山林场馆、生态冬奥——“复杂山地条件下冬奥雪上场馆设计建造运维关键技术”项目概况

李兴钢

1 任务来源

北京2022冬奥会和冬残奥会是我国重要历史节点的重大标志性活动，是展现国家形象、促进国家发展、振奋民族精神的重要契机。

北京2022冬奥会和冬残奥会场馆规划建设工作以“绿色办奥、共享办奥、开放办奥、廉洁办奥”为指导思想，从战略层面聚焦以下需求：

（1）高质量筹办北京冬奥会。以为世界奉献一届“精彩、非凡、卓越”的冬奥会为目标，在疫情发生后突出“简约、安全、精彩”的办赛要求，场馆建设突出“科技、智慧、绿色、节俭”特色。

（2）保护生态环境，严格落实节能环保标准。

（3）牵引京津冀协调发展，推动大众冰雪运动。

（4）体现中国元素和当地特点，让现代建筑与自然山水、历史文化交相辉映。

在此背景下，“复杂山地条件下冬奥雪上场馆设计建造运维关键技术”（2018YFF03003000）项目成为2018年首批立项的“十三五”国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项项目之一，属于“冬奥会科学办赛关键技术”方向，以解决北京2022冬奥会延庆赛区工程建设需求、形成共性关键技术体系为主要研究目标，执行期为2018年8月-2021年6月，项目牵头单位为中国建筑设计研究院有限公司，参与单位包括北京北控京奥建设有限公司、北京市市政工程设计研究总院有限公司、上海建工集团股份有限公司、中交隧道工程局有限公司、北京城建集团有限责任公司、清华大学、沈阳建筑大学、西安交通大学、北京工业大学、华中科技大学、北京万集科技股份有限公司、北京北控智慧城市科技发展有限公司、北京市交通信息中心等13家冬奥会场馆开发、设计、咨询、建设单位和多所高校，兼顾理论基础、技术集成和示范实施全链条研发，实现了资源互补、学科交叉、聚焦冬奥。

2 研究背景与框架

作为北京2022冬奥会和冬残奥会三大赛区之一，延庆赛区核心区位于燕山山脉军都山以南的小海坨南麓，山高林密、风景秀丽、谷地幽深、用地狭促，区域温度适合人工造雪和雪道维护。规划建设用地面积804.74hm2，总用地面积799.13hm2，总建设用地面积76.55hm2。总建筑面积350，000m2，赛区内集中建设国家高山滑雪中心、国家雪车雪橇中心两个竞赛场馆，延庆冬奥村、山地新闻中心两个非竞赛场馆，及大量附属设施（图1）。

图1 从西南向东北俯瞰延庆赛区

高山滑雪被称作“冬奥会皇冠上的明珠”、雪车雪橇被誉为“冰雪运动中的F1方程式”，是冬奥会雪上项目中引人注目、难度极高的两个项目，其设计建设尚属我国工程空白领域。

延庆赛区地势复杂，位于山体南坡，是极具挑战性的冬奥赛区，其建设面临着四大挑战：两个顶级雪上竞赛场馆设计、建设、运行零经验和高难度、高复杂度的技术挑战；赛区的生态敏感、地形复杂、气候严苛带来规划、设计、建设、运行的环境挑战；冬奥遗产赛后长效利用和场馆建设运营兼顾山村改造及产业转型的经济、社会可持续性挑战；冬奥会高标准赛事要求和向世界讲好中国故事、树立传播当代中国形象的文化挑战。

面对以上挑战，围绕“山林场馆、生态冬奥”规划设计理念，结合信息化方法和工具、场馆设计方法和技术、全生命期技术和平台、交通设施技术和平台、信息融合平台等5个方面关键技术研发需求，设置了由6个课题组成的“复杂山地条件下冬奥雪上场馆设计建造运维关键技术”项目，课题间互相支撑、反馈、协调与集成，共同构成覆盖冬奥雪上场馆设计建设运维各方向技术的整体研究框架（图2）。

图2 “复杂山地条件下冬奥雪上场馆设计 建造运维关键技术”项目研究框架

项目研发面向冬奥雪上场馆实验创新方案、共性关键技术和赛后综合利用的成套解决方案，在项目研究全过程始终遵循以下目标原则：

（1）引领复杂山地冬奥雪上场馆设计建设技术领域国际前沿；

（2）推广于复杂山地条件下的生态环保绿色低碳工程设计建设；

（3）应用于大型复杂建筑场馆的全生命期可持续利用；

（4）服务于山林环境场馆设计建设中的人文精神传承和展现。

b-90°风向角下出发区分布云图

3 创新成果

项目研发组与工程建设组紧密配合，在建设全程实践了“以场馆带规划”“以设计带需求”“以科研带工程”的创新工作模式，通过系统研究，形成以下4个方面创新成果，并成功应用于以北京2022冬奥会延庆赛区为主的工程实践：

（1）提出了复杂山地条件“顺形势、弱介入、可逆式”设计理念和方法，创建了冬奥会级别高山滑雪场馆设计、建造、运维成套创新技术体系（图3）。

图3 国家高山滑雪中心全景

延庆高山滑雪赛道是世界独有的高山峡谷地段赛道，起点高程最高、赛道最长、落差最大，从草甸到松林、从山脊到峡谷，跌宕起伏，变化多端，充分展示了高山滑雪运动的惊险与刺激、速度与激情，是世界上极具难度、挑战性的高山滑雪赛道。项目研发了“顺形势”高山滑雪赛道与场地高拟合度技术，实现赛道与自然场地拟合度超过70%（图4）；开创了复杂山地环境下场馆精细化抗风设计理论并成功实践（图5）；首创并实践了基于北斗的毫米级高山雪上场馆形变监测成套关键技术，全天候连续实时高程监测精度达到±3mm（图6）；研发了适应高海拔、极低温的高山滑雪中心沥青路面主动融雪技术（图7）；研发了高山滑雪赛道新型施工运输装置及赛道施工验收标准（图8）。成果支撑建成的国家高山滑雪中心填补了我国此工程建设领域空白，并被国际滑雪联合会认证为世界领先的高山滑雪场馆，为成功举办北京冬奥会和发展提升我国高山滑雪运动项目打下了坚实基础。

图4 竞速雪道（C1+B1）轴测图

图5 高山滑雪中心出发区风洞实验a-高山滑雪中心出发区模型（1:150）

图6 高山滑雪北斗监测点安装位置

图7 主动融雪环保型示范路应用效果

图8 无动力运输装置和无人履带运输车

（2）创建了冬奥会级别雪车雪橇赛道及场馆设计、建造、运维成套创新技术体系，在世界范围内开创了山体南坡建设雪车雪橇赛道的先例（图9）。

图9 国家雪车雪橇中心

国家雪车雪橇中心是世界首条南坡赛道，项目创新研发了狭窄山脊选址条件下雪车雪橇赛道数字化选型技术，实现了安全性、竞技性及工程建设可行性的平衡，拓宽了世界车橇赛道及场馆的选址限制；创新研发了超长薄壳赛道混凝土三维数字化生成及一体化成型技术（图10），实现了延庆高烈度[8度（0.30g）]区赛道高标准抗震设防要求；首创了雪车雪橇赛道“地形气候保护系统”（图11），实现98%以上赛道免受太阳辐射及其他气候因素影响，实现了“南坡变北坡”的节能目标；首创了单边超大悬挑装配式钢木组合雪车雪橇赛道遮阳棚结构体系（图12）；自主开发了基于BIM的雪上场馆信息化运维管理平台（图13）。成果支撑建成的国家雪车雪橇中心打破了国外的技术垄断，填补了我国此工程建设领域空白，并被国际车橇协会认证评价为目前为止世界上最好的滑行中心，引领了国际雪车雪橇场馆发展的新方向，为成功举办北京冬奥会和发展提升我国雪车雪橇运动项目打下了坚实基础。

图10 雪车雪橇赛道异形曲面三维数字化生成技术

图11 雪车雪橇赛道“地形气候保护系统”

图12 单边超大悬挑装配式钢木组合雪车雪橇赛道遮阳棚结构体系

图13 基于BIM的雪上场馆信息化运维管理平台

图18 轻干预山地历史遗存保护展示效果

图20 采用木结构和木瓦屋面

（3） 创建了冬奥雪上体育运动与生态环境共生的“山林场馆”创新技术体系，打造了复杂山地、地质脆弱、生态敏感、场馆集约等建设条件下的绿色冬奥工程范例。

赛区资源条件复杂，为解决在复杂山地、地质脆弱、生态敏感地区的场馆建设和资源条件融合共生问题，项目研发了复杂山地装配化高山架空平台系统，高山滑雪项目建筑及附属设施的结构主体装配化占比达到90.9%（图14）；研发了复杂山地室外场地与场馆高融合设计技术（图15）；研发了复杂山地环境生态保护与修复技术（图16）；研发了原生山地树木评估保护移栽及轻干预山地历史遗存保护展示技术（图17、18）；大规模集成石笼墙及木瓦屋面的山地自然材料建造技术（图19、20）。成果支撑有效支撑了延庆赛区成为“生态冬奥”工程范例，在实现场地、场馆、交通基础设施与复杂地形、自然环境、生态系统的适应和协调方面达到了新高度，成为绿色冬奥的新名片。

图14 装配式钢结构建成实景

图15 雪车雪橇场馆结束区场地与场馆BIM融合模型

图16 延庆赛区生态保护与修复工程

图17 冬奥村安检广场保留树木

图19 大规模采用石笼墙

（4）开创了应对复杂山地冬奥场馆非标和未知条件并与可持续工程相结合的设计模式，创建了冬奥遗产可持续工程创新技术体系，构建了冬奥赛区建设兼顾社会可持续性的实践新路径。

场馆规划设计为非标模式，面临工艺、需求、气候、技术等诸多未知条件，为满足复杂山地环境中冬奥赛区场馆在“规划—设计—建造—运行”全过程创新需求，项目开创建设全程“以场馆带规划”“以设计带需求”“以科研带工程”的创新工作模式（图21），解决了复杂山地场馆的非标模式和未知条件；建设行业首创可持续设计专业，实现了“可持续的工程化”；首次研发冬奥雪上场馆与附属设施赛后改造设计技术及导则（图22），确保冬奥遗产全生命周期可持续利用；开创实践了冬奥模式下既有山村改造与大型赛事及赛后服务功能结合的社会和文化可持续发展模式，提升了村民获得感和幸福感；创新研发了复杂山地场馆能源调节、设备监测、交通管理等综合智慧平台（图23）。成果支撑冬奥场馆可持续工程化和冬奥遗产的长效利用，助力实现“三亿人上冰雪”，成为“共享办奥” 典范工程，推动区域环境、经济、社会和文化可持续发展。

图21 复杂而有效的延庆赛区场馆建设工作关系框架

图22 赛后改造设计导则和设计说明书

图23 能源—环境对策响应平台

4 示范应用效果

通过以上各项创新成果的系统研究和赛区工程实践，实现了高山滑雪、雪车雪橇等雪上项目的场地、场馆建设在我国零的突破，打破了国外少数公司的技术垄断。项目已于2022年3月29日顺利通过了由中国21世纪议程管理中心组织的综合绩效评价，并获得以下示范应用效果：

（1）首次在中国建成符合奥运标准的高山滑雪中心、雪车雪橇中心，建成世界上首条南坡车橇赛道，顺利通过了国际滑雪联合会、国际雪车联合会和国际雪橇联合会组织的各项国际认证，拓宽了世界车橇赛道选址限制。

（2）在冬奥会历史上最具生态挑战性的赛区实现了“山林场馆、生态冬奥”的建设目标，实践了绿色冬奥工程新范例。

图26 延庆赛区总体鸟瞰图

（3）高标准服务于冬奥赛事需求，经受住了奥运比赛的考验，获得了各国顶尖运动员对赛道和场馆的高度评价，助力中国队创造历史最佳战绩。中国队实现全项目参赛、成绩均完成历史性突破，延庆冬奥村在冬奥会期间接待了87个代表团，村内居民最多时超1200人，冬残奥会期间保障了38个冬残奥会代表团545名运动员和随队官员的无障碍居住和出行。

（4）支撑了冬奥遗产可持续工程目标的实现，助力《北京2022年冬奥会和冬残奥会可持续性计划》的落实，成果写入《北京2022冬奥会和冬残奥会遗产报告》，获得了各方广泛赞誉（图24）。

图24 成果写入《北京2022冬奥会和冬残奥会遗产报告》

复杂山地条件下冬奥雪上场馆设计建造运维关键技术的创新研究和“山林场馆、生态冬奥”在延庆赛区的工程实践，落实了“绿色办奥”理念，践行了国际社会及《奥林匹克2020议程》可持续理念，彰显了中国国家生态发展理念，体现了自然与人工互成相生的中国文化理念，引领了国际顶级雪上场馆设计建设的新方案、新模式、新方向（图25、26）。

图25 从赛区入口望向冬奥村雪景