国家速滑馆“冰丝带”高效高精度建造关键技术

李久林，陈利敏，徐浩

1 背景

国家速滑馆又称“冰丝带”，是北京2022年冬奥会速度滑冰项目的比赛场馆，也是北京赛区标志性场馆和唯一新建冰上竞赛场馆。国家速滑馆复用了2008年北京奥运会曲棍球、射箭场地，建筑面积约126，000m2[1-2]，地下2层，地上3层，檐口高度15.4～33.8m，冰面海拔为43.6m，总坐席11，884座（图1）。在北京冬奥会期间，场馆共进行了14个小项的比赛，有来自27个国家和地区的166名运动员参赛，13次刷新奥运会纪录，其中1次打破世界纪录。

为响应2022年冬奥会承办理念，国家速滑馆自建设开始，将“绿色、共享、开放、廉洁”贯穿建造全过程，针对超大跨度索网结构、曲面玻璃幕墙、亚洲最大人工冰场等重点难点问题，在国家重点研发计划科技冬奥专项的支持下，开展了理论研究、仿真模拟、试验分析、样板测试、系统研发、示范应用等，通过提高预制装配率、优化施工方案、提升机械化率、合理安排工期等方式方法充分体现“冬奥质量”和“冬奥速度”[3]，实现了国家速滑馆的高效高精度的建造，支撑国家速滑馆的全生命期安全、稳定、精细地运行。

2 管理机制

秉承“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念，通过质量、绿色和科技方面的创新研究，打造了资源友好、环境适宜的“最快的冰”和“智慧的馆”。国家速滑馆采用PPP模式进行投资、建设与运营，由北京国资公司作为政府出资代表，携手以北京首开集团为牵头方的联合体，汇集北京城建集团、北京住总集团、华体集团等企业的经验与优势，共同组建了北京国家速滑馆经营有限责任公司，广集众智，凝心聚力，共同打造“冰丝带”。

3 超大跨度索网结构、曲面玻璃幕墙和单元式屋面系统

3.1 高性能索网结构体系

针对椭圆马鞍形索网长短轴差异大等技术难题，首创了单层椭圆马鞍形索网+环桁架+幕墙斜拉索结构体系[4]（图2），相对于网架和桁架结构，本体系可降低建筑高度8～10m，节省措施费约20%、节省玻璃幕墙2880万元、节省工期约3个月、减少空调设备投入400万元、运营能耗负荷减少5%。研究形成了多重弹性边界找形方法[5]，实现固定边界条件下索网形态控制与目标状态完全一致、弹性边界下整体结构初始态与目标状态一致，零态误差＜1mm，初始态误差＜5mm。

图2 结构体系示意图

3.2 高钒密闭索国产化

为满足建设成本和工期要求，项目自主研制建筑用大直径高钒密闭索，产品性能达到欧洲标准，并首次应用于国家重大建筑工程，打破了国外同类产品垄断，使密闭索价格显著降低，供货期明显缩短，促进了相关产业发展。同时，针对国产高钒封闭索的力学特性、损伤特性以及耐久性等使用性能方面的研究空白，开展了基于同条件试件的使用性能测试（表1），通过现场环境监测和国产高钒封闭索试件力学测试，获得了国产建筑用大直径高钒密闭索的损伤模式、腐蚀机理及腐蚀规律。

表1 多种缺陷试件拉伸试件断口形貌

3.1.3 基于平行施工的智能化安装

在PPP组织模式基础上，基于平行施工建造模式研发了计算机控制的大落差马鞍形环桁架高低位变轨滑移安装技术和超大跨度单层正交索网同步张拉技术（图3），主体结构施工工期节省了2个月，索夹偏差绝大部分节点误差在10mm以内，稳定索（长轴向）索力偏差全部低于10%，承重索（短轴向）索力偏差低于10%的达到96%。在北京2022年4月21日阵风达8、9级的情况下，屋面索索力变化最小值和最大值分别为-18.45kN和2.95kN，变化率为-0.62%和-0.19%，屋面索网位移变化最小值和最大值分别为-6mm和9mm，变化量小于规范的1/250结构跨度规定。

图3 基于平行施工的智能化安装实景

3.1.4 高工艺曲面玻璃幕墙

承载“冰丝带”概念的“曲面幕墙”，挑战了“现有幕墙体系和玻璃的工艺极限”，研发了单索支承异面网壳曲面幕墙体系[1-2]（图4），曲面玻璃的半径为1.5m，曲面板块的面积仅占47%。针对节能和安全要求，幕墙采用了半钢化双超白双银低辐射双夹胶中空玻璃，由4片8mm厚超白弯弧半钢化热浸玻璃夹两片SGP胶片组成（弧形玻璃和平板玻璃胶片厚度依次为2.28mm和1.52mm）组成，中空层为12mm，内填充氩气，“冰丝带”则集成了小半径半圆弯曲、钢化、夹层胶片和渐变彩釉印刷等工艺制作而成。幕墙设计深化、板片加工、单元生产以及现场安装均采用同一个三维模型，实现了设计、生产、建造全过程的数字化，实现了高标准的曲面玻璃幕墙工艺和性能。

图4 国家速滑馆幕墙系统

3.1.5 单元式屋面板块系统

屋面索网在正常使用阶段，亦会随着温度、风荷载等的作用而产生一定的变形，经计算屋面最大变形量达470mm，为适应这一柔性变形，创新性的将金属屋面随索网划分为4m×4m的单元板块[6]（图5），并在屋面板块之间设置伸缩缝、板块和索夹之间采用可调支座，解决了金属屋面和索网的变形协调问题，填补了装配式模块化屋面系统的空白。同时，针对屋面防水采用的高延展性防水EPDM卷材和硅基涂料，开展了专项试验，其延展性（往复拉伸循环次数不小于12，000次）、耐久性、耐老化性、防水性能均能满足设计要求。

图5 国家速滑馆单元式屋面系统

4 超大人造冰场CO2跨临界直冷制冰建造技术

4.1 大型冰场人工环境营造

运用数字化+AR技术系统研究了温度场、湿度场、气流组织、空气质量等环境因素，采用发射率小于0.3（常规为0.9）的Low-E涂层膜结构吊顶，热损失小，针对12，000m2超大冰面场地照明要求，运用数字化与AR技术对灯具数量、角度、眩光、照度等进行数字模拟研究（图6），实现了眩光限制值19、显色指数91、频闪比小于1%等重要参数指标，满足了高规格国际冰上赛事照明和8K 高清视频转播要求，为实现“最快的冰”创造了良好的环境条件。

图6 国家速滑馆场地照明系统

4.2 CO2跨临界直冷制冰系统建造

国家速滑馆放弃了国际惯用的氟利昂制冷剂，选择采用最先进、最环保、最高效的CO2跨临界直冷制冰技术[7]，采用分区制冷（图7），精准温控，冰面温差可控制在0.5℃以内，远低于国际滑联的不超过1.5℃要求。为了确保冰面平整度，研发了基于三维扫描的复杂环境下制冰排管形态高精度检测技术[8]和基于惯性导航的地坪超高精度连续标高面快速测量技术[9-10]，实现了制冰排管安装过程快速数据获取处理和对地面平整度的全面测量，提取的排管平行度、翘曲检测成果精度达到±2mm，地面平整度精度达到5m范围±0.5mm，确保了12，000m2冰板平整度≤3mm，远小于国际滑联的不大于5mm要求；全程采用了自动焊接的施工工艺（图8），采用了WEL-200全自动焊机，焊接速度100mm/min，全自动自熔、打底、填充、盖面一次成活，120km制冷拔管中11，098道焊口一次合格率达到99.27%，有效保障了国家速滑馆冰面混凝土施工的质量和效率；通过对混凝土配合比、不同种类添加剂作用、温度场、应力场分布等进行深入研究，研发了超大平面薄层混凝土抗裂建造技术，实现了镜面混凝土效果（图9），截至目前，经4次制冰、3次化冰反复冻融，未发现任何裂纹。

图7 冰面示意图，根据参考文献[7]绘制

图8 自动焊接

4.3 中外联合高水平制冰团队

由中外18名制冰师组成的制冰团队（图10），用时10天，完成了底板清洁、底冰浇筑、喷漆画线、分层多次浇冰、冰眼敷设等全部制冰工序。奥运期间，制冰团队每日测量冰厚和场馆温湿度，根据运动员及教练对冰面情况的反馈，酌情增减浇冰水量，修复冰场平整度，针对特殊情况进行冰水混合物人工补冰，确保冰面始终呈现最完美的状态。

5 智慧场馆集成应用

5.1 全生命周期BIM应用

在国家速滑馆建造中，秉承全生命期BIM应用，实现设计、施工、运维全覆盖（图11、12），建立了针对智慧场馆的竣工BIM模型交付标准。在方案设计时要求建立并提交了BIM模型，在初步设计和施工图设计时，要求建立全专业BIM模型，并达到了相应的深度；在施工阶段，施工方承接设计模型，开展深化设计、施工应用；在运维阶段，运维方承接施工方的竣工模型，在此基础上开展数字孪生、定位导航等方面运维研究工作。此外，针对大型体育场馆模型复杂问题，通过渲染优化、模型结构化解析和整合、多层次轻量化处理等实现了大型场馆BIM模型轻量化，模型数据量压缩达到54%，为国家速滑馆的建设和运维提供了便利。

图11 设计阶段BIM模型—方案设计模型

图12 设计阶段BIM模型—施工图设计模型

5.2 智能化集成管理平台研究

基于项目建造BIM模型，搭建了基于物联网的国家速滑馆智能化集成管理平台（图13），整体为C/S架构，服务端提供数据存储和访问功能，客户端通过标准数据访问接口提供数据读取和查询功能、通过数据采集接口实现数据输入，在智慧场馆集成平台中，数据资源库主要由实时数据库、关系数据库和对外接口组成。集成管理平台数据库刷新频率为1ms，数据点一秒查询达50，000点，典型大历史数据压缩比率达50:1。截至目前，已接入36个系统、近100，000点实时数据后，实现了跨系统的功能联动和场馆内机电设备安全监控功能，减少了场馆能耗，确保了设备运行安全，提高了场馆精细化运营管理能力。

图13 智能化集成管理平台

5.3 天空地一体化CO2浓度测量系统

围绕冬奥赛事直接温室气体排放测量需求，创新性地实现了天空地一体化的场馆CO2浓度测量系统，研发的分布式原位测量设备完成了场馆内外多点CO2浓度测量（图14），车载高精度测量设备完成了场馆周边的CO2浓度测量，基于天基卫星数据对场馆周边区域大尺度CO2浓度进行测量和计算，实现了多尺度高精度CO2浓度测量。在冬奥比赛期间，场馆内外多点测量精度分别达到±（50 ppm+5%读数值）和±（50 ppm+3%读数值），达到了大型赛事场馆内外分布式多点CO2浓度实时测量的目的。

图14 测试赛和奥运赛时CO2浓度测量值

5.4 基于云网雾端的VR观赛

借助冬奥场馆的5G基础网络为底座，借鉴国外先进的智慧化场馆理念，基于国内比较发达的视频OTT业务体验，在国内首次创新提出了“云—网—雾—端”（“云—馆—端”）的智慧场馆架构（图15），利用场馆下沉的UPF实现分流满足业务灵活性，将场内媒体流本地回传保证了播放的安全管控和低时延特性，基于MEC技术的雾计算能力提升了低时延优势，终端侧采用轻量化APP集成，并提供SDK进一步增强用户体验，经多次测试，实现了现场与手机仅差600ms的低时延视角定制服务。

5.5 基于智能芯片的3D AI体感互动平台

研发面向场馆应用的3D AI体感互动平台（图16），基于国内首创并拥有自主知识产权的28nm自研MR芯片IMI2280、三图（深度图、彩色图、红外图）融合算法（骨架算法、手势算法、定向增强和实时降噪等），支持低时延处理1080P 的视频流，实现了图像50FPS高速运算和处理，支持高灵活性、高识别率进行远近场景切换和人体行为响应；基于定向增强和实时降噪技术，实现了嘈杂环境下的定向角色操控。在此基础上，设计研发了体感滑冰/滑雪游戏，无需穿戴体感设备即可实现多方位、多角度、高频次体验活动，经过测试，得到了现场大量体验者的良好反馈和肯定。

图16 3D AI体感互动平台

6 总结

作为2022年北京冬奥会标志性场馆，国家速滑馆坚持“绿色、共享、开放、廉洁”的办奥理念，在国家重点研发计划科技冬奥专项的支持下，研发了超大跨度索网结构、曲面玻璃幕墙和单元式柔性屋面系统、超大CO2跨临界直冷制冰技术，打造了智慧场馆集成应用，实现了建筑和结构的完美统一，创造了建筑工艺美学的新高度。在北京冬奥会期间，国家速滑馆共进行了14个小项的比赛，有来自27个国家和地区的166名运动员参赛，13次刷新奥运会纪录，其中1次打破世界纪录。至此，北京冬奥会追平2002年盐湖城冬奥会（产生10项奥运会纪录），并列成为史上诞生速度滑冰奥运会纪录最多的一届冬奥会。