基于剖面特征分析的冬奥会滑雪赛道辅助设计方法

2022-11-15李世冲陈荣钦

沈阳建筑大学学报（自然科学版） 2022年4期

李世冲，陈荣钦

(1.伦敦大学学院建筑学院，伦敦 WC1E 6BT；2.北京市建筑设计研究院，北京 100084；3.清华大学建筑学院，北京 100084)

2022年北京冬奥会的成功举办举世瞩目。通过长达七年的筹办，我国冰雪项目大型体育场馆和设施规划建设水平得到了长足发展。在此过程中，国内的建筑设计团队已经意识到，对于奥运体系下一种特殊的项目场馆—雪上场馆，很大程度上面临着话语权的缺失以及场馆设计和建设零经验的挑战[1]。尤其在这类场馆比赛场地的设计领域，几乎所有的核心技术环节均需要依赖国际经验。冬奥滑雪赛道自20世纪80年代进入快速发展阶段[2]，技巧类赛道所占的比例逐届增加，人工造雪技术的加入更是彻底改变了滑雪赛道的设计和建设方式[3]。

目前我国滑雪场的规划设计及建造上缺乏广泛和深入的研究。王世金等[4-7]通过对我国雪场现状的统计和分析后认为，我国雪场从规划选址方面存在缺乏统一规划和整体品质低下的整体特点。而叶茂盛等[8-10]通过对比雪上运动发达国家的数据后认为，其滑雪场均经历了较为完整的历史发展阶段，时至今日，其规划选址及设计建造都趋于专业化和产业化。陆诗亮等[11-12]则认为，结合我国本土自然和社会环境的滑雪场规划设计才是可持续发展的方向和趋势。笔者结合冬奥会筹办实践，尝试从冬奥技巧类滑雪赛道的剖面特征入手，借助“赛道基准数字模型”和“赛道特征玫瑰图”，提供一种赛道校核和评价方法，用于指导滑雪赛道的选址、设计和施工。

1 研究方法

1.1 冬奥滑雪赛道基础数据搜集

雪上赛道由于具有很强的户外属性，多数赛道需要依据山体而建立，这也就造成了雪上赛道缺乏天然的规范性。每条赛道只是关键性数据在控制范围内，而各个细节均有自己独特的形状和数据。冬奥滑雪赛道的设计规范则由国际滑雪联合会制订，国际雪联也是冬奥会滑雪赛道的选址机构和认证机构。笔者对国际雪联提供的各种赛道数据进行收集和整理，以形成雪上赛道基础数据库。

1.2 搭建滑雪赛道基准数字模型

首先通过收集归纳历届冬奥会雪上赛道信息、国际雪联公布的相关技术资料以及本届冬奥会的赛道设计资料，建立绘制滑雪赛道基准数字模型。雪上赛道数字化模型并不是任何一个建成赛道的数字孪生，而是建立在国际竞赛规则和国际雪联多年竞赛管理经验上的关于雪上赛道的数字化“模板”。它反映了一个赛道最基本及最新的剖面特征和参数尺寸。模型所反映的数据可用于对实际赛道设计和建设的初步校核。

1.3 绘制“赛道特征玫瑰图”

笔者选取具有代表性的冬奥会技巧类赛道作为实验标本，绘制其在6个关键性控制性参数(垂直落差、赛道长度、表面积、平均宽度、结束区面积和平均坡度)下的特征玫瑰图。对绘制完成的特征玫瑰图进行分析发现，障碍追逐、平行大回转、坡面障碍三条赛道的特征玫瑰呈现“J”型分布(见图1)，这三条赛道没有固定的细节尺寸和指标，赛道呈现更加“自然”的形态。而空中技巧、雪上技巧、大跳台、U型场地四条赛道的特征玫瑰呈现“O”型分布(见图2)，有较为明确的细节尺寸，呈现更加“人工”的形态。

图1 “J”型分布的赛道特征玫瑰图

图2 “O”型分布的赛道特征玫瑰图

通过绘制代表性赛道的 “赛道特征玫瑰图”并进行并置观察和分析后可得出：选取的6个关键性控制性参数可以描述冬奥会技巧类滑雪赛道整体特征并反映其差异；冬奥会技巧类滑雪赛道整体上表现出了较强的类型性和同源性。

2 应用试验及分析

笔者以2022年北京冬奥会单板和自由式滑雪项目中的空中技巧、雪上技巧和U型场地技巧赛道为例，利用基于剖面特征玫瑰图的辅助设计和分析方法，对其选址、设计和建设三个过程进行试验性应用，并与实际实施过程对照，验证这种辅助设计方法的有效性。

2.1 赛道选址阶段

赛道选址布局阶段主要解决的问题是评估待选场地对标准赛道的契合和容纳程度，通常要求达到赛道所需的最小值。契合高的选址意味着更少的山地土方工程量以及对自然环境更少的影响。

场地上有3处坡地(南坡1号、南坡2号和北坡选址)可用于空中技巧、雪上技巧及U型场地技巧3条赛道。根据场地勘测地形和植被情况，考虑赛道适当距离和结束区空间预留，首先划定3处选址的可用坡地中心线及起点，并根据赛道要求的坡面最小垂直落差选取每条中心线的控制点。3条赛道的最小垂直落差控制数据分别为：空中技巧45.0 m、U型场地技巧58.9 m、雪上技巧75.0 m(见图3)。

图3 3处选址选线平面示意图

依据地形图绘制中心线剖面线(见图4)，测量剖面线各个垂直落差控制点相对应的水平长度、坡度和剖面线长，所得数据输入特征玫瑰，得出可视化图形，与赛道的最小建议值进行偏离分析，结果见图5。

图4 3处选址场地剖面线

从图4、图5分析可以得出：

(a)空中技巧赛道 (b)雪上技巧赛道 (c)U型场地技巧赛道

(1)对于空中技巧赛道，3个选址均能提供足够长度的坡面，从特征契合度上，南坡1号偏离值较小，偏离率均在10%以内，另两处选址偏离值较大，偏离率均大于20%。

(2)对于雪上技巧赛道，南坡2号选址受场地树木影响，未能达到坡长要求，另两处选址中，南坡1号契合度较高，偏离率均在10%以内，北坡选址偏离值较大，偏离率大于15%。

(3)对于U型场地技巧赛道，南坡2号未能达到坡长要求，另两处选址中，北坡选址契合度较高，偏离率均在10%以内，南坡1号偏离值较大，偏离率大于20%。

综合以上分析进行选址评价，将平均偏离率不大于10%评价为A，10%～30%评价为B，超过30%或无法提供足够条件评价为C。评价结果见表1。

表1 赛道与选址匹配程度评价

由表1可知，在实验场地上布置3条赛道的最优选择是表中阴影选项，由北坡选址契合U型场地技巧赛道，南坡1号选址契合雪上技巧赛道，而南坡2号选址用于空中技巧赛道，但需进行一定程度的土方整理。分析结果与冬奥会实际选址结论一致。

2.2 赛道设计阶段

在赛道设计阶段，赛道设计方参照标准赛道，结合当次赛道雪面的初步设计目标和设想，在确定的选址上进行详细的赛道基层设计，并由国际雪联审核确认。通常赛道的尺寸会设定在推荐的最小值和最大值之间，如超出范围，则需提交国际雪联做进一步评估。由于赛道设计阶段仍然以赛道剖面线为基准，基于剖面线特征的辅助方法仍然适用于赛道设计方案的初步评价和校核。

首先将空中技巧、滑雪大跳台、U型场地技巧和雪上技巧4条赛道的土方基层设计数据进行提取，与赛道最小值和建议最大值比较(见表2)，作为剖面特征分析的基础数据。

表2 赛道设计数值比较

以赛道最小值为基准计算偏离率并生成赛道特征玫瑰图(见图6)，经图形分析可校核出各赛道土方基层与标准赛道的匹配程度，为进一步的土方整理提供修整意见。

图6 赛道特征玫瑰图-剖面特征偏离率

由图6可以看出，空中技巧和雪上技巧赛道特征图形位于最小值和最大值图形之间，空中技巧赛道图形接近最小值图形，相对最小值偏离率在10%以内；雪上技巧赛道图形接近最大值图形，相对最大值偏离率在12%以内。可得出这两条赛道的土方基层设计均在建议区间，设计合理。

U型场地技巧赛道图形与最大值图形基本重合，滑雪大跳台赛道图形则略大于最大值图形，相对最大值偏离率在10%以内。这两条赛道的土方基层设计经校核均超出建议区间，设计欠合理，需要提交国际雪联进行进一步的审核确认。

2.3 赛道建设阶段

赛道建设阶段，以空中技巧赛道为例，赛道设计方已参照标准赛道，在确定的选址上进行详细设计，因而赛道基准模型也进化为经过国际雪联认可，符合国际雪联标准的设计模型，需要对赛道土方建设和雪面塑形的完成情况进行核验，评估赛道完成度。这一阶段针对具体的建设场地，特征评价的基准值由国际雪联的建议值转为赛道设计值，各项场地特征指标均强调最小的偏离绝对值，以确保接近设计值以及满足赛事要求。在指标偏离评估的基础上，利用无人机倾斜摄影测绘技术获得的场地数字模型可作为辅助手段，用于山地场地的设计拟合对照，并提出详细的场地优化建议[13]。

笔者在空中技巧赛道土方工程完工以及雪面塑形基本完成两个阶段性节点后对场地进行测量，获得场地数字模型(见图7)及剖面线相关数据，并生成赛道特征玫瑰图，与设计值进行比较分析。

图7 空中技巧赛道土方阶段数字模型

2.3.1 土方基层偏离分析

赛道土方工程的特征玫瑰偏离分析结果如图8所示。从图中可以看出，土方区域的赛道长度和宽度偏离值均为1，在可接受范围内，同时影响结束区面积的偏离值；垂直落差偏离值为2，符合要求，受其影响平均坡度偏离值为2.5，需要适度校正；表面积偏离值为300，与基准值相差较大，可能由于场地不平整，存在倾斜或者起伏造成的。上述情况则可由数据模型拟合进行细节分析和进一步调整。

图8 空中技巧赛道土方工程特征偏离分析图

数字模型拟合偏离分析结果如图9所示。图中显示了垂直落差的偏离状态；同时赛道两个斜坡面均出现平整度问题，整体呈现运动员右侧偏低，左侧偏高的状态。基于此，土方工程的调整建议如下：①加速段坡面运动员右侧需补充土方；②着陆坡进行土方平衡，运动员左侧土方填补右侧区域。

图9 赛道土方数字模型拟合偏离分析

2.3.2 雪面基层偏离分析

赛道雪面工程的特征玫瑰偏离分析结果如图10所示。从图中可以看出，雪面区域的赛道长度和宽度偏离值与土方一样，均为1，在可接受范围内，同时影响结束区面积的偏离值；垂直落差偏离值为3，符合要求，受其影响平均坡度偏离值为2.4，需要适度校正；表面积偏离值为310，与基准值相差较大，存在雪面不平整的问题。

图10 空中技巧赛道雪面工程特征偏离分析图

数字模型拟合偏离分析结果如图11所示。图中显示了垂直落差的偏离状态；加速段坡面整体低于基准模型；平台区雪面整体高于基准模型；着陆坡由于中部雪层翻松以致呈现中间高两侧低的状态，符合实际使用需求；结束区雪面整体高于基准模型。基于此，雪面工程的调整建议如下：①进行压雪处理，将平台区和结束区雪层上推补充加速段，增加该段坡度值；②考虑到运动员出发点位于赛道加速段偏上位置，垂直落差偏离在可接受范围。