文/李久林 陳利敏

（作者單位：李久林，北京國家速滑館經(jīng)營有限責(zé)任公司、北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司、清華大學(xué)；陳利敏，北京國家速滑館經(jīng)營有限責(zé)任公司）

國家速滑館是北京2022年冬奧會速度滑冰項(xiàng)目的比賽場館，又名“冰絲帶”，位于北京奧林匹克森林公園西側(cè)，是北京冬奧會標(biāo)志性場館，與水立方、鳥巢交相輝映。該館復(fù)用了2008年北京奧運(yùn)會的曲棍球和射箭場地，總建筑面積約12.6萬平方米，總座席12038座，在本屆冬奧會上將產(chǎn)生14枚金牌。

面對世界最大跨索網(wǎng)屋面結(jié)構(gòu)、復(fù)雜曲面玻璃幕墻，如何打造“最快的冰”和“智慧的館”等技術(shù)問題，在科學(xué)技術(shù)部、北京市委市政府、北京冬奧組委等的大力支持下，北京國家速滑館經(jīng)營有限責(zé)任公司等單位先后承擔(dān)了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市科技計(jì)劃課題、朝陽區(qū)社會發(fā)展科技計(jì)劃項(xiàng)目，通過理論研究、仿真模擬、試驗(yàn)分析、樣板測試、系統(tǒng)研發(fā)、示范應(yīng)用等，確保實(shí)現(xiàn)國家速滑館高效高精度地建造和智慧化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)“以運(yùn)動員為中心、可持續(xù)發(fā)展、節(jié)儉辦賽”三大理念的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)其全生命期安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。

首創(chuàng)單層橢圓馬鞍形索網(wǎng)＋環(huán)桁架＋幕墻斜拉索的高性能結(jié)構(gòu)體系

研發(fā)的多重彈性邊界找形方法實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)優(yōu)化分析，使全體系力學(xué)性能最優(yōu)；創(chuàng)造性提出支座后鎖定、短拉索后張拉等措施，大大降低了結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)負(fù)擔(dān)，節(jié)約綜合造價(jià)；發(fā)明滑移—鎖定支座、梭形調(diào)節(jié)器、索力保持器、自適應(yīng)索夾、預(yù)負(fù)載水箱等關(guān)鍵技術(shù)，使工程高效、高精度實(shí)現(xiàn)；通過模型試驗(yàn)，研發(fā)了主動索優(yōu)選定量分析和評價(jià)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)建造關(guān)鍵環(huán)節(jié)驗(yàn)證，提出了影響張拉成形的敏感性因素，為質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制定和健康監(jiān)測提供依據(jù)。

自主研制建筑用國產(chǎn)大直徑高釩密閉索。研發(fā)建立了完整的構(gòu)件加工制作工藝流程和生產(chǎn)與質(zhì)量保證體系，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)高釩密閉索量產(chǎn)，并首次應(yīng)用于國家重大建筑工程。產(chǎn)品性能達(dá)到歐洲標(biāo)準(zhǔn)，徹底打破了國外技術(shù)壟斷，使密閉索價(jià)格顯著降低，密閉索單價(jià)由整體進(jìn)口索的每噸14萬元下降至約每噸3.5萬元，供貨期縮短近1/2，極大推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。產(chǎn)品已推廣應(yīng)用于上海浦東足球場、張家口崇禮冬奧會滑雪場大跳臺、三亞體育中心、成都鳳凰山體育中心、卡塔爾世界杯開閉幕式體育場、柬埔寨國家體育場和印度尼西亞雅加達(dá)國際體育場等大型項(xiàng)目。

研發(fā)了基于平行施工的高精度技術(shù)體系。首創(chuàng)了基于計(jì)算機(jī)控制的異位與原位混合安裝、高低位二次變軌滑移的環(huán)桁架施工方法；研究形成了超大跨度單層正交索網(wǎng)主被動、大噸位同步張拉技術(shù)，控制智能張拉力最大偏差為9.45%，高于驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的15%；建立了工程全生命周期健康監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高效施工；歷經(jīng)多次大風(fēng)、大雪等極端惡劣天氣考驗(yàn)，以及某日陣風(fēng)8級條件下，索力變化平均值僅為1.27千牛（KN）。滿足了安全、質(zhì)量、工期、場地、投資的要求。

曲面幕墻、單元式屋面板塊填補(bǔ)技術(shù)空白

國家速滑館外立面二層以上為天壇形曲面幕墻系統(tǒng)，總玻璃數(shù)量為3360塊，單曲玻璃為1440塊，平板玻璃為1920塊。為了實(shí)現(xiàn)曲面幕墻滿足“冰絲帶”特殊的造型要求，研發(fā)了單索支承異面網(wǎng)殼曲面幕墻體系，實(shí)現(xiàn)了弧形幕墻玻璃的高效精細(xì)化加工制作，推動了曲面玻璃幕墻的技術(shù)進(jìn)步，創(chuàng)造了建筑工藝美學(xué)新高度，實(shí)現(xiàn)功能、科學(xué)和藝術(shù)的結(jié)合，并大幅度降低自由曲面玻璃幕墻的建造成本。

為了適應(yīng)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)柔性變形，研發(fā)了金屬單元柔性屋面體系，由1080塊4米×4米單元屋面板組裝而成，解決了與索網(wǎng)結(jié)構(gòu)配套使用的圍護(hù)系統(tǒng)技術(shù)難題；利用水箱荷載置換法，實(shí)現(xiàn)了198米×124米索網(wǎng)屋面的裝配化施工，填補(bǔ)了裝配式模塊化屋面系統(tǒng)的空白。

國家速滑館，又稱“冰絲帶”

二氧化碳跨臨界直冷制冰系統(tǒng)打造最快的冰

針對國家速滑館研究多功能、全冰面設(shè)計(jì)方案并采用二氧化碳跨臨界直冷制冰系統(tǒng)，開展了國家速滑館快速滑道冰面形成理論與多功能超大冰面冰池構(gòu)造、多功能二氧化碳跨臨界制冰系統(tǒng)、室內(nèi)環(huán)境精細(xì)控制、冰面與室內(nèi)環(huán)境自動化監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)的研究，形成了完整的二氧化碳跨臨界直冷制冰系統(tǒng)技術(shù)體系。發(fā)明了基于三維激光測量的超大速滑場地制冰排管安裝高精度檢測方法，實(shí)現(xiàn)了制冰排管安裝過程快速數(shù)據(jù)獲取和處理，有效指導(dǎo)制冰排管施工期安裝檢測和完工驗(yàn)收；發(fā)明了一種平板拖拽式和輪式慣性平整度測量系統(tǒng)，融合高精度全站儀平面坐標(biāo)、高精度里程計(jì)和慣性相對高程，獲取連續(xù)測線的冰面混凝土平整度，實(shí)現(xiàn)混凝土平整度快速測量，施工期測量精度達(dá)到5米范圍不超過1毫米，完工期測量精度達(dá)到5米范圍不超過0.5毫米，確保了1.2萬平方米冰板平整度不大于3毫米，遠(yuǎn)小于國際滑聯(lián)的不大于5毫米的要求，有效保障了國家速滑館冰面混凝土施工的質(zhì)量和效率。

經(jīng)多次實(shí)測，在冰面30個(gè)溫度測點(diǎn)中，29個(gè)溫差不超過0.5℃，1個(gè)為0.7℃。此外，制冰系統(tǒng)能效比傳統(tǒng)技術(shù)提高20%以上，回收制冰廢熱制取了近70℃的澆冰熱水，證實(shí)了大型二氧化碳跨臨界制冷系統(tǒng)的可行性。在2021年10月進(jìn)行的2021年速度滑冰中國公開賽中，4名運(yùn)動員在測試賽中5次滑出個(gè)人最好成績。

低碳冬奧監(jiān)測與碳中和調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)在國家速滑館推廣應(yīng)用

針對冬奧賽事特點(diǎn)，在國家速滑館布設(shè)60個(gè)點(diǎn)位的分布式二氧化碳傳感器以實(shí)現(xiàn)場館內(nèi)部碳排放的全覆蓋監(jiān)測。運(yùn)用車載紅外光譜測試儀（FTIR）和溫室氣體探測衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演實(shí)現(xiàn)對場館周邊區(qū)域二氧化碳排放的空基和天基測量。并通過將多尺度碳排放數(shù)據(jù)與場館運(yùn)行管理數(shù)據(jù)的擬合，構(gòu)建場館碳排放數(shù)據(jù)庫。

為實(shí)現(xiàn)對賽事相關(guān)碳排放的精準(zhǔn)評估，開展了從速滑館建設(shè)到賽后利用全生命周期的碳排放核算，用以量化賽事籌備、賽時(shí)運(yùn)營、觀眾觀賽及賽后利用等活動產(chǎn)生的碳排放。通過核算賽事相關(guān)活動直接與間接碳排放量，為碳排放智能管控提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

運(yùn)用超低能耗建筑技術(shù)制造并搭建“零碳小屋”，具有選材環(huán)保、可回收利用、裝配速度快等特點(diǎn)，并采用全熱交換新風(fēng)確保室內(nèi)空氣質(zhì)量。搭載“風(fēng)、光、儲”清潔創(chuàng)能系統(tǒng)和零碳智能控制平臺，可實(shí)現(xiàn)建筑電氣系統(tǒng)智能控制，最終達(dá)到運(yùn)行過程的碳中和。

單層橢圓馬鞍形索網(wǎng)＋環(huán)桁架＋幕墻斜拉索結(jié)構(gòu)體系

先進(jìn)信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)智慧場館集成應(yīng)用

在國家速滑館基于5G技術(shù)的云網(wǎng)霧端架構(gòu)，借助5G網(wǎng)絡(luò)用戶面功能（UPF）下沉能力，為場館提供了媒體專網(wǎng)設(shè)施，升級了智慧場館運(yùn)營所需的網(wǎng)絡(luò)條件。其核心是通過下沉的UPF可將用戶數(shù)據(jù)流量就近分流至靠近場館的霧計(jì)算或邊緣計(jì)算平臺，能夠滿足用戶對時(shí)延要求較高的服務(wù)要求，并通過5G網(wǎng)絡(luò)的無線跟蹤區(qū)域（TA）控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對場內(nèi)外用戶的精準(zhǔn)區(qū)隔。推出的現(xiàn)場低時(shí)延視角定制服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了比賽現(xiàn)場與觀眾現(xiàn)場手機(jī)之間600毫秒的時(shí)延效果，觀眾在賽場內(nèi)可實(shí)時(shí)觀看到不同角度的比賽實(shí)況，不錯(cuò)過任何一個(gè)精彩的瞬間，讓用戶享受無與倫比的觀賽體驗(yàn)。

構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的國家速滑館智能化集成平臺，作為神經(jīng)中樞系統(tǒng)連接著速滑館的視覺系統(tǒng)、聽覺系統(tǒng)、嗅覺系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、運(yùn)動系統(tǒng)，支持毫秒級數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)點(diǎn)查詢速度不低于每秒5萬點(diǎn)，單數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)支持100萬點(diǎn)以上的數(shù)據(jù)管理；可實(shí)現(xiàn)對國家速滑館36個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、匯總、分析，設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控管理，能源管理，安全管理，冰面養(yǎng)護(hù)，智能化聯(lián)動控制與調(diào)度等。

運(yùn)用數(shù)字化融合技術(shù)將“源—網(wǎng)—荷—儲”等所有與能源相關(guān)的系統(tǒng)有機(jī)聯(lián)系在一起，通過柔性互聯(lián)形態(tài)使得能量能夠在各個(gè)系統(tǒng)間自由流動，利用虛擬儲能及多時(shí)間尺度預(yù)測和調(diào)度方法，讓能量的運(yùn)動變得井然有序。最后，結(jié)合人工智能算法實(shí)現(xiàn)能源取用的精準(zhǔn)控制，使速滑館的各種能源系統(tǒng)不再單獨(dú)工作，而是構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的整體，用能、蓄能、產(chǎn)能各系統(tǒng)彼此相互關(guān)聯(lián)、相互協(xié)調(diào)、靈活調(diào)度、精準(zhǔn)控制。

為了避免傳統(tǒng)場館存在的人工運(yùn)維工作效率低、運(yùn)維成本高、響應(yīng)速度慢等問題，基于全過程建筑信息模型（BIM）和全域數(shù)字孿生技術(shù)，建設(shè)了國家速滑館智能化運(yùn)維系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)維的可視化，提升建筑全生命周期內(nèi)的運(yùn)維效率，降低人工、運(yùn)維成本，保障場館內(nèi)安全管理。建設(shè)國家速滑館可視化運(yùn)維系統(tǒng)，進(jìn)行建筑、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施的控制系統(tǒng)，包括智能照明、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)、安防監(jiān)控技術(shù)系統(tǒng)、樓控系統(tǒng)等集中展示和管理，通過數(shù)據(jù)分析，第一時(shí)間了解場館內(nèi)建筑及系統(tǒng)環(huán)境，支持場館管理人員設(shè)備巡檢、設(shè)備維修、設(shè)備調(diào)控、工單管理等運(yùn)維工作，為場館運(yùn)營、決策提供精準(zhǔn)服務(wù)。

冬奧會后，國家速滑館將可承辦所有冰上項(xiàng)目國際頂級賽事，進(jìn)行二次開發(fā)利用，成為集“體育賽事、群眾健身、文化休閑、展覽展示、社會公益”五位一體的綜合性體育場館，實(shí)現(xiàn)更新和功能的快速轉(zhuǎn)換。