国家游泳中心冬夏场景转换关键要素体系研究

朱碧雪，郑方

近几届奥运会以来，奥运场馆和相关基础设施的建设、运营成本越来越高，国际奥委会把城市既有场馆的再利用作为实现奥运会可持续性的关键路径。2021 年8 月生效的《奥林匹克宪章》[1]中指出：“奥运会的选址与场馆优先选择既有建筑、临时场馆及临时设施……奥委会鼓励和支持对环境问题负责任的关注，并力争促进体育事业可持续发展……”体育场馆的运营要实现可持续性，体现在赛前和赛后提高利用率，承办比赛、训练、群众健身、大型活动、旅游参观等多种活动，增加场馆在不同季节、不同时段的使用活力和营收，同时降低能耗等运行成本。

国家游泳中心（水立方）是2008 年北京奥运会水上项目的比赛场馆，经过有限度、可逆式的改造之后承担2022 年北京冬奥会冰壶和冬残奥会轮椅冰壶比赛。水立方首创“冰水转换”的双奥场馆理念，形成夏季游泳中心、冬季冰上中心的两种核心场景[2]，结合群众健身、大型活动等多功能运营模式，水立方作为改造场馆，成为践行北京冬奥会可持续性计划的示范。

大型场馆的运营场景包括围绕核心体育功能的一系列要素集合，场景转换则由这些要素改变状态而形成。关键要素体系的梳理是水立方冬夏场景转换研究的基础，涵盖冬奥会赛时改造的主要工程项目，也是赛后不同季节实现运营场景转换工作的智能化平台。本文从建筑空间、结构体系、室内环境、智能化系统、临时设施等方面系统提炼场景转换中涉及的关键要素，系统梳理关键场景中要素呈现的具体状态和技术指标，解析场景转换时要素间的关联机制，建立简明有效的场馆改造设计、建设、运营的任务表和检查清单。

1 核心场景

自2009 年完成赛后改造工程，水立方逐步实现了多功能的运营模式，包括体育比赛、大型活动、群众健身、旅游参观与商业服务、公益事业5 个运营板块，承办了每年游泳跳水世界杯、2014 年APEC 晚宴及篮球世界杯等重大国事活动，连年实现盈亏平衡，获得国际奥委会2019 年“体育和可持续建筑奖”，是奥运场馆赛后运营的典范[3]。建筑外部为ETFE 双层气枕通风幕墙，内部空间由纵横两道气枕内墙分为比赛大厅、热身池和多功能厅、嬉水乐园3 部分，其中比赛大厅为核心功能空间，是各运营场景的中枢。因此以比赛大厅的使用模式作为基准，将水立方运营设定为冬夏两种核心场景，9 种主要运营模式（图 1），其中冬奥会与冬残奥会、冬夏两季公众参观、冬夏两季大型活动模式两两相近，下文分别合并描述。

1 国家游泳中心核心场景及运营模式

1.1 冬季场景：冬奥会、冬残奥会

冬奥会期间（图 2）比赛大厅共使用坐席2615 个，比赛场地为4 条长45.72m、宽4.95m 的标准冰壶赛道。采用“可逆式”的轻质钢框架+预制砼板在游泳池内搭建冰场结构，为冬季场景增设模块化的制冰、除湿、控制系统。大厅的主要技术参数包括：

2 2022年冬奥会

结构：赛道基层结构体系满足冰壶赛事动、静荷载下的变形、震动、自振频率和长期低温运行要求。在整体场地上，制冷地板表面平整度起伏不大于5mm～6mm[4]，铺设模块化临时制冰系统。20 天之内完成转换结构搭建。

环境：冰面环境的温湿度及露点温度在规定范围（表 1），比赛区域风速小于0.2m/s，冰面不出现结霜和不均匀升华。制冰系统能源综合利用、冰场建筑温湿度控制、空腔自然通风等系统设计方案确保比赛大厅冬季冰场工况能耗不高于其他场馆。

表1 冬奥会、冬残奥会赛时温湿度，朱碧雪绘制，数据由国家游泳中心提供

体育照明：LED 照明在满足电视转播要求的同时，对冰面的热辐射影响降至最低。

声学：赛场混响时间不长于2.0s[5]，以保证冰壶运动员比赛时通过自然声沟通。

其他工作包括为比赛不同阶段定制建筑外立面照明模式；为各利益相关方提供所需空间、设施、智能导引及智能观赛服务。冬残奥会与冬奥会享有同等水平的支持与服务，并为无障碍人员提供公共区域及设施，包括满足无障碍要求的通道、坐席、卫生间、更衣室、电梯等。

1.2 冬季场景：群众冰上活动模式

在冬奥会比赛之前，历次测试赛之间，水立方已经成功地为群众冰上活动提供了丰富的体验。群众冰上活动主要模式为冰壶体验，场地条件也能够支持冰球、短道速滑、花滑等培训及娱乐活动。制冰范围、温湿度控制、节能运行标准保持与冬奥会场景一致；体育照明调整为训练和娱乐活动模式，没有电视转播需求。2020 年12 月测试赛、2021 年4 月测试赛、2022 年残奥会后，比赛大厅面向公众提供了短期冰壶体验，参与者无需换装便可直接上冰，这一模式下冰场运行仅需5 位员工维护。

1.3 冬季场景：大型活动

水立方每年承办约100 场大中型活动，包括各类产品发布会、电影首映式、年会、文艺演出、电子竞赛、展览展示等，通常根据具体需求确定场景核心效果及辅助用房范围，一般都有较大规模的临时搭建。冬季场景下的大型活动有两种情况：短期活动采用冰被覆盖冰场进行场地搭建，可以局部或全部使用冰场；或者在制冰模块安装之前、拆除之后的两个时间段，直接在冰场基层的预制砼板上搭建。例如2019 年篮球世界杯开幕式，就是利用冰场基层搭建活动场地和舞台。

1.4 夏季场景：游泳、跳水竞赛

夏季场景下，水上竞赛时比赛大厅核心为游泳池和跳水池（图 3），环境控制要点在于减少水分蒸发，控制建筑内表面不结露（表 2），比赛区域风速小于0.2m/s；赛时混响时间不长于2.5s；自然光透过屋面双层印刷气枕为赛场提供愉悦的光环境；辅助用房、立面照明、智能化服务等与冬奥会所需类型基本一致。

3 中小型游泳比赛

表2 夏季场景设计参数[5]

1.5 夏季场景：群众游泳

夏季场景下，比赛大厅以体育竞赛和大型活动为主。让群众游泳健身日常主要使用热身池大厅的泳池。自2012 年起，比赛大厅为健身群众提供每年指定时段体验服务，让群众有机会感受奥运品质的泳道魅力。此模式对比赛大厅内的环境要求与游泳、跳水竞赛模式相似，但仅考虑游客及工作人员使用需求。热身池大厅在冬季场景比赛大厅是冰场的模式下，也向游泳俱乐部的公众开放。因而，在冬奥会后日常运营的状态下，热身池大厅全年按照俱乐部泳池模式运行。

1.6 夏季场景：大型活动

各类大型活动是水立方的主要运营收益来源之一，也体现服务国际交往的内涵。夏季场景下，需要在泳池中进行搭建，尤其适合使用不同规模水景的活动场合。2014 年11 月APEC 欢迎晚宴期间，比赛大厅主题“上善若水”，泳池搭建为地面并铺设地毯、设置“曲水流觞”景观环绕宴会场地，周边以通高青绿山水纱幕围合，大厅出入口增设临时楼梯及木构筑物；部分车库改为后台区，热身池大厅用作为合影大厅；首层增设中外贵宾休息室；B2 层增设厨房。

1.7 冬夏场景：旅游参观与艺术体验

公众参观包括常规参观及主题活动专题参观。常规参观冬季展现冰场，夏季展现泳池；专题参观根据具体需求确定场景核心效果，如2020 年水立方艺术季“Hello! Earth 生生不息”主题展意在营造科幻的氛围，比赛大厅各面遮黑，厅内使用蓝调微光，游泳池上方悬挂缓慢旋转、直径10m 的巡回艺术作品——地球，波光倒影引得游客纷纷拍照留念（图 4）。

4 水立方2020年艺术季

2 关键要素体系

关键要素特指场景转换中发生变化的建筑空间、装配式结构体系、机电设备与控制系统。建筑主体钢结构、砼结构、消防系统等在不同场景下没有变化的因素，不列入场景转换的关键要素体系中。由此，根据所属类别及重要程度设定为7 个1 级要素（图 5）。

5 关键要素体系1级要素

2.1 建筑空间

场景转换的核心在于建筑空间的通用性（比赛大厅和周围的辅助空间尤为重要）[5]，水立方室内空间多样丰富（图 6、7），根据其功能、重要性及关联性将建筑空间分为8 个2 级关键要素（图 8）。

6 水立方内部空间示意

7 水立方主要空间分布

8 建筑空间2级要素

比赛大厅：位于水立方东侧，中部为游泳池和跳水池，包括池岸在内的场地尺寸约100m×40m（不计跳塔），高28m，保留南北侧永久看台约5000 座（其中无障碍及其陪护席各62 座），均可搭建临时带桌席位及设备平台。比赛大厅细分为3 个3 级要素（图 9）：

9 比赛大厅次级要素及状态

（1）场地夏季为泳池，冬季为冰场，公众参观及大型活动模式按需搭建多样化活动场地（冬季覆盖冰被后搭建）；

（2）按需确定看台使用数量及临时看台搭建方案，如冬奥会时在冰壶场地东西两侧搭建临时看台，东侧布置摄影机位，西侧布置媒体、电视转播、计时计分、教练及技术官员席位；

（3）竞赛技术用房均位于比赛大厅B1 层南侧，照明控制室、扩声控制室各场景均使用，计时计分用房、显示屏控制室、体育展示技术控制室赛时使用。

热身池大厅：位于比赛大厅西侧，配置标准泳池一个（同时作为消防水池），夏季赛时用作游泳跳水热身区，冬奥会赛时通过标准的脚手架系统垫平，用作场馆媒体中心（包括新闻发布厅、媒体及转播工作和休息区）。在其他大型活动时也可用作辅助空间，如2014 年APEC 晚宴时用作合影大厅，其他模式中，全年作为游泳俱乐部独立运营。

多功能厅：位于热身池大厅正上方，平面尺寸约60m×40m，高度17m，赛时用作辅助用房，如冬奥会期间用作运行管理人员、志愿者休息及用餐区，其余场景下，独立承办中小型活动或用作网球健身场地。

嬉水乐园：位于水立方南侧，是以深海为主题的室内水上乐园，分为嬉水池、嬉水乐园北侧服务区（简称服务区）。嬉水池赛时及大型活动时可按需暂时关闭，在其余模式中开放；服务区位于B1 层，包括接待及更衣区，赛时及大型活动时可用作辅助用房，如冬奥会时用作场馆运营、竞赛管理人员办公及休息区，在其余模式中用作嬉水乐园接待、更衣区。

观众休息厅：位于首层，分为北商业街、南北通道及南商业街，日常运营时服务观众入场、休憩及疏散，赛时、大型活动时可部分用作辅助用房，如冬奥会时北商业街移除临时商铺，用作运动员、奥林匹克大家庭、场馆运营、安保人员的门厅、办公及休息区。

车库：位于B1、B2 层，赛时、大型活动时可部分用作辅助用房，如冬奥会时B1 层车库用作运动员区，设置集装箱无障碍临时更衣室10 套，每套更衣间分别由4 组模块组成，赛后回收再利用，搭建临时隔断用于休息、热身、医疗等，B2 层部分搭建场馆运营、安保临时用房；又如2014 年APEC 欢迎晚宴期间，B1 层车库用作演员临时化妆区。

辅助用房：包含空间相对较小、可多功能使用的房间，分为4 个3 级要素（图 10），要素特点如下：（1）比赛大厅附属更衣区共设置12 套永久无障碍更衣室；（2）小多功能厅最初作为纪念夏奥会港澳台海外同仁捐资展厅；（3）南北小楼商铺位于东北、东南小楼2 层及以上，日常运营时对外租赁；（4）以上附属用房除更衣室外均可在赛时、大型活动时用作辅助用房，如北五环餐厅赛时用作奥林匹克大家庭休息区。

10 辅助用房次级要素及状态

南广场地下冰场：赛后作为冬奥会重要遗产用于专业训练及休闲娱乐，分为冰球场、冰壶场，赛时、大型活动期间关闭或用作内部冰上运动体验，其余场景面向公众开放。

2.2 装配式结构

场景转换中涉及的临时结构体系分为3 个3 级要素（图 11、12）：

（1）装配式冰场构造体系由科技冬奥专项为冬夏场景转换特别研发，用于竞赛游泳池临时转换为冰壶比赛场地，由2m 间距的钢框架、1m×1m 预制砼板、保温板、防水层复合而成的场地构造体系，可以快速拆装并重复利用[4]。该体系在满足冰壶比赛高精度要求的同时实现了结构转换周期少于20 天，获得了世界冰壶联合会的认可[5]；

（2）脚手架支撑体系及面板装配式构造体系用于搭建临时性构筑物，如：场地、看台、坡道、填充游泳池等，使用租赁式铝合金脚手架及复合木板，为减少对电视转播的影响，特别研发了独立式摄影机脚手架平台结构；

（3）比赛大厅屋顶钢结构节点均预留吊挂点，为安装临时设施提供条件，如冬奥会时利用屋顶吊点临时吊挂桁架，用以放置电视转播摄像机、体育展示投影机、冰壶线路实时跟踪摄影机、传感器等以满足赛时转播、媒体、体育展示需求。

2.3 机电设备

与场景转换密切相关的机电系统包括5 个2 级要素（图 13）。空调系统在固定区利用原设备，临时区域采用临时设备，冬季场景中南北侧固定坐席区采用原有座椅送风，在固定看台最前排外设置布袋送风（图 12），根据室外湿度调整布袋风口高度[6]，当室外湿度较小时，南北侧固定坐席区采用原有侧后方回风，比赛场地采用坐席下原有回风井道回风，当室外湿度较大时，使用比赛大厅东北、西南新增临时回风口；开启转轮除湿机组以防冰面结露；临时制冰系统包括保温、防水、管路及制冰设备，选用支撑在蜂窝网格上的高强PVC 制冰管道，在比赛大厅东侧室外场地安装模块化临时制冰设备及其水处理系统，R449A 作制冷剂，乙二醇作载冷剂。夏季场景中泳池蓄水，配套泳池水处理系统开启，制冰相关系统关闭。水立方将热身池作为消防水池，竞赛游泳池蓄水时作为备用消防水池。

12 比赛大厅典型关键要素

2.4 智能化

既有场馆改造的关键工作包括针对场馆各使用客群的智慧场馆服务和机电系统智能化管控和运行，将智能化分为3 个2 级要素（图 14），要素状态需根据场景定制。群智能系统将智能节点嵌入相应的建筑空间和大型设备,实现空间单元内部照明、空调、插座、门禁、环境监测[7]等各机电末端设备的可持续集成控制[8]；智能导引系统实现了各类用户实时获取授权内的建筑功能、人员流线、服务设施、环境状态、赛事进程等信息；智能观赛系统通过智能感知与虚实融合技术为观众提供更为丰富的观赛体验。

15 声学次级要素及状态

2.5 照明

照明分为比赛大厅照明、立面照明。比赛大厅场地照明系统全部使用LED 灯具，LED 灯具不仅能降低对冰面的热辐射、更为节能，还能瞬时点亮和提供多彩色变化以提高比赛观赏性[9]，照明模式包括冬季体育照明、夏季体育照明、日常参观和大型活动。

水立方立面照明系统可智能定制立面照明主题，实现自动提取简化后的图片像素与单个气枕照明联动。

2.6 声学

冰壶比赛运动员使用自然声进行战术配合，比赛大厅内的临时声学构造对赛时、大型活动期间的声环境提升起到重要作用，将声学分为4 个2 级要素（图12、15）,如冬奥会期间在赛道广告围挡、临时看台表面、南北小楼上部玻璃外侧、B1 四周墙面平贴密胺泡沫吸声棉，外覆透声广告布，在缓冲区铺设地毯，在大厅西立面气泡墙前部设置网眼吸声膜，在大厅东侧跳水台与冰壶赛道之间15m 高度内悬挂可拆卸升降式吸声帘幕。

2.7 比赛大厅围护结构

冬季场景围护结构节能关键在于气密性，将比赛大厅围护结构划分为3 个2 级要素（图 16、17）。比赛大厅屋顶采用ETFE 气枕幕墙为室内营造出明亮、愉悦的光环境，但在冰场环境下，需要减小屋顶和冰面之间的辐射换热，同时更好地保证全人工照明环境，因此在屋顶双层气枕空腔的下层气枕表面覆盖不透光PVC 帘幕实现遮黑环境[10]；冬季场景中为降低除湿负荷，需要临时关闭ETFE 幕墙和比赛大厅的自然通风口，同时关闭不使用的门、窗和百页，并为比赛大厅出入口增加临时透明磁吸门帘。

16 比赛大厅围护结构次级要素及状态

17 比赛大厅屋顶空腔遮黑示意

3 场景要素体系转换的关联机制

体育竞赛、大型活动模式中涉及的人员及其需求复杂多样，涉及全部要素系统性的转换和调整工作，任一要素的遗漏或性能降低将造成功能的缺失。对冬季、夏季核心场景的转换来说，这些关键要素越清晰，系统性越强，那么转换工作的效率就越高，转换期对场馆连续运营的影响就越小[11]。

这些关键要素在场景转换中具有系统的关联性。因此需要对各要素进行深入研究，提升建筑空间和环境的性能，对现场安装进行周密的计划。其中，比赛场地从夏季泳池到冬季冰场的相互转换是最为核心的要素，包括场地的定位、技术系统的应用和安装精度的控制，以及整体性能的调试。其他各级要素围绕场地的转换，按季节场景进行联动，典型的关联包括：永久看台（含无障碍坐席）的使用区域、临时看台和技术官员席、媒体席的搭建，都围绕场地转换同步进行；比赛技术用房和辅助空间、运行分区和使用功能根据冬夏场景分别设定；装配式结构体系根据冬夏场地类型拆装；LED 体育照明根据场地和活动类型调整设定冰、水模式；空调、除湿系统分别按冰场、泳池模式安装和运行；群智能系统根据季节场景进行自控；围绕场地转换调整声学、外墙遮光设施等（表 3）。

表3 冬夏典型场景转换关键要素状态对比

为实现冬夏场景长期运营中的顺利转换，科技冬奥专项对涉及的核心要素进行了系统的技术研发，包括冰场装配式结构系统、可拆装的制冰和除湿系统、集装箱更衣室、群智能系统、气枕遮光系统等关键技术，成功地把夏季奥运会的游泳跳水场馆转变为冬奥会冰壶比赛场馆，并为冬奥会赛后冬夏场景转换可持续运营做好了准备。世界冰壶联合会（WCF）出具的“国家游泳中心交付质量评价函”认为，“在为期38 天的赛会运行期间，冰面从未受到外部天气条件的不利影响：我们从未遇到过结霜和融冰等问题。冰壶在冰面上完美滑行，没有任何异常的波动，为冰壶运动员创造了最佳的比赛体验。”3）

4 结语

本文以国家游泳中心可持续运营为目标，以比赛大厅为核心空间，构建冬夏场景转换的关键要素体系，设定了这些关键要素“轻建造、可逆式”的研究方向。此项研究作为水立方冬夏场景转换的基础分析，为双奥场馆的可持续运营提供理论和工程实践指导。大型体育场馆的关键要素构成与此类似，这一分析和转换研究在场馆策划、设计和可持续运营中具有普遍意义。□

注释

1）泳池环境在夏季室内相对湿度由空调机组冷冻除湿功能保证。

2）比赛时泳池水温按26℃设计；冰面温度-8.5℃。

3）Kate Caithness CBE,World Curling Federation,National Aquatics Centre Delivery Quality Appraisal Letter,2022.5.24