数字设计成就“最快的冰”——国家速滑馆数字化整合设计方法实践＊

郑方 孙卫华 董晓玉

1 国家速滑馆设计管理创新

国家速滑馆是北京2022年冬奥会标志性建筑，是北京赛区唯一新建的冰上竞赛类场馆，位于奥林匹克森林公园西侧，与鸟巢、水立方遥相呼应，以其独特的曲面玻璃幕墙寓意“冰”和“速度”的设计主题，被称为“冰丝带”（Ice Ribbon）（图1）。冬奥会期间，国家速滑馆承担速度滑冰项目（Speed Skating）比赛任务，进行了14项速滑比赛，13次刷新奥运会纪录，其中1次打破世界纪录，场馆的建设和运行得到了各方好评，被誉为“最快的冰”。

1 国家速滑馆日景

国家速滑馆设计坚持可持续发展理念，突出科技、智慧、绿色、节俭特色。在设计及建设、运行全过程实现低碳绿色主导化，是国内首例冰上竞赛场馆绿建三星设计认证；面对诸多国内首创，甚至世界之最，设计团队以设计引领创新，以科研保障设计，实现项目设计科研一体化。与此同时，奥运场馆工程具有“周期长、任务重、要求高”的特点，在如此多重目标、多重任务、多重困难下的工程建设中必须借助数字化等设计手段，并通过数字设计专业化，保障设计数据全流程交换贯通，高质高效地实现场馆的数字建造和智慧运维。在2020年第十一届“创新杯”建筑信息模型BIM应用大赛上，国家速滑馆项目荣获文化体育类BIM应用一等奖。

2 对数字设计的理解

数字技术不仅在北京冬奥会开幕式上惊艳世界，其实在冬奥会场馆设施的设计、建设和智慧化运行中也得到了广泛而深刻的应用，并极大地推动了中国数字产业化和数字经济的高质量发展。顾名思义，数字建筑首先是实现建筑设计的数字化，数字设计是建筑数字建造和智慧运维的基础。

目前对建筑设计阶段数字化应用的内涵有着不同的理解，在设计项目上的实际应用水平也参差不齐。首先，最基础的应用便是设计成果的信息化，以CAD（计算机辅助设计，Computer Aided Design）和BIM（建筑信息模型，Building Information Modeling）等专业软件生产的数字化设计成果（图2），建立起建筑信息的初始数据库，同时也是后续智慧建造、智慧运营的基础载体。然后，是设计全程的软件化，依托计算机专业软件，进行建筑对概念、空间的推敲，结构对构件受力的计算等，使得设计过程更加科学、严谨、合理。其次，就是设计验证的模拟化，依托计算机软件，借助信息化成果，可以实现建筑效果VR/AR体验，实现结构受力、环境、节能等方面的计算以及机电系统CFD等模拟分析，完成专业之间的相互验证，使得设计结果更加贴近现实需求和建造需求。再次，对于造型复杂的建筑，往往需要借助参数化的方法，设置可变参数模型生成建筑曲面表皮等非线性建筑构成要素，也就是设计生成的参数化。参数化设计不仅仅可以呈现出非常规的设计效果，更重要的是清晰地表达了设计者的设计逻辑，使得数字化与人的关系更进一步。

2 国家速滑馆BIM 成果

国家速滑馆在设计阶段以数字设计为主线，实现了专业化的设计管理和应用。从设计概念之初到工程施工配合完成的设计全周期中，设计团队架构上一直配置专业的数字设计师及团队，统筹全流程的数字设计过程和成果。而这种“专业化”更重要的一方面是能加深我们对数字化设计的理解和应用。我们希望基于数字模型和工具软件，将建筑的整个设计策略都纳入到数理逻辑中，实现设计策略的数理化，产生一条内在的逻辑化和量化的因果链条，让建筑师的叙事不仅形象生动，而且理性科学。

3 国家速滑馆数字设计专业化策略

3.1 通过数字设计确立建筑造型的几何逻辑，实现场馆空间体系的精准控制

体育建筑的FOP（竞赛场地，Field of Play）是设计所围绕的核心。国家速滑馆围绕400m标准速滑竞赛赛道，打造世界首例“全冰面”速滑场馆，其连续无缝冰面面积达11 578m2，为目前世界最大的室内人工冰面（图3）。环绕上述竞赛场地，连续布置12 000座看台和观众休息空间，从而生成国家速滑馆的几何形态。

3 国家速滑馆比赛大厅

首先，根据视线计算规则，综合考虑楼层和纵横走道分布、包厢、残疾人坐席等技术因素，建立围绕冰场的32排连续环形看台；然后，使用70°倾角的碗形曲面切割看台，使碗形内部的座椅符合预期规模数量。从长轴端点到短轴端点，碗形曲面呈2～3m厚度渐变，以形成外倾的看台柱，是结构体系的主要支撑，同时作为看台、屋顶、幕墙的支撑，也是室内空间的核心要素。顶部设巨型环桁架，内弦连接单层双向正交索网屋面，外弦连接立面幕墙斜拉索，形成如同斜拉桥一样的结构体系。碗形曲面的顶部轮廓由看台最后排的空间曲线定义，作为环桁架支座的控制点，向上平移形成环桁架的下弦曲线，再通过结构找形调整环桁架的断面，优化屋面索网的空间边界和屋顶抛物线曲面，使环桁架水平变形最小，构件内力更均匀，建立高效的空间受力形态[1]。

基于上述几何逻辑，借助Rhino等三维软件，国家速滑馆从冰场开始，在长轴240m、短轴176m的正椭圆平面上，由内向外形成了整个建筑严谨的空间造型逻辑和几何控制体系（图4−6）。

4 国家速滑馆空间逻辑模型

5 国家速滑馆空间模型

6 国家速滑馆结构分解图

3.2 通过数字设计确立空间容积的数理逻辑，实现场馆低碳运行

从建筑使用和运行角度来说，大型公共建筑特别是冰上体育建筑的室内空间形态显然更加复杂，也更加重要。

国家速滑馆秉持“绿色办奥”理念，将控制制冰运行能耗作为绿色节能设计的首要任务。速滑馆最大的能耗是冰面的运行能耗，而比赛大厅的空间形态和容积大小是冰场环境控制和运行能耗的关键因素之一，其空间容积越小，就越容易实现冰场比赛环境的精准控制和制冰能耗的节约运行。因此，通过数学计算，确定一个合理的比赛大厅空间形态，使得室内空间容积最小是建筑造型的基本出发点[2]。

本实验以多台 Ubuntu 12.04，3.40GHz CPU，8GB RAM的台式机模拟服务器，以一台Windows7，2.20GHz CPU，8GB RAM的台式机模拟查询端。实验数据集采用的是skyline查询经典数据集Core和NBA。其中数据集Core含有68K条9维数据记录，共有1533个skyline点。数据集NBA含有21K条8维数据记录，共有1195个skyline点，数据集的相关信息如表1所示。

在这样集约的平面基础上，依据比赛场地和看台的不同净高需求来确定建筑顶棚形态，也就确定了比赛大厅的容积。保持同样的比赛大厅平面布局和最高点净高要求，采用常规的平屋顶或拱形屋顶（矢高15m），其比赛大厅屋面下的空间容积分别约为62万m3和76万m3，而采用沿椭圆短轴（东西）方向两端随看台升高，沿长轴（南北）方向两端随看台降低的马鞍形双曲面的屋面造型，则可以压减非必要的室内空间，容积只有约47万m3，相比节省了32%和62%的空间，形成最小的蓄冷空间。若把速滑馆比作一个超大的冰箱，压减容积是最直接的降耗举措。因此，通过数字化模型对室内容积进行形态模拟与计算比较，确定马鞍形双曲面的顶棚是压减比赛大厅空间容积最为有利的屋面造型，正所谓“形式追随内容”，实现感性与理性的平衡。

3.3 通过数字设计确立结构体系的找形逻辑，实现空间建筑形态与结构力学性能的数学规则统一

首先，在确定了国家速滑馆马鞍形双曲屋顶的建筑形态后，下一步就是选择合适的屋面结构体系。整体而言，对结构逻辑的要求就是结构所占的空间最小，结构耗材最少。通过数字模型和结构计算进行了方案模拟比选，传统的网架或者是桁架屋面结构高度为6～8m，而采用索网屋面结构高度仅为0.2m，由此可以减小室内空间容积约20万m3，约占比赛大厅空间容积的50%，进而再次大大降低室内运行能耗，同时又降低了建筑高度，节省了约25%的外围护幕墙面积[2]。

国家速滑馆主体屋面最终确定采用单层双向正交索网结构，该索网平面投影为正椭圆形，周边拉结于巨型环桁架上，整体张拉投影面积约19 300m2，是世界上类似结构中跨度和规模最大的。索网设置了两种索——东西短轴为承重索（最大跨度124m），南北长轴为稳定索（最大跨度198m）[3]，要使两个方向的索的结构效率最高，其中心点空间位置的确定非常关键。正是由于国家速滑馆设计结合建筑美学、技术科学等要求，在对数字建筑的结构形态进行“形”与“力”剖析的基础上，建构了面向数字设计的结构形态协同设计框架，使得该马鞍形双曲屋面索网中心点的确定成为了建筑与结构的完美结合，完成“形”与“力”的统一，最终促成我们织就了这张最大、最薄的天幕。

对于外幕墙结构，建筑设计的理念同样需要幕墙环带呈现轻盈、透明的效果，要求结构构件最隐，结构耗材最少。在方案比较中，利用数字三维模型和结构计算模型，尝试了张拉整体结构、拉索结构、弓形桁架结构、双层网壳不规则短柱、波浪形单层网壳，最后集中在双索条板和单索加连续网壳结构（选定方案）。最终，我们为“冰丝带”打造了连续长度600m的最长、最轻的单层异面网壳组合的连续幕墙，为国家速滑馆呈现了最飒的“冰丝”，实现了以“丝带”展现冰和速度的理念，促进了设计中技术与艺术的融合（图7−11）。

7 国家速滑馆幕墙方案比较

8 国家速滑馆结构受力体系

9 国家速滑馆索网受力分析

10 国家速滑馆索网施工

11 国家速滑馆幕墙

3.4 通过数字设计确立复杂形态的参数化手段，实现“冰丝带”复杂曲面幕墙的生成与优化

参数化设计采用约束性的数字方法，在设计中产生一条逻辑化和量化的因果链条，使因果关系相互联系和反馈。通过在Grasshopper等参数化软件中设置可变参数条件，使得设计条件与设计结果之间产生相互响应，而且对响应结果进行非预期性干扰。这类似一种发散式思维方式，设计过程和结果对条件的改变具有弹性和适应性，多条件产生多样性的结果，从而让设计者更容易寻得理想的目标[4]。

国家速滑馆立面的设计概念称为“冰丝带”，呈现动感、轻盈、透明的建筑效果。为使立面的丝带线条内外错落有致，采用自由弯曲的玻璃幕墙。我们利用Rhino和Grasshopper等三维软件的参数化设计功能，对自由弯曲的玻璃幕墙表皮进行了正向生成与反向拟合优化。

首先，由屋顶外边缘起伏的空间曲线定义幕墙的上边缘三维控制线，二层平面的椭圆边界作为下边缘二维控制线。然后，在椭圆的长轴和短轴四向的四个端点建立幕墙典型剖面控制线，其与幕墙曲面玻璃规格、平曲分配、弧度取值等密切相关。因此，需要由厂家进行玻璃规格的科研攻关和样品试制，经过工厂生产线试制样品，评估得出半径1.5m的中空夹胶玻璃在工艺和视觉质量上可以接受。最终，剖面控制线由两组平行线和与之相切的半径统一为1.5m的圆弧连接形成，沿上下边缘的几何控制线放样，其中直段放样为平板单元，弧段放样为曲面单元。每个直段和弧段的长度最长不超过2.4m，最短不小于0.3m，至此形成剖面控制线的基本参数控制范围。再运行Rhino的Sweep2命令，利用上述曲线路径和剖面控制线，形成幕墙的整体定位曲面。在此基础上，再将椭圆形定位曲面等分160份，形成平曲耦合的幕墙外观控制面，其中曲面玻璃单元占幕墙表面积约47%，小于50%的研发目标[5]。用同样的参数化方法生成了置于立面幕墙外侧的22条“丝带”，由直径0.35m的半圆形夹胶玻璃和背后的半圆金属板组合形成，固定在水平龙骨上，白天起到外遮阳作用，夜晚则是线性LED立面照明系统。

“冰丝带”曲面幕墙体系的设计集中体现了我们所遵循的低碳绿色主导化、设计科研一体化和数字设计专业化原则。利用参数化这种数字化的设计手法，使得动感、轻盈、透明的自由曲面表皮得以生成。同时借助科研和参数化工具，设计能够以标准的建筑构件来拟合自由曲面，节约了成本和工期，实现了高标准的曲面玻璃幕墙工艺和性能，推动了曲面玻璃幕墙的技术进步，创造了建筑工艺美学的新高度。

通过现场制作幕墙样板对工艺进行验证和调整，使得三维设计模型能直接交付到玻璃生产线，再到幕墙单元加工厂和施工安装现场，实现了设计信息向生产、建造、运维的全程数字化传递，以及现场安装和数字模型的精确对应[1]（图12,13）。

12 国家速滑馆幕墙模型

13 国家速滑馆夜景

3.5 通过数字设计确立空间环境的仿真模拟，实现场馆环境的温、湿、声、光、环境的模拟验证

对于国家速滑馆这样规模巨大、造型复杂、有特殊功能需求的公共建筑，建筑空间环境的设计是工程技术设计的重点，更是难点。

对于竞赛类的冰上场馆来说，其比赛大厅要实现“一厅三温”，即国家速滑馆比赛大厅的冰面温度是-10～-6℃，比赛场地冰上1.0m位置空气温度是14～16℃，看台观众席温度是18℃以上。同一高大空间内，三个温度分区智能调控，既满足了冰面环境的需要，又为观众营造了舒适的观赛环境。如果将冰上场馆比拟为一台冰箱，那“冰丝带”就是一台容积约4亿L的大冰箱，而且还是一台分区控温的智能冰箱。同样，冰上场馆对太阳直射光相当敏感，要避免任何时间、任何角度的室外直射光照射到冰面上，同时如果超2万m2的比赛大厅能够充分利用自然光来满足场馆运行照度需求的话，又可以大大节省运行能耗。

针对这种需求上的不同甚至是对立矛盾，设计需要充分利用数字模型，通过Enscape等软件对各项环境指标进行精确的模拟、反馈、调整、验证，最终做到扬长避短、各取所需、精确控制（图14,15）。

14 国家速滑馆观众休息厅气流模拟

15 国家速滑馆比赛大厅光线模拟

4 数字设计助力数字建造与智慧运维

数字建造是在新一轮科技革命大背景下，数字技术与工程建造系统融合形成的工程建造创新发展模式[6]。国家速滑馆数字设计始终围绕一条主线——设计数据全流程交换贯通，使得建筑数字信息在流程中不断被完善、校正、强化，并通过现代信息技术实现数字链驱动下的工程项目立项策划、规划设计、施（加）工、运维服务的一体化协同，实现数字建造与智慧运维，最终提供以人为本、绿色可持续的智能化工程产品和服务。

4.1 数字建造

国家速滑馆采用数字建造方式，利用设计阶段的数字成果，建立了包括全过程统一BIM模型及全参与方一体化协同施工体系；借助全过程的高精度仿真、高质量高精度构件加工和安装、实时高精度测控等技术，实现智慧化的平行施工技术体系——工程全生命周期健康监测系统，将施工信息、工程进度、质量预警等各种数据实时同步传输到数字场馆上，实现建筑的“数字孪生”[7]。

工程施工中将部分混凝土构件、看台、钢结构、索网、屋面、幕墙、门窗等建筑构件，按照设计数据全部预先在工厂加工完成，并逐件进行二维码编号，纳入数字管理系统，实现数字制造，再运输到现场进行组装，最大可能地进行装配化施工作业。同时，为保证建设周期，基于数字化施工模拟，工程各专业各分部推行平行施工建造方式。例如，主体钢结构环桁架，这样一个长度逾200m、投影面积超2万m2、重达数千吨的庞然大物，实际上就是在场馆施工现场外侧几十米外远的地方，在建设场馆的同时被分成几段进行现场加工制作。等到它加工完成，安装它的混凝土结构施工也达到了安全承载要求，再通过计算机控制爬行机器人推动分段桁架滑移到场馆上方进行拼接、安装到位，大大节约了工期。从质量上来讲，最终安装精度偏差仅几毫米，实现了高效、高精建造。

4.2 智慧运维

奥运会等大型赛事活动历来被视为展示举办国科技水平的舞台，2022年北京冬奥会数字技术的应用发展到了一个新的高度。随着互联网、智慧科技的不断发展，相关竞赛场馆也正式进入了智慧场馆阶段。

在冬奥会期间，国家速滑馆借助建筑数字模型和相关数据，通过覆盖全场馆的高速Wi–Fi网络、5G移动通讯网络，实现无人机等监控设备的远程化控制，特别是AI技术在交通、管理、餐饮方面得到了成功的尝试。场馆应用数字模型衍生的智慧建筑运维管理平台，基于集成智能网络系统和数据融汇共享的物联网系统，实现场馆能源智能管理和智慧化建筑管理。同时，场馆通过个人终端可视化运维平台、精准定位导航和VR/AR（虚拟现实和增强现实）等技术，在冬奥会期间为主要参赛人群提供了智慧化管理服务，实现全方位运动数据服务和支撑智慧观赛服务[8]（图16）。

16 国家速滑馆智慧管理平台

5 结语

在当前信息化时代的宏观背景下，数字建筑正成为建筑行业的基本战略，借助数字技术驱动行业发展，实现建筑的全过程、全要素、全参与方的数字化、在线化、智能化，已经成为产业链条上各相关方高度一致的共识。国家速滑馆基于数字设计专业化，通过数字建构几何控制系统，在动感轻盈的建筑效果之下，建立集约紧凑的建筑空间，实现高效的轻质结构、立面工程和绿色节能技术的统一，形成了面向可持续的完整技术体系，并将数理逻辑与建筑设计融为一体，深化了数字设计的内涵。

图片来源

1,3,13 孙卫华拍摄

2,4−9 北京市建筑设计研究院有限公司提供

12,14−16 北京市建筑设计研究院有限公司提供

10 蔡昭昀拍摄

11 林志云拍摄