承接冰壶比赛项目。
冰壶运动对冰面质量、场地环境及赛场保障有严苛的要求。国家游泳中心联合哈尔滨工业大学等组建科研团队，按照“水冰转换，双轮驱动”的策略，开展了结构、温度、湿度、照明、声学等方面的攻关和改造，实现了“冰场-泳池”复合型“双奥场馆”。
“最快可以10至20天完成装配式冰场结构的安装。”2015年以来，经过6年多的科研攻关与现场测试，哈尔滨工业大学土木工程学院教授张文元团队创造性地提出了冰水转换赛场的结构方案、设计详图、性能指标和评价体系。
张文元介绍，“水立方”变身“冰立方”分为“三步走”：首先是设计结构方案，实现在游泳池里“盖房子”;其次，将设计好的钢架构快速搭建起来，避免对泳池的损伤;最后，再将冰面快速精细调平。
“冰壶是比较‘娇气’的运动，任何微小的振动都会影响冰壶的运行轨迹。”为了保障新结构在比赛中的可靠性，哈尔滨工业大学土木工程学院副教授丁勇带领团队设计了结构安全健康监测系统，采用全面感知、智慧控制等手段，实现对冰面影响因素的全过程监控。
这个系统可以实时观测冰面结构的加速度、位移、应变、倾角等详细情况，并将数据实时传导到计算机监测系统中，方便第一时间掌握变化情况。
目前，“冰立方”结构自振频率不低于20赫兹，经过试验不会影响冰壶的运动，已在2019年全国青少年冰壶公开赛等多项赛事中成功应用。
张文元说，依托国家重点研发计划“科技冬奥”专项课题，团队已获得国家发明和实用新型专利14项，发表相关论文10余篇。
冰在阳光照射下容易融化，因此“水立方”半透明式的房顶，需要拉上一层可移动的窗帘。哈尔滨工业大学建筑学院教授陆诗亮说，为了找到合适的材料，团队反复模拟、实地试验，最终选择一种厚约0.26毫米的膜材材料，能够有效将游泳馆的高温高湿环境变成冰壶场的低温低湿环境，并降低热辐射对制冰系统运转的负荷。
值得一提的是，这层膜并非一张平整的大网，而是由几百块“小窗户”组成的。“‘水立方’的外观是水泡形结构的，设计时就临摹出每个水泡，给每块水泡的膜装上小边框，再完好地覆盖在上面，既美观，又精准。”陆诗亮说。
未来，国家游泳中心既可以举办国际级别的游泳赛事，也能够举办大型冰上赛事，还可以举办多种大众冰水娱乐活动，真正实现了“水立方”“冰立方”双轮驱动。
制冰方案更环保
经过一系列测试活动、测试赛，北京2022年冬奥会冰上场馆的优质冰面受到国内外各项目选手们的好评。此外，北京冬奥会的7座冰上场馆的冰面，还具有环保、环境可持续性的特点，制冰方案从设计到执行，“绿色办奥”的理念贯穿始终。
据了解，北京2022年冬奥会新建、改建了7座冰上场馆、共9块冰面，均使用了环保型制冷系统和制冷剂，其中5块冰面使用了二氧化碳(R744)跨临界直接制冷系统，4块冰面使用了R449A制冷剂。
在冰上场馆制冰方案的设计之初，原计划采用R507制冷剂，该制冷剂在当前全球范围内普遍使用，符合《蒙特利尔议定书》对发展中国家的要求，但其GWP值(全球变暖潜能值)为3985，相对较高。
为使北京冬奥会的场馆更具有环保、可持续性，在国际奥委会和国际专家的支持下，北京冬奥会积极研究制冷剂的国际发展趋势和当前实用技术，与国内外制冷行业知名专家多次会商讨论，确认了两种制冷系统可以选择：一是二氧化碳跨临界直接制冷系统，适合常年制冰的场馆，如国家速滑馆等;二是传统制冷系统，适合不需要常年制冰的场馆，如水立方、国家体育馆等。
北京大学教授、国际天然工质研究领域知名专家张信荣认为，二氧化碳跨临界直接制冷系统具有安全性高、能耗和运行成本低、环境友好等优点，且全部热量可回收利用，是冰上场馆能源系统中最有前景的工质之一，可使场馆能源系统冷热一体化高效运行，在全球范围内都具有广阔的应用前景。
国家速滑馆制冰技术方案有十多位院士、国内行业协会顶尖专家、建设代表进行反复论证，在与北京冬奥组委、国际奥委会制冰专家的讨论中，二氧化碳跨临界直冷制冰技术被提出。
“国际单项体育组织专家曾说，国家速滑馆使用国际惯用的环保制冰技术就能达到冬奥比赛标准。但经过18个月摸索，中方团队把历届冬奥会速滑馆制冷系统资料翻了个遍，对世界所有制冷剂优劣特点逐一分析，最终拿出了更先进的制冰技术。”参与国家速滑馆建设的工程师宋家峰说。
在创新的背后，环保考量是最重要的因素。据宋家峰介绍，北京冬奥会之前，在全世界范围内，从未在大型冰上场馆中使用过二氧化碳跨临界直接制冷系统。二氧化碳制冷剂ODP(破坏臭氧层潜能值)为0，GWP(全球变暖潜能值)仅为1，使用相同数量的传统制冷剂的碳排放量，是二氧化碳制冷剂的3985倍。二氧化碳制冷产生的余热回收后，可以提供70摄氏度热水用于生活热水和除湿再生等用途。相比传统制冷方式，国家速滑馆采用二氧化碳制冰能效提升30%、一年可节省约200万度电。
在传统制冷剂选择方面，当前国际相关组织，如美国空调制冷学会(AHRI)，确定了现阶段全球范围内普遍使用的R507所对应的替代制冷剂可为R449A，R449A的GWP值为1282，较R507降低了68%。
北京国家游泳中心、国家体育馆和五棵松体育中心均为2008年夏季奥运会的主场馆，并将在北京冬奥会承办冰壶和冰球比赛。为响应“绿色、共享、开放、廉洁”的理念，三场馆在对设备供应商、设计工程师和服务提供商进行调研后，选择了R449A制冷剂。
制冷行业内专家说：“采用R449A制冷剂，是在不影响系统性能和经济可持续性的前提下，采取积极措施向环境可持续发展目标迈进的例证。”
国际奥委会一直十分支持北京冬奥会场馆建设的环保选择，相关官员表示，北京冬奥会冰上场馆采用了节能型制冷系统、环保型制冷剂，积极推动了国际奥委会的可持续发展战略。其中二氧化碳制冷系统的使用，率先为世界做出了环保和可持续的示范，R449A制冷剂的选择，将使得北京冬奥会成为冬奥会历史上冰上场馆制冷剂GWP值最低的一届冬奥会。
(记者 朱涵 杨思琪 赵建通)
