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冬奥场馆 数不清的高科技

作者:田洁 来源:新体育 202009期 时间:2020-10-18

“冰丝带” 夏天“不罢工”国家速滑馆是北京2022年冬奥会速度滑冰项目的比赛场馆,因其外观设计如丝带飞舞,被称为“冰丝带”。国家速滑馆以“冰”和“速度”为设计象征,...

  

“冰丝带” 夏天“不罢工”

  国家速滑馆是北京2022年冬奥会速度滑冰项目的比赛场馆,因其外观设计如丝带飞舞,被称为“冰丝带”。

  国家速滑馆以“冰”和“速度”为设计象征,设计理念、技术工艺、材料选取、施工技法等多个方面都实现了创新和突破。在外观上,22根“冰丝带”环绕曲面幕墙系统,展现了速度滑冰的速度与激情。场馆内部的正交双向单层马鞍形屋顶索网,198米长,124米宽,全部使用国产高钒密闭索,跨度大到世界之最。国家速滑馆钢结构工程荣获第十三届中国钢结构金奖和中国钢结构金奖年度杰出工程大奖……

  国家速滑馆制冷制冰系统在全球最先采用二氧化碳跨临界直接蒸发,不仅为冬奥比赛提供“最快的冰”,也可为赛后适应多种需求的群众健身提供硬件支撑。

  体育工艺制冰工程专项设计负责人马进介绍说,国家速滑馆拥有亚洲最大的全冰面设计,冰面面积达1.2万平方米,采用分模块控制单元,最多可将冰面划分为9个区域,根据不同项目分区域、分标准制冰。这里可以同时接待超过2000人开展冰球、速度滑冰、花样滑冰、冰壶等所有类型的冰上运动。

  为了实现这个目标,以二氧化碳为制冷媒介发挥了重要作用。这是目前在确保场馆安全前提下环保、高效、先进的制冰制冷技术,能为冬奥比赛提供温度高度均衡的冰面,比传统技术能效提高20%以上。通过智能能源管理系统,把制冷产生的70摄氏度废热直接用于除濕、冰面维护、场馆生活热水等。传统制冰方式产生的废热在40摄氏度左右,为了达到修复冰面所需的70摄氏度热水,还要再次加热。因此,在全冰面模式下,每年仅制冷部分就能节电200多万千瓦时,整个系统的碳排放趋近于零。

  为解决二氧化碳在20摄氏度以上不制冷的物理属性,技术团队又解决了二氧化碳“跨临界值”工作的问题,使这套系统夏天也能正常工作,实现全季运营。

  建设中的国家速滑馆内景

  “冰丝带”冰面下是如同“千层糕”一样的层层铺设,最下面是加热层,防止底部土壤因长期结冰而膨胀凸起。往上依次为保暖层、钢架支撑、混凝土层,最上面是冰面层。整个冰场中的不锈钢制冷管总长度达到120公里,埋在混凝土中,一旦出现缝隙,维修起来大费周章,因此,制冷管之间的焊接不容有失。9个区域的冰面划分高度体现了科技的神奇。由于不同项目对冰面温度、硬度要求不同,如何同时满足不同冰面的需求,就要靠制冷管道中看不见摸不着的二氧化碳不同密度分布来实现了。

水立方 水冰转换“玩冰壶”

  在国家游泳中心举办冰壶比赛,是奥运史上首次在夏奥场馆举办冰上项目比赛。为了满足冬奥赛事场地要求,又保有夏季奥运水上项目功能,国家游泳中心创造性地提出了“水冰转换”方案:通过支撑体系和移动式制冰系统,完成“水立方”到“冰立方”的功能转换。

  起初,世界冰壶联合会不支持这个方案。由于冰壶场地对冰面稳定性要求非常高,他们更倾向于把泳池填平。为了实现“水冰转换”的“中国方案”,技术团队对场地结构、温度、湿度、照明、声学等多方面定向科研攻关,通过将近一年的改造,确立了“在泳池内架设可拆卸钢结构,铺设混凝土预制板,安装可拆装制冰系统及配套管线”的方案,实现了泳池到冰壶赛道的转换,打造出符合冬奥会冰壶赛事标准的转换基础、制冰系统、除湿系统、空调系统、体育照明系统和控制系统。国家游泳中心总经理杨奇勇说:“我们通过对比测试,在6种材料组合里选择最强、最稳定的,确定使用轻型钢结构和大块混凝土。”2019年底,国家游泳中心制出“第一块冰”,举行了中国青少年冰壶公开赛,对制冰系统、冰壶场地结构体系等进行全冰面测试,得到世界冰壶联合会的肯定。“整场比赛,我们的冰面没有一丝晃动。现场检测,冰面的自振频率是每秒25赫兹。人的运动频率每秒为1至5赫兹,人在冰面上活动不会引起冰面共振”。

  冰壶项目的制冰工艺精细,对冰面的品质要求严苛。国家游泳中心研究建立覆盖全建筑空间、集成多种终端、自适应多种应用场景的群智能控制系统。数百个智能控制节点、上千个各类传感器织构成的强大“神经网络”,并行处理至少30个场馆的管理任务。拥有“更强大脑”的智慧“冰立方”可以瞬间完成多种模式的更新和切换,为冬奥赛后场馆的冰上、水上赛事和演出、展览、参观等各类活动提供功能和环境保障。

  想做好冰,就要摸透冰的脾气。为彻底解决冰场裂缝,科研团队采用现代力学的热一力耦合机理,微观到冰的分子结构,宏观到冰场与人和环境的相互作用,以此为基础,通过群智能控制系统,实现冰面与室内环境的实时感知与精确控制,最终制出“乖巧听话的冰”。

五棵松 冰场规格“随时换”

  北京冬奥会时,五棵松体育馆将用于冰球比赛,建造之初就已经为场馆未来多功能使用做好设想,在场芯下面预埋了制冰管道,多次实现冰面与篮球场地在6小时内完成转换。

  水立方变身冰立方。

  五棵松体育馆改造中的“冰坝”(五棵松体育馆供图)

  五棵松体育馆正在按照冰球运动要求改造更衣室。(五棵松体育馆供图)

  五棵松体育馆的冰面设计为国际冰球比赛标准的30×60米。为了增加比赛的激烈程度和观赏性,国际冰联决定从北京冬奥会开始,将冬奥会冰球场地改为26×60米。在科技高度发达的今天,冰面大改小并非难事。为满足不同冰上项目对场地的不同需求,五棵松体育馆决定在冰面尺寸上也实现“自由切换”,“冰坝”技术应运而生。

  冰球比赛场地规格从61×30米到26×15米不等,四角圆弧的半径为7至8.5米。冬奥会时将采用长60×26米,冰面四周围以高1.15米至1.22米的牢固界墙,冰面温度为零下5摄氏度左右。

  花样滑冰场地规格从60×30米到52×26米不等,四角弧形,冰面厚度为3至5厘米,制冰温度大约在零下3至零下4摄氏度。

  短道速滑场地规格为60×30米,场地周长111.12米,直道宽不小于7米,长28.85米,弯道半径8米。冰面温度为零下6至零下7摄氏度,较硬的冰面能够给长刀提供更好的力度支持。

  在不同冰面区域设置“冰坝”,需要多大冰面可以按需切换。改造完成后,五棵松体育馆将成为能承办冰球、花样滑冰、短道速滑三项赛事的通用型场馆。

延庆赛区 践行“生态冬奥”

  建设中的张家口赛区的国家跳台滑雪中心

  延庆赛区内植物资源丰富,周边分布有国家级和市级重点保护野生植物。

  赛区包括国家高山滑雪中心和国家雪车雪橇中心两座比赛场馆,还有冬奥村和山地新闻中心两座非奥运场馆及其配套设施,全部为新建项目。北京北控京奥建设有限公司环保及可持续发展工作组主任梁德栋介绍说,在施工中,对植物坚持“避让”为第一原则,就地保护。在奥运村的建设过程中,就地保留了100多棵大树,对无法避让的保护植物采取生境相近的近距离近地保护或远距离迁地保护,“生态保护的很多工作要在建设开工前进行,那时候路还没修好,大型机械设备上不去,很多树木的迁移都是靠人力往山下背”。据统计,从赛区共近地移植11027株珍稀植物,对2.4万株树木实施了迁地保护,建设专门的迁地保护小区。

  延庆区园林绿化局副局长庞月龙说,由于施工时间的要求,植物移植移栽基本上都在夏季,正值植物旺盛的生长期,成活率很难保证。为了攻克难关,北京林业大学和清华大学的专家团队研究出植物夏季移植移栽技术。庞月龙说:“我们采取的办法是先修剪树顶上的枝杈,让它的生长慢下来,但根系都是完整的,仍然具有很强的生长活力。等它第二次发芽,再按照常规移植,这棵树就活了。近期经过验收,植物移植移栽成活率超过90%,远远超过50%的及格线。”

  表土是一种重要的自然资源,有机质合量高,并含有丰富的本地微生物群,适合本地植物生长。优质的表土层是难以再生的宝贵资源,每一厘米表土层的形成需要100至400年。延庆赛区共计剥离表土8万多立方米,全部回铺至生态修复区域内。

雪车雪橇中心“不怕晒”

  北京冬奥会选在小海坨山南麓兴建国家雪车雪橇中心,这将成为全球唯一建在山体南坡的赛道。为了避免阳光照射使赛道冰面温度升高,国家雪车雪橇中心成为全球唯一全遮阳棚遮挡赛道。

  北京北控京奥建设有限公司副总经理李长洲说:“外界环境温度再低,只要有阳光直射,冰面也会融化、蒸发,影响赛道质量。为了不让光线直接照射冰面,我们研发了一套全球首个钢木结合结构的地形气候保护系统,遮光处理,加上遮阳帘,形成赛道小气候,满足赛时需求。”

  国家雪车雪橇中心赛道遮阳棚面积总共将近2.3万平方米,结合赛道形状、自然地形和“人工地形”,传统木结构与现代钢结构结合,有效保护赛道冰面免受各种气候因素影响,大大减少阳光直射,起到节能保温作用,最大限度地降低了能源消耗。

  国家雪车雪橇中心赛道总长为1.9公里,制冰修冰工作可在10天内全部完成。

延庆崇礼 造冰造雪“纯天然”

  冰雪项目,用水是个大问题。山地雨水、雪水利用,中水回用,融雪融冰回流,污水处理,都需要提前考量,合理设计。

  延庆赛区国家高山滑雪中心最高海拔接近2200米。李长洲说,造雪用的水来自佛峪口水库和白河堡水库,通过7.5公里长的地下综合管廊,把水送往海拔1050米的塘坝和海拔1290米的蓄水池,再通过三级泵站分别注入各雪道造雪系统,最终到达小海陀山2198米最高点附近的出发平台,同时,对融雪水、雨水等水资源回收利用。

  在室外雨水的控制和利用中,合理利用了山地自然地势,在低洼处或天然水体中调蓄、入渗,通过透水铺装、增加绿化面积等措施降低径流系数,赛区污水全收集、全处理,再生水充分利用,回用水源充足。

  张家口赛区云顶滑雪乐园有6条冬奥会赛道,在原有雪道基础上改建而成,使工程施工量減少15%以上。融化的雪水回收贮存,供来年雪季造雪使用,云顶滑雪乐园对此有丰富的经验。4座蓄水池蓄水总量28万立方米,可以保障2022冬奥会及2021世锦赛赛道造雪用水需求。

  责编 柏强

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