解开智慧“冰丝带”的灵动奥秘

访谈人物

李久林，北京城建集团有限责任公司总工程师，北京国家速滑馆经营有限责任公司副总经理兼总工程师，教授级高级工程师，国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项——国家速滑馆智慧场馆建设和应用关键技术研究与示范应用项目负责人。

兼任多个行业协会专家委员及高等院校外聘教授，享受国务院政府特殊津贴。主持和领导了国家体育场“鸟巢”、国家速滑馆“冰丝带”、槐房水厂等多项重大工程施工建设。获评首批北京学者、国家级百千万人才、国家级有突出贡献中青年专家，先后荣获全国五一劳动奖章、全国劳动模范等荣誉称号。

北京奥运中轴线迎来了新朋友，“鸟巢”“水立方”迎来了“冰丝带”。在这片占地1.2万平方米、碳排放趋近于零、被誉为“最快的冰”上，将上演四年磨一剑、千分之一秒定胜负的速度滑冰冬奥赛事。

因建筑外形飘逸灵动，国家速滑馆被亲切地称为“冰丝带”，作为北京2022年冬奥会标志性场馆，承担速度滑冰项目的比赛和训练。冬奥会后，在长期可持续发展中，将建成以冰雪运动为核心、全面促进全民健身、体育消费的新型城市文体综合体，努力成为满足人民群众对冬季美好生活向往的新坐标。

在国家重点研发计划“科技冬奥”专项——国家速滑馆智慧场馆建设和应用关键技术研究与示范应用项目的支持下，国家速滑馆科研团队从设计理念、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。

高技术保障了冬奥场馆和附属设施的设计建筑运维与自然人文环境相融合，实现了冬奥会场地场馆建设运营管理的协同化、精细化、智慧化。

我们采访了本项目负责人、北京城建集团总工程师李久林，带领大家走进智慧的“冰丝带”。

五大创新打造智慧“冰丝带”

问：请您介绍一下项目总体实施目标和实施成效。

李久林：“冰丝带”国家重点研发项目，主要包括五个方面的研发内容。第一个是大跨度索网结构，这是全世界最大的索网结构体育馆。我们原来采用的高矾密闭索都是从国外进口，这是要解决的问题；第二个是复杂的曲面幕墙和柔性屋面，用简单的工艺实现复杂建筑效果；第三个是二氧化碳跨临界直冷制冰系统，打造一个最快的冰场；第四个是在短时间内完成场馆建设；第五个是实现智慧场馆。

实施科技冬奥项目以后，第一，我们建成了全世界最大的索网结构体育场馆，而且实现了高矾密闭索的国产化，产品性能也达到了国际上同类产品标准，引领了国内高矾密闭索生产。

第二，解决了在复杂的柔性索网上建造屋面的难题，开发了新型屋面系统，同时通过3360块玻璃的工艺设计和建造技术研究，实现了“冰丝带”的建筑效果。

第三，研发了二氧化碳跨临界直冷的制冰系统，在冬奥历史上首次实现了制冰技术在速滑场馆的应用。

第四，基于平行施工的高效高精度建造技术，像造汽车一样建成速滑馆。

第五，实现了集先进技术、优质观众体验和精细管理于一体的智慧场馆建设目标，不但解决了速滑馆本身的工程建设难题，相关技术还在国内一些工程上得到推广应用。

问：“冰丝带”的智慧体现在哪些方面？

李久林：主要是两个方面。一个是建造过程。我们采用智能建造方式，像混凝土构建、看台、钢结构、索网、屋面，全部是在工厂建设完成，在现场就像组装汽车一样，把它们组装在一起，这个过程中大量应用了自动化和智能化技术。

比如钢结构环桁架，一个8000多吨的钢结构怎么做呢？实际上是在场馆外侧87米远的地方，在建设场馆的同时，在那儿把它拼起来，通过计算机控制爬行机器人推动桁架滑移到场馆上面，从而实现在场馆里面混凝土结构施工的同时，外侧的钢结构也在施工，两个同时完成混凝土封顶。那边钢结构也拼完了，通过机器人把它滑过来，安装到位，时间上大大节约了工期。从质量上来讲，一个182米的桁架滑移了87米，而且通过两次高低位的变轨以后，最终安装精度偏差仅几毫米，实现了高效高精度建造。

另一个是实现了智慧场馆的目标。除了建造实体场馆，还在计算机里同步建造数字场馆。基于BIM技术，从设计施工到最后的交付，形成实体速滑馆的同时，有一个跟它一模一样的数字速滑馆。速滑馆上面有大量传感器。通过管理平台，速滑馆就像手机一样，各种数据实时传输到数字场馆上，实现数字孪生，对场馆进行精细调控。

比如制冰系统，有很多因素影响运动员成绩，甚至看台观众数量对场馆环境也有影响。我们通过摄像系统，能够看到场馆上哪些地方坐的人多、哪些地方坐的人少，把这些数据传给数字孪生系统，它就可以仿真计算场馆需要做哪些调整。通过对除湿、送风等参数进行调整，使场馆运行环境达到最好，助力运动员在这里创造佳绩。

我们围绕观赛、办赛和参赛准备了几十种技术，希望能够为大家提供最好的服务。

让“最快的冰”成为现实

问：冬奥测试赛中，我们的速度滑冰项目取得了优异成绩，这让人想到之前所说的打造“最快的冰”这一目标，请您介绍一下如何打造“最快的冰”。

李久林：2021年10月份举办的速度滑冰中国公开赛上，四人五次创造了个人最好成绩，某种程度上检验了“最快的冰”这一目标。

建设团队在整个研究和建设过程中，始终把“最快的冰”作为最重要目标，速滑场馆一定要为运动员出成绩提供最好的条件。影响“最快的冰”的因素很多，其中有一个最重要因素就是冰面的质量和温差。我们采用了多项技术，包括首次研发和应用了二氧化碳跨临界直冷制冰系统。最早设计采用的是使用R507制冷剂、乙二醇载冷剂的制冰系统，这个技术跟国际上常用制冰技术一样。后来围绕“最快的冰”和绿色低碳目标，在重点研发计划支持下，创新了二氧化碳跨临界直冷制冰系统，这套制冰系统不但将节能环保GWP值由最初将近4000降为1，同时还能控制冰温。

我们还采取了很多措施，比如通过激光扫描跟BIM模型进行比对，检验、保证冰场下边12万米不锈钢制冰管道处于精准位置，因为每一个管道就相当于一个制冷器，制冷管位置越准，则冰温越均匀。为保证冰板混凝土平整度，采用激光测量技术，使1.2万平方米冰场平整度偏差从原来5毫米验收标准最终达到最大不超过3毫米。整个冰场温差原来理论极限值是0.26摄氏度，通过几次制冰检验达到0.5摄氏度冰面温差以下，比原来设定的1.5摄氏度验收要求提高很多。当然还有风速、湿度等一系列因素的管控，包括基于数字孪生场馆室内环境的精细调控，所有这些都为运动员创造最好的成绩、打造“最快的冰”作出了贡献。

灵动效果背后蕴含科技奥秘

问：运动员能赛出好成绩是大家共同的心愿。国家速滑馆不仅内部结构做得非常精细，外立面建造也非常独特，是目前世界上跨度最大的单层双向正交马鞍形索网屋面体育馆。请您介绍一下“冰丝带”索网屋面上有哪些科技奥秘。

李久林：冬奥速滑馆建设，注重考虑绿色环保低碳理念。在结构体系上，采用了高性能结构体系，通过索网结构实现大跨度屋面建造目标，只用几百吨索就编织出大型场馆屋顶。钢材抗拉强度是最好的，通过拉索充分发挥材料性能，使索网像网球拍一样扣到速滑馆的屋顶上。

我们面临几个问题。第一，它是全世界体育场馆里最大、最扁的椭圆形单层双向正交马鞍形索网，单层双向正交索网，加上环桁架和幕墙斜拉索体系是我们第一次创新采用的技术。

第二，高矾密闭索过去长期依赖进口，这次依托国家速滑馆重大工程，我们和国内厂家及相关单位共同研究攻关，首次实现索网国产化。在速滑馆重大工程的应用起到了示范引领作用。目前，国内大量工程都采用了国产高矾密闭索，使得材料从价格到供货期都已经大大压缩。

第三，如何做出这样一个场馆？索网非常复杂，我们做了大量的数字仿真，在计算机里模拟整个过程，在实验室里做1:12模型试验，提前建了一个小速滑馆，在实验室里把索网建造过程全部模拟出来，作为建造依据，并且提前把标准制定下来。先把幕墙索挂上去，然后把承重索和稳定索编起来，把东西向承重索提升上来后，像渔网一样收网，把它从地面上提起，挂到桁架耳板上去，再张拉南北向稳定索，最后通过张拉南北向的索，带动整个索网变形，索网变形再拉着环桁架的边跟着变形，这边再拉着幕墙的索变形，最终就通过拉一个稳定索，把它拉到位后，放到耳板梁上。整个索网体系张拉成形，非常巧妙。

我们通过计算机控制这些设备实现同步张拉，在速滑馆建设过程中和建成后，通过1100个传感器对数据进行监测，比如在屏幕上能看到北京大风大雪天气时，速滑馆整个屋面的反应。建造凝聚了整个建设团队的心血，最终的建设效果非常完美。这项工程获得了中国钢结构协会年度杰出工程大奖，得到了各方面高度肯定。

问：除索网屋面结构，还有一个受人关注的焦点——“冰丝带”。它之所以被称为“冰丝带”，就是因为外表由22条晶莹美丽的丝带状曲面玻璃幕墙构成，22条“冰丝带”环绕索网屋面结构的设计非常新颖。您能否介绍一下复杂玻璃曲面幕墙里有哪些设计和技术？

李久林：就像我们的“鸟巢”是用钢结构编织出来的，“水立方”是用膜结构实现的，速滑馆最好的体现材料是玻璃。如何实现飘逸灵动的建筑效果，实际上是曲面玻璃如何兼顾多个方面的问题。

第一，不能把工程做得过于复杂，这样会使造价非常昂贵。所以在设计方面，通过平曲玻璃的耦合分析，使所有玻璃的弧度都一样，通过曲面玻璃和平面玻璃的组合，减少工程建造难度，从而实现飘逸灵动的建造效果。

第二，选用四层夹胶中空的玻璃作为材料，实现节能环保的建筑效果，再组合里面的遮阳帘、自然通风系统，实现节能环保。很多观众会提问说，“冰丝带”这样一个大玻璃房子，会不会像玻璃大棚一样夏天很热冬天很冷？甚至有人会担心光污染问题。我们做了非常详细的研究，既兼顾建筑效果，又实现节能环保。

第三，在建造的时候，幕墙也是柔性索网结构，就如何把玻璃安装上去，也做了包括数字模型在内的大量技术工作，通过激光扫描把所有实际结构和形状都扫描进去，再跟玻璃单元板块拟合，最终实现了飘逸灵动的建筑效果，既实现了三星级节能环保的建设目标，又实现了建筑工艺美学新高度的建造效果。

问：冬奥会之后，这个项目的科研成果还将有哪些应用？

李久林：围绕冬奥会速滑馆建造，在国家重点研发计划支持下，一方面，通过技术攻关，解决了场馆建设本身面对的索网、屋面和曲面幕墙、制冰等建设问题；另一方面，形成了大量通用技术、行业关键共性技术和标准。比如国产高矾密闭索，目前我们国家大量工程已经采用国产化高矾密闭索，产生了非常好的效果。我们目前形成了七项新标准，在科技部、住建部、北京市等相关部门和地方的大力支持下，有些标准已经逐步上升为地方、行业甚至国家的相关标准。通过这些标准，我们将为促进冰雪运动场馆建设提供技术支持。

速滑馆本身是多功能场馆设计，在场馆策划和设计之初，我们不仅满足冬奥会速度滑冰功能和需求，而且能够满足所有冰上运动需要。未来将建成集体育赛事、群众健身、文化休闲、展览展示和社会公益五位一体的多功能体育场馆，为带动三亿人参与冰雪运动这一目标提供助力。

（《人民周刊》2022年第2期）