由水到冰，水立方“变形记”

2021-03-02

中国科技财富 2021年1期

关键词：水冰水立方变形记

刚刚过去的元旦，对于所有为冬奥场馆奔忙的人来说是个大日子：北京冬奥会全部竞赛场馆于2020年12月31日前全面完工。

国家游泳中心（水立方）是第一个实现完工改造的场馆，也是世界上首次采用智能化技术建立泳池转换冰场。现在，它有了一个新名字——“冰立方”。

时间回到2015年7月31日，2022年冬季奥运会主办权花落北京。按规划，水立方将变身“冰立方”，承接冰壶比赛——在全中国最有名的场馆、晶莹剔透的蓝色膜结构里，招待全球来客，一切似乎完美。

没想到，这个先入为主的决定让水立方的命运陷入两难之境：冬奥会冰壶比赛历来都是在混凝土结构上冻冰，如果要在水立方举办，只能彻底放弃原有功能，在泳池中浇筑混凝土。

如此一来，水立方将不再有“水”。

一边是国人有特殊情结的重要的奥运遗产之一，是创造过24项世界纪录的“全世界最快的泳池”；一边是冰壶场地的严苛标准、国际奥委会的严格把关和“科技冬奥、绿色冬奥”的庄重承诺。

水还是冰，夏还是冬——这道二选一的艰难命题，横在冬奥团队面前。

水立方何去何从？

“没了水就没了魂”

舍弃泳池，北京国资公司所属国家游泳中心总经理杨奇勇是最不能接受的。

2004年起，他开始在水立方工作。彼时的水立方还是一片空地，这座日后位于中轴线西侧的“蓝色地标”还停留在刚刚赢下场馆设计方案的图纸上。从一名现场工程师开始，杨奇勇亲历了场馆的拔地而起，2008年的奥运盛事，其后数千个日夜的场馆运营，无数人慕名而来。迄今为止，水立方已经接待了2700万名游客，举办了超过1600场活动。

加入冬奥申办行列，这座场馆独特的气质和影响力得到国际冬奥会和国际冰壶组织的一致喜爱。“申办小组问我们办冰壶比赛行不行，我们在网上看了录像，感觉和冰球、速滑比，冰壶没有太大的运动幅度，应该比较轻松。”杨奇勇回忆说。

现实却大相径庭。确定承接后，大家才意识到原来冰壶比赛是块极其难啃的“硬骨头”，对场地的技术要求极高，需要稳固的混凝土基层。

这也是国际冰壶组织的明确要求。2015年底，国际冰壶组织第一次派人来水立方考察，就提出在泳池中浇筑混凝土的要求。

一旦浇筑，泳池即遭废弃，这意味着放弃水立方的夏季奥运功能。

在设计总负责人、北京市建筑设计研究院副总建筑师郑方的讲述里，种种不舍具体可感。

“郭晶晶等人就是在那里拿的金牌。”他手指向远处的十米跳台，“中国跳水‘梦之队’包揽了除男子10米台的全部金牌。”

水池的荣耀恍如昨天。“2008年，运动员们在这个游泳池里24次刷新21项世界纪录。菲尔普斯一人独得8块金牌。”视线转向另一边，“那边还有个嬉水乐园，小朋友都特别喜欢，馆里甚至还有婴儿游泳池。”

“水是这座建筑的灵魂，”郑方反复讲，“它所有的设计都跟水有关。大家来到这里，就是为了游泳、玩水。你看上面屋顶的气泡，多边形气枕就像水分子一样包裹着这个房子的钢结构。里里外外、从结构到功能，这里都与水有关。失去水，这个房子就没有灵魂了。”

十年来，国际游泳和跳水比赛每年如期上演，“观众到点儿就来，电视上就播。”杨奇勇说。

除了“情感上很难接受”，他手里还有一本实在的“经济账”：靠着夏季奥运会的光环和拉动，以及人们对奥运遗产的爱护，水立方的旅游收入达到总收入的三分之一，这个比例在国内首屈一指。一旦赛道被破坏性拆除，后台千万级投资的设备机器将被弃用，代价巨大。

不想浇筑混凝土，也别无他法。筹备时间在大家的不甘和矛盾中哗哗流过。

杨奇勇知道，不能等“死”，要救游泳池！

2016年初，矛盾已经箭在弦上。两位并肩作战多年的老友在泳池边徘徊。其间，一个大胆的想法闪现：能不能夏天游泳，冬天滑冰，把水立方变成“两栖”的？

“水冰转换”，这个奥运历史上前所未有的做法带来破局的希望。

“难搞”的冰

顾名思义，“水冰转换”就是在保留水上功能的基础上，新增冰上功能，实现水立方与“冰立方”的互换。

这不是天外飞仙的想法。凭借多年建筑工程经验，结构工程师杨奇勇对在泳池里铺设可拆卸的稳定支撑结构有把握。

但往上到了冰面，就没什么底气了。

在那之前，全世界只有一个日本的游泳馆曾在上世纪90年代在泳池上铺设简易冰面，供人滑冰娱乐，但消遣性质的普通滑冰和奥运级别的冰壶比赛，改造难度如云泥之别。更令人灰心的是，当时国内对冰面性能的研究还是空白。

冰壶比赛的“冰”大有讲究。

如果你曾经摸过赛道，会诧异于那并不是一片平整光滑的冰面，而是散布着无数细小的颗粒，大小不一且不均匀，合起来约占冰场一半面积。冰壶在密布冰点的“鹅卵石路”上快速滑行。

长45米，宽4.75米，整个厚度在4到5厘米的冰层其实就像一块“切糕”，制冰师要按照顺序依次铺设每一层构造。从底层冰到制冷管线，再到比赛冰面，每次制冰，国际顶级制冰师通常要花费约10个工作日，用细水管把经处理的纯水几十上百次地浇上去，精细平整，喷洒水雾，形成冰点。

冰壶赛道也不是一个永恒不变的水平冰面，随着冰壶在赛道上不断滑动、制冰师的反复修冰，甚至室内环境的些许变化，赛道表面发生着微妙的改变。

用郑方的话说，冰非常“敏感”。

冰壶比赛要求场馆湿度在30%以下，冰面温度约在零下8摄氏度，冰面以上1米空气温度在10摄氏度，馆内温度在16摄氏度以内，这些数据会直接影响冰壶与冰的摩擦系数。冰壶馆里布满灯光、摄像机，还坐着数量不等的观众，他们产生大量热量，给冰带来种种影响。总之，空气温度、湿度，气流场的分布等时刻影响着赛道的品质。

因此，要在水立方办冰壶比赛，不仅是“冻出标准冰”，场馆内的温度、湿度、通风、节能等都面临全面改造。

“前途未卜”的中国方案

2016年4月，国际冰壶联合会在瑞士巴塞尔举办男子冰壶世界锦标赛，邀请杨奇勇和郑方去看看比赛，学习经验。杨奇勇知道，“短兵相接”的时候到了。他们带上水立方“水冰转换”的方案去了巴塞尔。

一进门，还没提交方案，世界冰壶联合会的技术代表先给出一页纸，上书29条技术标准。那是杨奇勇和郑方第一次见到冰壶世界通用标准，也是第一次体会到形势之严峻：对照来看，水立方几乎一条也不满足。

第五条甚至明确写着：世界冰壶联合会倾向使用混凝土基层，其他方案应征求同意。

混凝土基层常规而稳妥。“水冰转换”方案则设想在原来的泳池赛道里，通过搭建可转换结构、安装可拆装制冰系统，形成标准冰壶场地。冬天一过，构造移除，回归泳池。

谁也不知道这个体育场馆创新利用的“中国方案”，前路如何。

“只能进，不能退，没有别的选择。”杨奇勇这样描述当时的心情，“我们表态拒绝现浇混凝土方案，希望给机会做水冰转换的实验。如果不能满足全部标准，就无条件服从。”

军令状递出，水立方暂时“躲过一劫”。

“冰水两重天”

作为2008年北京奥运主要的水上项目比赛场馆，水立方总建筑面积6.5万至8万平方米，地下部分的建筑面积不少于15000平方米，内设多个游泳池、跳台，还有占据一半面积的嬉水乐园。

从高温高湿的泳池环境，到低温、干燥的冰场环境，可谓“冰水两重天”，改造技术难度和工程复杂度远超设想。

搭建转换结构是改造的首要难题，讲究的是快、稳和高精度。

冰壶比赛对冰面平整度要求极高，每平方米在承受150公斤重量的情况下，冰面变形不能超过1毫米，据助理制冰师张金泉介绍：“我们研发定制可拆装的钢结构作为冰下主体结构，为冰壶赛道提供牢固的结构支撑。”

赛道最下面是钢结构支撑体系，然后，依次是10厘米轻制混凝土预制板和两层各5厘米的保温层，接下来又是PE防潮隔离层及无纺布层，在7厘米的制冰排管及蜂窝支架之上，才是运动员接触到的真正冰层。

作为最终冰面的基础，混凝土板块两米之内高差不能大于3毫米，全场高差不能大于6毫米，这是拼装结构安装误差的极限。

改造中，很多原来引以为傲的设计，此刻都成了待解的难题。比如醒目的“蓝色泡泡外墙”。

水立方的蓝色膜结构形体轻盈、透光性强，但对于“娇气”的冰面来说，从早到晚的阳光并不友好。据高级技术经理时玉桥介绍，他们在膜结构下覆了一层PVC膜，给水立方“拉上了窗帘”，避免了阳光照射对冰的影响。等到水立方切换到“夏季模式”，这层黑膜还可以移除。

冰壶被称为“咆哮的运动”，冰壶运动员比赛不带扩音设备，全靠喊，对于场馆的声音环境要求很高，为此，团队已经进行5次模拟噪声实验，以求达到1.8秒混响效果。

科技专家合力破“冰”

2019年，科技部联合北京市、河北省及北京冬奥组委，会同教育部、工信部、国家体育总局等部门成立“科技冬奥”领导小组，统筹设计科技冬奥重点任务，为北京冬奥会和冬残奥会提供科技支撑。

清华大学、哈尔滨工业大学、同济大学、中建一局、商汤科技等，以及志愿加入的东北农业大学在内的国内顶尖科研力量集结起来，在科技部部署下，致力于在冰的内部性能和外部影响研究上寻求突破。

他们中，有人本身研究极地冰川，有人研究海洋冰对钻井平台的影响，有人专攻热—力学、研究低温空调，都属运动冰研究的“擦边球”。

某种程度上，他们在为国内运动冰研究“开山辟路”。

在杨奇勇看来，这固然是出于场馆建设需要，却延伸出更悠远的价值。

冰壶运动作为舶来品，最初是在奥运争光战略下，因其较适合亚洲人参与，为了扩大中国冰雪项目的夺金面而引进的。十几年来，高潮有之，平谷更多。由于国内并没有对冰进行过系统研究，也就没有人给运动员提供基础而必要的冰面信息。在世界顶级比赛中，冰面的微妙变化将影响关键时刻战术选择，而中国运动员在“读冰”方面能力薄弱。

相比而言，老牌强队积累了很多历史经验，能通过读取冰面做出更好判断。国内运动员却因为研究信息的匮乏望尘莫及。

通过对冰研究的拓荒，一方面解决标准不齐、冰面不完美的问题，一方面也可以积累数据和经验。“如果运动员可以知道一场比赛打到第五局时冰面可能发生了什么变化，他一定可以在脑中庞大的计算体系中选择一个更优的战略战术。”杨奇勇说，“我们下了巨大的功夫做研究，转身把数据给他们，就成了竞赛的‘帮手’。”

此外，高水平制冰师这个国内鲜见的职业也能在这个过程中成长起来，为中国未来的制冰工作提供“工作范本”。

用“智慧大脑”指挥转换

2019年底，水立方第一次圆满完成“水冰转换”，耗时近60天。2020年12月，第二次“水冰转换”的结构搭建顺利完成，仅用十几天，达到“科技冬奥”重点专项的既定目标。

大大加速的“水变冰”背后，是智能化改造的加持。

据了解，第二次转换搭建了由2600根薄壁H形钢和1570块轻质混凝土预制板组成的转换结构，每根（块）钢梁和混凝土预制板都有自己的“数字身份”，在转换施工中，可以精准高效地将每个构件复位。在施工过程中，通过运动捕捉技术与施工测量技术相结合，极大提高了安装精度。

“冰壶赛道对平整度要求极高。去年给混凝土板调平时，工人每调平1块板，就涉及周边8块板，测量非常耗时。现在配备10台高精度传感仪实时反映高差变化，调平一次性到位。”杨奇勇说，这项技术还会更成熟，“水冰转换”还能提效。

传统场馆变“聪明”

变化不只发生在泳池内，水立方转成冰立方，传统场馆也转成一座真正意义上的智能场馆。

杨奇勇说，“水冰转换”要求场馆后台机器设备、控制系统都有能力随场馆功能需求转换，期间还要承办商业活动。这给场馆设备智能化水平，甚至物业管理水平带来巨大挑战。

为保障“冰立方”的室内环境条件符合冰壶比赛的要求，场馆设置了由4000多个传感器领衔的楼宇设备管理系统，可以监测和控制场馆内的温度、湿度、PM2.5浓度等的变化。在这套系统的精准调控下，冰壶赛道冰面温度达到零下8.5摄氏度的要求，冰面上1.5米高处温度始终保持在10摄氏度，看台观众区温度则恒定在16至18摄氏度，真正做到“同室不同天”。

在环绕冰场的观众台下方，可以看到直径1米的蓝色长条“布袋”。这种“布风管”是一个除湿送风系统，除湿系统处理完的低温低湿空气经过它，被均匀地吹送到场地上空。

场馆的地下，藏着一间60平方米的控制室，墙上大屏就是水立方智能建筑运维管理平台，实时显示制冰系统、除湿系统、能源系统、票务系统等的运行情况，对场馆各设备系统实行智能调控。可视化的能源管控还能有效控制场馆能耗和碳排放。

时玉桥说，等到冬奥会时，观众还可以通过人脸识别出入场馆，通过新设的四块智能导览屏顺畅穿行。