鄭方 孫衛(wèi)華 董曉玉

1 國家速滑館設計管理創(chuàng)新

國家速滑館是北京2022年冬奧會標志性建筑，是北京賽區(qū)唯一新建的冰上競賽類場館，位于奧林匹克森林公園西側，與鳥巢、水立方遙相呼應，以其獨特的曲面玻璃幕墻寓意“冰”和“速度”的設計主題，被稱為“冰絲帶”（Ice Ribbon）（圖1）。冬奧會期間，國家速滑館承擔速度滑冰項目（Speed Skating）比賽任務，進行了14項速滑比賽，13次刷新奧運會紀錄，其中1次打破世界紀錄，場館的建設和運行得到了各方好評，被譽為“最快的冰”。

1 國家速滑館日景

國家速滑館設計堅持可持續(xù)發(fā)展理念，突出科技、智慧、綠色、節(jié)儉特色。在設計及建設、運行全過程實現低碳綠色主導化，是國內首例冰上競賽場館綠建三星設計認證；面對諸多國內首創(chuàng)，甚至世界之最，設計團隊以設計引領創(chuàng)新，以科研保障設計，實現項目設計科研一體化。與此同時，奧運場館工程具有“周期長、任務重、要求高”的特點，在如此多重目標、多重任務、多重困難下的工程建設中必須借助數字化等設計手段，并通過數字設計專業(yè)化，保障設計數據全流程交換貫通，高質高效地實現場館的數字建造和智慧運維。在2020年第十一屆“創(chuàng)新杯”建筑信息模型BIM應用大賽上，國家速滑館項目榮獲文化體育類BIM應用一等獎。

2 對數字設計的理解

數字技術不僅在北京冬奧會開幕式上驚艷世界，其實在冬奧會場館設施的設計、建設和智慧化運行中也得到了廣泛而深刻的應用，并極大地推動了中國數字產業(yè)化和數字經濟的高質量發(fā)展。顧名思義，數字建筑首先是實現建筑設計的數字化，數字設計是建筑數字建造和智慧運維的基礎。

目前對建筑設計階段數字化應用的內涵有著不同的理解，在設計項目上的實際應用水平也參差不齊。首先，最基礎的應用便是設計成果的信息化，以CAD（計算機輔助設計，Computer Aided Design）和BIM（建筑信息模型，Building Information Modeling）等專業(yè)軟件生產的數字化設計成果（圖2），建立起建筑信息的初始數據庫，同時也是后續(xù)智慧建造、智慧運營的基礎載體。然后，是設計全程的軟件化，依托計算機專業(yè)軟件，進行建筑對概念、空間的推敲，結構對構件受力的計算等，使得設計過程更加科學、嚴謹、合理。其次，就是設計驗證的模擬化，依托計算機軟件，借助信息化成果，可以實現建筑效果VR/AR體驗，實現結構受力、環(huán)境、節(jié)能等方面的計算以及機電系統(tǒng)CFD等模擬分析，完成專業(yè)之間的相互驗證，使得設計結果更加貼近現實需求和建造需求。再次，對于造型復雜的建筑，往往需要借助參數化的方法，設置可變參數模型生成建筑曲面表皮等非線性建筑構成要素，也就是設計生成的參數化。參數化設計不僅僅可以呈現出非常規(guī)的設計效果，更重要的是清晰地表達了設計者的設計邏輯，使得數字化與人的關系更進一步。

2 國家速滑館BIM 成果

國家速滑館在設計階段以數字設計為主線，實現了專業(yè)化的設計管理和應用。從設計概念之初到工程施工配合完成的設計全周期中，設計團隊架構上一直配置專業(yè)的數字設計師及團隊，統(tǒng)籌全流程的數字設計過程和成果。而這種“專業(yè)化”更重要的一方面是能加深我們對數字化設計的理解和應用。我們希望基于數字模型和工具軟件，將建筑的整個設計策略都納入到數理邏輯中，實現設計策略的數理化，產生一條內在的邏輯化和量化的因果鏈條，讓建筑師的敘事不僅形象生動，而且理性科學。

3 國家速滑館數字設計專業(yè)化策略

3.1 通過數字設計確立建筑造型的幾何邏輯，實現場館空間體系的精準控制

體育建筑的FOP（競賽場地，Field of Play）是設計所圍繞的核心。國家速滑館圍繞400m標準速滑競賽賽道，打造世界首例“全冰面”速滑場館，其連續(xù)無縫冰面面積達11 578m2，為目前世界最大的室內人工冰面（圖3）。環(huán)繞上述競賽場地，連續(xù)布置12 000座看臺和觀眾休息空間，從而生成國家速滑館的幾何形態(tài)。

3 國家速滑館比賽大廳

首先，根據視線計算規(guī)則，綜合考慮樓層和縱橫走道分布、包廂、殘疾人坐席等技術因素，建立圍繞冰場的32排連續(xù)環(huán)形看臺；然后，使用70°傾角的碗形曲面切割看臺，使碗形內部的座椅符合預期規(guī)模數量。從長軸端點到短軸端點，碗形曲面呈2～3m厚度漸變，以形成外傾的看臺柱，是結構體系的主要支撐，同時作為看臺、屋頂、幕墻的支撐，也是室內空間的核心要素。頂部設巨型環(huán)桁架，內弦連接單層雙向正交索網屋面，外弦連接立面幕墻斜拉索，形成如同斜拉橋一樣的結構體系。碗形曲面的頂部輪廓由看臺最后排的空間曲線定義，作為環(huán)桁架支座的控制點，向上平移形成環(huán)桁架的下弦曲線，再通過結構找形調整環(huán)桁架的斷面，優(yōu)化屋面索網的空間邊界和屋頂拋物線曲面，使環(huán)桁架水平變形最小，構件內力更均勻，建立高效的空間受力形態(tài)[1]。

基于上述幾何邏輯，借助Rhino等三維軟件，國家速滑館從冰場開始，在長軸240m、短軸176m的正橢圓平面上，由內向外形成了整個建筑嚴謹的空間造型邏輯和幾何控制體系（圖4?6）。

4 國家速滑館空間邏輯模型

5 國家速滑館空間模型

6 國家速滑館結構分解圖

3.2 通過數字設計確立空間容積的數理邏輯，實現場館低碳運行

從建筑使用和運行角度來說，大型公共建筑特別是冰上體育建筑的室內空間形態(tài)顯然更加復雜，也更加重要。

國家速滑館秉持“綠色辦奧”理念，將控制制冰運行能耗作為綠色節(jié)能設計的首要任務。速滑館最大的能耗是冰面的運行能耗，而比賽大廳的空間形態(tài)和容積大小是冰場環(huán)境控制和運行能耗的關鍵因素之一，其空間容積越小，就越容易實現冰場比賽環(huán)境的精準控制和制冰能耗的節(jié)約運行。因此，通過數學計算，確定一個合理的比賽大廳空間形態(tài)，使得室內空間容積最小是建筑造型的基本出發(fā)點[2]。

本實驗以多臺 Ubuntu 12.04，3.40GHz CPU，8GB RAM的臺式機模擬服務器，以一臺Windows7，2.20GHz CPU，8GB RAM的臺式機模擬查詢端。實驗數據集采用的是skyline查詢經典數據集Core和NBA。其中數據集Core含有68K條9維數據記錄，共有1533個skyline點。數據集NBA含有21K條8維數據記錄，共有1195個skyline點，數據集的相關信息如表1所示。

在這樣集約的平面基礎上，依據比賽場地和看臺的不同凈高需求來確定建筑頂棚形態(tài)，也就確定了比賽大廳的容積。保持同樣的比賽大廳平面布局和最高點凈高要求，采用常規(guī)的平屋頂或拱形屋頂（矢高15m），其比賽大廳屋面下的空間容積分別約為62萬m3和76萬m3，而采用沿橢圓短軸（東西）方向兩端隨看臺升高，沿長軸（南北）方向兩端隨看臺降低的馬鞍形雙曲面的屋面造型，則可以壓減非必要的室內空間，容積只有約47萬m3，相比節(jié)省了32%和62%的空間，形成最小的蓄冷空間。若把速滑館比作一個超大的冰箱，壓減容積是最直接的降耗舉措。因此，通過數字化模型對室內容積進行形態(tài)模擬與計算比較，確定馬鞍形雙曲面的頂棚是壓減比賽大廳空間容積最為有利的屋面造型，正所謂“形式追隨內容”，實現感性與理性的平衡。

3.3 通過數字設計確立結構體系的找形邏輯，實現空間建筑形態(tài)與結構力學性能的數學規(guī)則統(tǒng)一

首先，在確定了國家速滑館馬鞍形雙曲屋頂的建筑形態(tài)后，下一步就是選擇合適的屋面結構體系。整體而言，對結構邏輯的要求就是結構所占的空間最小，結構耗材最少。通過數字模型和結構計算進行了方案模擬比選，傳統(tǒng)的網架或者是桁架屋面結構高度為6～8m，而采用索網屋面結構高度僅為0.2m，由此可以減小室內空間容積約20萬m3，約占比賽大廳空間容積的50%，進而再次大大降低室內運行能耗，同時又降低了建筑高度，節(jié)省了約25%的外圍護幕墻面積[2]。

國家速滑館主體屋面最終確定采用單層雙向正交索網結構，該索網平面投影為正橢圓形，周邊拉結于巨型環(huán)桁架上，整體張拉投影面積約19 300m2，是世界上類似結構中跨度和規(guī)模最大的。索網設置了兩種索——東西短軸為承重索（最大跨度124m），南北長軸為穩(wěn)定索（最大跨度198m）[3]，要使兩個方向的索的結構效率最高，其中心點空間位置的確定非常關鍵。正是由于國家速滑館設計結合建筑美學、技術科學等要求，在對數字建筑的結構形態(tài)進行“形”與“力”剖析的基礎上，建構了面向數字設計的結構形態(tài)協(xié)同設計框架，使得該馬鞍形雙曲屋面索網中心點的確定成為了建筑與結構的完美結合，完成“形”與“力”的統(tǒng)一，最終促成我們織就了這張最大、最薄的天幕。

對于外幕墻結構，建筑設計的理念同樣需要幕墻環(huán)帶呈現輕盈、透明的效果，要求結構構件最隱，結構耗材最少。在方案比較中，利用數字三維模型和結構計算模型，嘗試了張拉整體結構、拉索結構、弓形桁架結構、雙層網殼不規(guī)則短柱、波浪形單層網殼，最后集中在雙索條板和單索加連續(xù)網殼結構（選定方案）。最終，我們?yōu)椤氨z帶”打造了連續(xù)長度600m的最長、最輕的單層異面網殼組合的連續(xù)幕墻，為國家速滑館呈現了最颯的“冰絲”，實現了以“絲帶”展現冰和速度的理念，促進了設計中技術與藝術的融合（圖7?11）。

7 國家速滑館幕墻方案比較

8 國家速滑館結構受力體系

9 國家速滑館索網受力分析

10 國家速滑館索網施工

11 國家速滑館幕墻

3.4 通過數字設計確立復雜形態(tài)的參數化手段，實現“冰絲帶”復雜曲面幕墻的生成與優(yōu)化

參數化設計采用約束性的數字方法，在設計中產生一條邏輯化和量化的因果鏈條，使因果關系相互聯系和反饋。通過在Grasshopper等參數化軟件中設置可變參數條件，使得設計條件與設計結果之間產生相互響應，而且對響應結果進行非預期性干擾。這類似一種發(fā)散式思維方式，設計過程和結果對條件的改變具有彈性和適應性，多條件產生多樣性的結果，從而讓設計者更容易尋得理想的目標[4]。

國家速滑館立面的設計概念稱為“冰絲帶”，呈現動感、輕盈、透明的建筑效果。為使立面的絲帶線條內外錯落有致，采用自由彎曲的玻璃幕墻。我們利用Rhino和Grasshopper等三維軟件的參數化設計功能，對自由彎曲的玻璃幕墻表皮進行了正向生成與反向擬合優(yōu)化。

首先，由屋頂外邊緣起伏的空間曲線定義幕墻的上邊緣三維控制線，二層平面的橢圓邊界作為下邊緣二維控制線。然后，在橢圓的長軸和短軸四向的四個端點建立幕墻典型剖面控制線，其與幕墻曲面玻璃規(guī)格、平曲分配、弧度取值等密切相關。因此，需要由廠家進行玻璃規(guī)格的科研攻關和樣品試制，經過工廠生產線試制樣品，評估得出半徑1.5m的中空夾膠玻璃在工藝和視覺質量上可以接受。最終，剖面控制線由兩組平行線和與之相切的半徑統(tǒng)一為1.5m的圓弧連接形成，沿上下邊緣的幾何控制線放樣，其中直段放樣為平板單元，弧段放樣為曲面單元。每個直段和弧段的長度最長不超過2.4m，最短不小于0.3m，至此形成剖面控制線的基本參數控制范圍。再運行Rhino的Sweep2命令，利用上述曲線路徑和剖面控制線，形成幕墻的整體定位曲面。在此基礎上，再將橢圓形定位曲面等分160份，形成平曲耦合的幕墻外觀控制面，其中曲面玻璃單元占幕墻表面積約47%，小于50%的研發(fā)目標[5]。用同樣的參數化方法生成了置于立面幕墻外側的22條“絲帶”，由直徑0.35m的半圓形夾膠玻璃和背后的半圓金屬板組合形成，固定在水平龍骨上，白天起到外遮陽作用，夜晚則是線性LED立面照明系統(tǒng)。

“冰絲帶”曲面幕墻體系的設計集中體現了我們所遵循的低碳綠色主導化、設計科研一體化和數字設計專業(yè)化原則。利用參數化這種數字化的設計手法，使得動感、輕盈、透明的自由曲面表皮得以生成。同時借助科研和參數化工具，設計能夠以標準的建筑構件來擬合自由曲面，節(jié)約了成本和工期，實現了高標準的曲面玻璃幕墻工藝和性能，推動了曲面玻璃幕墻的技術進步，創(chuàng)造了建筑工藝美學的新高度。

通過現場制作幕墻樣板對工藝進行驗證和調整，使得三維設計模型能直接交付到玻璃生產線，再到幕墻單元加工廠和施工安裝現場，實現了設計信息向生產、建造、運維的全程數字化傳遞，以及現場安裝和數字模型的精確對應[1]（圖12,13）。

12 國家速滑館幕墻模型

13 國家速滑館夜景

3.5 通過數字設計確立空間環(huán)境的仿真模擬，實現場館環(huán)境的溫、濕、聲、光、環(huán)境的模擬驗證

對于國家速滑館這樣規(guī)模巨大、造型復雜、有特殊功能需求的公共建筑，建筑空間環(huán)境的設計是工程技術設計的重點，更是難點。

對于競賽類的冰上場館來說，其比賽大廳要實現“一廳三溫”，即國家速滑館比賽大廳的冰面溫度是-10～-6℃，比賽場地冰上1.0m位置空氣溫度是14～16℃，看臺觀眾席溫度是18℃以上。同一高大空間內，三個溫度分區(qū)智能調控，既滿足了冰面環(huán)境的需要，又為觀眾營造了舒適的觀賽環(huán)境。如果將冰上場館比擬為一臺冰箱，那“冰絲帶”就是一臺容積約4億L的大冰箱，而且還是一臺分區(qū)控溫的智能冰箱。同樣，冰上場館對太陽直射光相當敏感，要避免任何時間、任何角度的室外直射光照射到冰面上，同時如果超2萬m2的比賽大廳能夠充分利用自然光來滿足場館運行照度需求的話，又可以大大節(jié)省運行能耗。

針對這種需求上的不同甚至是對立矛盾，設計需要充分利用數字模型，通過Enscape等軟件對各項環(huán)境指標進行精確的模擬、反饋、調整、驗證，最終做到揚長避短、各取所需、精確控制（圖14,15）。

14 國家速滑館觀眾休息廳氣流模擬

15 國家速滑館比賽大廳光線模擬

4 數字設計助力數字建造與智慧運維

數字建造是在新一輪科技革命大背景下，數字技術與工程建造系統(tǒng)融合形成的工程建造創(chuàng)新發(fā)展模式[6]。國家速滑館數字設計始終圍繞一條主線——設計數據全流程交換貫通，使得建筑數字信息在流程中不斷被完善、校正、強化，并通過現代信息技術實現數字鏈驅動下的工程項目立項策劃、規(guī)劃設計、施（加）工、運維服務的一體化協(xié)同，實現數字建造與智慧運維，最終提供以人為本、綠色可持續(xù)的智能化工程產品和服務。

4.1 數字建造

國家速滑館采用數字建造方式，利用設計階段的數字成果，建立了包括全過程統(tǒng)一BIM模型及全參與方一體化協(xié)同施工體系；借助全過程的高精度仿真、高質量高精度構件加工和安裝、實時高精度測控等技術，實現智慧化的平行施工技術體系——工程全生命周期健康監(jiān)測系統(tǒng)，將施工信息、工程進度、質量預警等各種數據實時同步傳輸到數字場館上，實現建筑的“數字孿生”[7]。

工程施工中將部分混凝土構件、看臺、鋼結構、索網、屋面、幕墻、門窗等建筑構件，按照設計數據全部預先在工廠加工完成，并逐件進行二維碼編號，納入數字管理系統(tǒng)，實現數字制造，再運輸到現場進行組裝，最大可能地進行裝配化施工作業(yè)。同時，為保證建設周期，基于數字化施工模擬，工程各專業(yè)各分部推行平行施工建造方式。例如，主體鋼結構環(huán)桁架，這樣一個長度逾200m、投影面積超2萬m2、重達數千噸的龐然大物，實際上就是在場館施工現場外側幾十米外遠的地方，在建設場館的同時被分成幾段進行現場加工制作。等到它加工完成，安裝它的混凝土結構施工也達到了安全承載要求，再通過計算機控制爬行機器人推動分段桁架滑移到場館上方進行拼接、安裝到位，大大節(jié)約了工期。從質量上來講，最終安裝精度偏差僅幾毫米，實現了高效、高精建造。

4.2 智慧運維

奧運會等大型賽事活動歷來被視為展示舉辦國科技水平的舞臺，2022年北京冬奧會數字技術的應用發(fā)展到了一個新的高度。隨著互聯網、智慧科技的不斷發(fā)展，相關競賽場館也正式進入了智慧場館階段。

在冬奧會期間，國家速滑館借助建筑數字模型和相關數據，通過覆蓋全場館的高速Wi–Fi網絡、5G移動通訊網絡，實現無人機等監(jiān)控設備的遠程化控制，特別是AI技術在交通、管理、餐飲方面得到了成功的嘗試。場館應用數字模型衍生的智慧建筑運維管理平臺，基于集成智能網絡系統(tǒng)和數據融匯共享的物聯網系統(tǒng)，實現場館能源智能管理和智慧化建筑管理。同時，場館通過個人終端可視化運維平臺、精準定位導航和VR/AR（虛擬現實和增強現實）等技術，在冬奧會期間為主要參賽人群提供了智慧化管理服務，實現全方位運動數據服務和支撐智慧觀賽服務[8]（圖16）。

16 國家速滑館智慧管理平臺

5 結語

在當前信息化時代的宏觀背景下，數字建筑正成為建筑行業(yè)的基本戰(zhàn)略，借助數字技術驅動行業(yè)發(fā)展，實現建筑的全過程、全要素、全參與方的數字化、在線化、智能化，已經成為產業(yè)鏈條上各相關方高度一致的共識。國家速滑館基于數字設計專業(yè)化，通過數字建構幾何控制系統(tǒng)，在動感輕盈的建筑效果之下，建立集約緊湊的建筑空間，實現高效的輕質結構、立面工程和綠色節(jié)能技術的統(tǒng)一，形成了面向可持續(xù)的完整技術體系，并將數理邏輯與建筑設計融為一體，深化了數字設計的內涵。

圖片來源

1,3,13 孫衛(wèi)華拍攝

2,4?9 北京市建筑設計研究院有限公司提供

12,14?16 北京市建筑設計研究院有限公司提供

10 蔡昭昀拍攝

11 林志云拍攝