“冰丝带”的三大理念

文/李久林 陈利敏

（作者单位：李久林，北京国家速滑馆经营有限责任公司、北京城建集团有限责任公司、清华大学；陈利敏，北京国家速滑馆经营有限责任公司）

国家速滑馆是北京2022年冬奥会速度滑冰项目的比赛场馆，又名“冰丝带”，位于北京奥林匹克森林公园西侧，是北京冬奥会标志性场馆，与水立方、鸟巢交相辉映。该馆复用了2008年北京奥运会的曲棍球和射箭场地，总建筑面积约12.6万平方米，总座席12038座，在本届冬奥会上将产生14枚金牌。

面对世界最大跨索网屋面结构、复杂曲面玻璃幕墙，如何打造“最快的冰”和“智慧的馆”等技术问题，在科学技术部、北京市委市政府、北京冬奥组委等的大力支持下，北京国家速滑馆经营有限责任公司等单位先后承担了国家重点研发计划、北京市科技计划课题、朝阳区社会发展科技计划项目，通过理论研究、仿真模拟、试验分析、样板测试、系统研发、示范应用等，确保实现国家速滑馆高效高精度地建造和智慧化应用，实现“以运动员为中心、可持续发展、节俭办赛”三大理念的同时，实现其全生命期安全、稳定、高效地运行。

首创单层椭圆马鞍形索网＋环桁架＋幕墙斜拉索的高性能结构体系

研发的多重弹性边界找形方法实现了结构的精准优化分析，使全体系力学性能最优；创造性提出支座后锁定、短拉索后张拉等措施，大大降低了结构及基础负担，节约综合造价；发明滑移—锁定支座、梭形调节器、索力保持器、自适应索夹、预负载水箱等关键技术，使工程高效、高精度实现；通过模型试验，研发了主动索优选定量分析和评价技术，实现建造关键环节验证，提出了影响张拉成形的敏感性因素，为质量标准制定和健康监测提供依据。

自主研制建筑用国产大直径高钒密闭索。研发建立了完整的构件加工制作工艺流程和生产与质量保证体系，实现国产高钒密闭索量产，并首次应用于国家重大建筑工程。产品性能达到欧洲标准，彻底打破了国外技术垄断，使密闭索价格显著降低，密闭索单价由整体进口索的每吨14万元下降至约每吨3.5万元，供货期缩短近1/2，极大推动相关产业发展。产品已推广应用于上海浦东足球场、张家口崇礼冬奥会滑雪场大跳台、三亚体育中心、成都凤凰山体育中心、卡塔尔世界杯开闭幕式体育场、柬埔寨国家体育场和印度尼西亚雅加达国际体育场等大型项目。

研发了基于平行施工的高精度技术体系。首创了基于计算机控制的异位与原位混合安装、高低位二次变轨滑移的环桁架施工方法；研究形成了超大跨度单层正交索网主被动、大吨位同步张拉技术，控制智能张拉力最大偏差为9.45%，高于验收标准的15%；建立了工程全生命周期健康监测系统，实现了高效施工；历经多次大风、大雪等极端恶劣天气考验，以及某日阵风8级条件下，索力变化平均值仅为1.27千牛（KN）。满足了安全、质量、工期、场地、投资的要求。

曲面幕墙、单元式屋面板块填补技术空白

国家速滑馆外立面二层以上为天坛形曲面幕墙系统，总玻璃数量为3360块，单曲玻璃为1440块，平板玻璃为1920块。为了实现曲面幕墙满足“冰丝带”特殊的造型要求，研发了单索支承异面网壳曲面幕墙体系，实现了弧形幕墙玻璃的高效精细化加工制作，推动了曲面玻璃幕墙的技术进步，创造了建筑工艺美学新高度，实现功能、科学和艺术的结合，并大幅度降低自由曲面玻璃幕墙的建造成本。

为了适应索网结构柔性变形，研发了金属单元柔性屋面体系，由1080块4米×4米单元屋面板组装而成，解决了与索网结构配套使用的围护系统技术难题；利用水箱荷载置换法，实现了198米×124米索网屋面的装配化施工，填补了装配式模块化屋面系统的空白。

国家速滑馆，又称“冰丝带”

二氧化碳跨临界直冷制冰系统打造最快的冰

针对国家速滑馆研究多功能、全冰面设计方案并采用二氧化碳跨临界直冷制冰系统，开展了国家速滑馆快速滑道冰面形成理论与多功能超大冰面冰池构造、多功能二氧化碳跨临界制冰系统、室内环境精细控制、冰面与室内环境自动化监控等关键技术的研究，形成了完整的二氧化碳跨临界直冷制冰系统技术体系。发明了基于三维激光测量的超大速滑场地制冰排管安装高精度检测方法，实现了制冰排管安装过程快速数据获取和处理，有效指导制冰排管施工期安装检测和完工验收；发明了一种平板拖拽式和轮式惯性平整度测量系统，融合高精度全站仪平面坐标、高精度里程计和惯性相对高程，获取连续测线的冰面混凝土平整度，实现混凝土平整度快速测量，施工期测量精度达到5米范围不超过1毫米，完工期测量精度达到5米范围不超过0.5毫米，确保了1.2万平方米冰板平整度不大于3毫米，远小于国际滑联的不大于5毫米的要求，有效保障了国家速滑馆冰面混凝土施工的质量和效率。

经多次实测，在冰面30个温度测点中，29个温差不超过0.5℃，1个为0.7℃。此外，制冰系统能效比传统技术提高20%以上，回收制冰废热制取了近70℃的浇冰热水，证实了大型二氧化碳跨临界制冷系统的可行性。在2021年10月进行的2021年速度滑冰中国公开赛中，4名运动员在测试赛中5次滑出个人最好成绩。

低碳冬奥监测与碳中和调控关键技术在国家速滑馆推广应用

针对冬奥赛事特点，在国家速滑馆布设60个点位的分布式二氧化碳传感器以实现场馆内部碳排放的全覆盖监测。运用车载红外光谱测试仪（FTIR）和温室气体探测卫星数据反演实现对场馆周边区域二氧化碳排放的空基和天基测量。并通过将多尺度碳排放数据与场馆运行管理数据的拟合，构建场馆碳排放数据库。

为实现对赛事相关碳排放的精准评估，开展了从速滑馆建设到赛后利用全生命周期的碳排放核算，用以量化赛事筹备、赛时运营、观众观赛及赛后利用等活动产生的碳排放。通过核算赛事相关活动直接与间接碳排放量，为碳排放智能管控提供数据基础。

运用超低能耗建筑技术制造并搭建“零碳小屋”，具有选材环保、可回收利用、装配速度快等特点，并采用全热交换新风确保室内空气质量。搭载“风、光、储”清洁创能系统和零碳智能控制平台，可实现建筑电气系统智能控制，最终达到运行过程的碳中和。

单层椭圆马鞍形索网＋环桁架＋幕墙斜拉索结构体系

先进信息技术实现智慧场馆集成应用

在国家速滑馆基于5G技术的云网雾端架构，借助5G网络用户面功能（UPF）下沉能力，为场馆提供了媒体专网设施，升级了智慧场馆运营所需的网络条件。其核心是通过下沉的UPF可将用户数据流量就近分流至靠近场馆的雾计算或边缘计算平台，能够满足用户对时延要求较高的服务要求，并通过5G网络的无线跟踪区域（TA）控制技术，实现对场内外用户的精准区隔。推出的现场低时延视角定制服务，实现了比赛现场与观众现场手机之间600毫秒的时延效果，观众在赛场内可实时观看到不同角度的比赛实况，不错过任何一个精彩的瞬间，让用户享受无与伦比的观赛体验。

构建了基于物联网的国家速滑馆智能化集成平台，作为神经中枢系统连接着速滑馆的视觉系统、听觉系统、嗅觉系统、呼吸系统、循环系统、动力系统、运动系统，支持毫秒级数据采集，数据点查询速度不低于每秒5万点，单数据节点支持100万点以上的数据管理；可实现对国家速滑馆36个系统进行数据实时采集、汇总、分析，设备运行监控管理，能源管理，安全管理，冰面养护，智能化联动控制与调度等。

运用数字化融合技术将“源—网—荷—储”等所有与能源相关的系统有机联系在一起，通过柔性互联形态使得能量能够在各个系统间自由流动，利用虚拟储能及多时间尺度预测和调度方法，让能量的运动变得井然有序。最后，结合人工智能算法实现能源取用的精准控制，使速滑馆的各种能源系统不再单独工作，而是构成一个统一的整体，用能、蓄能、产能各系统彼此相互关联、相互协调、灵活调度、精准控制。

为了避免传统场馆存在的人工运维工作效率低、运维成本高、响应速度慢等问题，基于全过程建筑信息模型（BIM）和全域数字孪生技术，建设了国家速滑馆智能化运维系统来实现运维的可视化，提升建筑全生命周期内的运维效率，降低人工、运维成本，保障场馆内安全管理。建设国家速滑馆可视化运维系统，进行建筑、设备和基础设施的控制系统，包括智能照明、视频监控系统、出入口控制系统、安防监控技术系统、楼控系统等集中展示和管理，通过数据分析，第一时间了解场馆内建筑及系统环境，支持场馆管理人员设备巡检、设备维修、设备调控、工单管理等运维工作，为场馆运营、决策提供精准服务。

冬奥会后，国家速滑馆将可承办所有冰上项目国际顶级赛事，进行二次开发利用，成为集“体育赛事、群众健身、文化休闲、展览展示、社会公益”五位一体的综合性体育场馆，实现更新和功能的快速转换。