深瞳 | 由水到冰,水立方“變形記”

2021-01-04 13:44:39 來源: 科技日報 作者:

深瞳工作室出品

科技日報記者 崔爽 策劃 陳磊

剛剛過去的元旦,對于所有為冬奧場館奔忙的人來說是個大日子:北京冬奧會全部競賽場館于2020年12月31日前全面完工。

國家游泳中心(水立方)是第一個實現(xiàn)完工改造的場館,也是世界上首次采用智能化技術(shù)建立泳池轉(zhuǎn)換冰場。現(xiàn)在,它有了一個新名字——“冰立方”。

時間回到2015年7月31日,2022年冬季奧運會主辦權(quán)花落北京。按規(guī)劃,水立方將變身“冰立方”,承接冰壺比賽——在全中國最有名的場館、晶瑩剔透的藍色膜結(jié)構(gòu)里,招待全球來客,一切似乎完美。

沒想到,這個先入為主的決定讓水立方的命運陷入兩難之境:冬奧會冰壺比賽歷來都是在混凝土結(jié)構(gòu)上凍冰,如果要在水立方舉辦,只能徹底放棄原有功能,在泳池中澆筑混凝土。

如此一來,水立方將不再有“水”。

一邊是國人有特殊情結(jié)的重要的奧運遺產(chǎn)之一,是創(chuàng)造過24項世界紀錄的“全世界最快的泳池”;一邊是冰壺場地的嚴苛標(biāo)準(zhǔn)、國際奧委會的嚴格把關(guān)和“科技冬奧、綠色冬奧”的莊重承諾。

水還是冰,夏還是冬——這道二選一的艱難命題,橫在冬奧團隊面前。

水立方何去何從?

“沒了水就沒了魂”

舍棄泳池,北京國資公司所屬國家游泳中心總經(jīng)理楊奇勇是最不能接受的。

2004年起,他開始在水立方工作。彼時的水立方還是一片空地,這座日后位于中軸線西側(cè)的“藍色地標(biāo)”還停留在剛剛贏下場館設(shè)計方案的圖紙上。從一名現(xiàn)場工程師開始,楊奇勇親歷了場館的拔地而起,2008年的奧運盛事,其后數(shù)千個日夜的場館運營,無數(shù)人慕名而來。迄今為止,水立方已經(jīng)接待了2700萬名游客,舉辦了超過1600場活動。

加入冬奧申辦行列,這座場館獨特的氣質(zhì)和影響力得到國際冬奧會和國際冰壺組織的一致喜愛?!吧贽k小組問我們辦冰壺比賽行不行,我們在網(wǎng)上看了錄像,感覺和冰球、速滑比,冰壺沒有太大的運動幅度,應(yīng)該比較輕松?!睏钇嬗禄貞浾f。

現(xiàn)實卻大相徑庭。確定承接后,大家才意識到原來冰壺比賽是塊極其難啃的“硬骨頭”,對場地的技術(shù)要求極高,需要穩(wěn)固的混凝土基層。

這也是國際冰壺組織的明確要求。2015年底,國際冰壺組織第一次派人來水立方考察,就提出在泳池中澆筑混凝土的要求。

一旦澆筑,泳池即遭廢棄,這意味著放棄水立方的夏季奧運功能。

在設(shè)計總負責(zé)人、北京市建筑設(shè)計研究院副總建筑師鄭方的講述里,種種不舍具體可感。

“郭晶晶等人就是在那里拿的金牌?!彼种赶蜻h處的十米跳臺,“中國跳水‘夢之隊’包攬了除男子10米臺的全部金牌?!?/p>

水池的榮耀恍如昨天?!?008年,運動員們在這個游泳池里24次刷新21項世界紀錄。菲爾普斯一人獨得8塊金牌。”視線轉(zhuǎn)向另一邊,“那邊還有個嬉水樂園,小朋友都特別喜歡,館里甚至還有嬰兒游泳池。”

“水是這座建筑的靈魂,”鄭方反復(fù)講,“它所有的設(shè)計都跟水有關(guān)。大家來到這里,就是為了游泳、玩水。你看上面屋頂?shù)臍馀?,多邊形氣枕就像水分子一樣包裹著這個房子的鋼結(jié)構(gòu)。里里外外、從結(jié)構(gòu)到功能,這里都與水有關(guān)。失去水,這個房子就沒有靈魂了?!?/p>

十年來,國際游泳和跳水比賽每年如期上演,“觀眾到點兒就來,電視上就播?!睏钇嬗抡f。

除了“情感上很難接受”,他手里還有一本實在的“經(jīng)濟賬”:靠著夏季奧運會的光環(huán)和拉動,以及人們對奧運遺產(chǎn)的愛護,水立方的旅游收入達到總收入的三分之一,這個比例在國內(nèi)首屈一指。一旦賽道被破壞性拆除,后臺千萬級投資的設(shè)備機器將被棄用,代價巨大。

不想澆筑混凝土,也別無他法。籌備時間在大家的不甘和矛盾中嘩嘩流過。

楊奇勇知道,不能等“死”,要救游泳池!

2016年初,矛盾已經(jīng)箭在弦上。兩位并肩作戰(zhàn)多年的老友在泳池邊徘徊。其間,一個大膽的想法閃現(xiàn):能不能夏天游泳,冬天滑冰,把水立方變成“兩棲”的?

“水冰轉(zhuǎn)換”,這個奧運歷史上前所未有的做法帶來破局的希望。

“難搞”的冰

顧名思義,“水冰轉(zhuǎn)換”就是在保留水上功能的基礎(chǔ)上,新增冰上功能,實現(xiàn)水立方與“冰立方”的互換。

這不是天外飛仙的想法。憑借多年建筑工程經(jīng)驗,結(jié)構(gòu)工程師楊奇勇對在泳池里鋪設(shè)可拆卸的穩(wěn)定支撐結(jié)構(gòu)有把握。

但往上到了冰面,就沒什么底氣了。

在那之前,全世界只有一個日本的游泳館曾在上世紀90年代在泳池上鋪設(shè)簡易冰面,供人滑冰娛樂,但消遣性質(zhì)的普通滑冰和奧運級別的冰壺比賽,改造難度如云泥之別。更令人灰心的是,當(dāng)時國內(nèi)對冰面性能的研究還是空白。

冰壺比賽的“冰”大有講究。

如果你曾經(jīng)摸過賽道,會詫異于那并不是一片平整光滑的冰面,而是散布著無數(shù)細小的顆粒,大小不一且不均勻,合起來約占冰場一半面積。冰壺在密布冰點的“鵝卵石路”上快速滑行。

長45米,寬4.75米,整個厚度在4到5厘米的冰層其實就像一塊“切糕”,制冰師要按照順序依次鋪設(shè)每一層構(gòu)造。從底層冰到制冷管線,再到比賽冰面,每次制冰,國際頂級制冰師通常要花費約10個工作日,用細水管把經(jīng)處理的純水幾十上百次地澆上去,精細平整,噴灑水霧,形成冰點。

冰壺賽道也不是一個永恒不變的水平冰面,隨著冰壺在賽道上不斷滑動、制冰師的反復(fù)修冰,甚至室內(nèi)環(huán)境的些許變化,賽道表面發(fā)生著微妙的改變。

用鄭方的話說,冰非?!懊舾小?。

冰壺比賽要求場館濕度在30%以下,冰面溫度約在零下8攝氏度,冰面以上1米空氣溫度在10攝氏度,館內(nèi)溫度在16攝氏度以內(nèi),這些數(shù)據(jù)會直接影響冰壺與冰的摩擦系數(shù)。冰壺館里布滿燈光、攝像機,還坐著數(shù)量不等的觀眾,他們產(chǎn)生大量熱量,給冰帶來種種影響。總之,空氣溫度、濕度,氣流場的分布等時刻影響著賽道的品質(zhì)。

因此,要在水立方辦冰壺比賽,不僅是“凍出標(biāo)準(zhǔn)冰”,場館內(nèi)的溫度、濕度、通風(fēng)、節(jié)能等都面臨全面改造。

“前途未卜”的中國方案

2016年4月,國際冰壺聯(lián)合會在瑞士巴塞爾舉辦男子冰壺世界錦標(biāo)賽,邀請楊奇勇和鄭方去看看比賽,學(xué)習(xí)經(jīng)驗。楊奇勇知道,“短兵相接”的時候到了。他們帶上水立方“水冰轉(zhuǎn)換”的方案去了巴塞爾。

一進門,還沒提交方案,世界冰壺聯(lián)合會的技術(shù)代表先給出一頁紙,上書29條技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。那是楊奇勇和鄭方第一次見到冰壺世界通用標(biāo)準(zhǔn),也是第一次體會到形勢之嚴峻:對照來看,水立方幾乎一條也不滿足。

第五條甚至明確寫著:世界冰壺聯(lián)合會傾向使用混凝土基層,其他方案應(yīng)征求同意。

混凝土基層常規(guī)而穩(wěn)妥。“水冰轉(zhuǎn)換”方案則設(shè)想在原來的泳池賽道里,通過搭建可轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、安裝可拆裝制冰系統(tǒng),形成標(biāo)準(zhǔn)冰壺場地。冬天一過,構(gòu)造移除,回歸泳池。

誰也不知道這個體育場館創(chuàng)新利用的“中國方案”,前路如何。

“只能進,不能退,沒有別的選擇?!睏钇嬗逻@樣描述當(dāng)時的心情,“我們表態(tài)拒絕現(xiàn)澆混凝土方案,希望給機會做水冰轉(zhuǎn)換的實驗。如果不能滿足全部標(biāo)準(zhǔn),就無條件服從?!?/p>

軍令狀遞出,水立方暫時“躲過一劫”。

“冰水兩重天”

作為2008年北京奧運主要的水上項目比賽場館,水立方總建筑面積6.5萬至8萬平方米,地下部分的建筑面積不少于15000平方米,內(nèi)設(shè)多個游泳池、跳臺,還有占據(jù)一半面積的嬉水樂園。

從高溫高濕的泳池環(huán)境,到低溫、干燥的冰場環(huán)境,可謂“冰水兩重天”,改造技術(shù)難度和工程復(fù)雜度遠超設(shè)想。

搭建轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是改造的首要難題,講究的是快、穩(wěn)和高精度。

冰壺比賽對冰面平整度要求極高,每平方米在承受150公斤重量的情況下,冰面變形不能超過1毫米,據(jù)助理制冰師張金泉介紹:“我們研發(fā)定制可拆裝的鋼結(jié)構(gòu)作為冰下主體結(jié)構(gòu),為冰壺賽道提供牢固的結(jié)構(gòu)支撐?!?/p>

賽道最下面是鋼結(jié)構(gòu)支撐體系,然后,依次是10厘米輕制混凝土預(yù)制板和兩層各5厘米的保溫層,接下來又是PE防潮隔離層及無紡布層,在7厘米的制冰排管及蜂窩支架之上,才是運動員接觸到的真正冰層。

作為最終冰面的基礎(chǔ),混凝土板塊兩米之內(nèi)高差不能大于3毫米,全場高差不能大于6毫米,這是拼裝結(jié)構(gòu)安裝誤差的極限。

改造中,很多原來引以為傲的設(shè)計,此刻都成了待解的難題。比如醒目的“藍色泡泡外墻”。

水立方的藍色膜結(jié)構(gòu)形體輕盈、透光性強,但對于“嬌氣”的冰面來說,從早到晚的陽光并不友好。據(jù)高級技術(shù)經(jīng)理時玉橋介紹,他們在膜結(jié)構(gòu)下覆了一層PVC膜,給水立方“拉上了窗簾”,避免了陽光照射對冰的影響。等到水立方切換到“夏季模式”,這層黑膜還可以移除。

冰壺被稱為“咆哮的運動”,冰壺運動員比賽不帶擴音設(shè)備,全靠喊,對于場館的聲音環(huán)境要求很高,為此,團隊已經(jīng)進行5次模擬噪聲實驗,以求達到1.8秒混響效果。

科技專家合力破“冰”

2019年,科技部聯(lián)合北京市、河北省及北京冬奧組委,會同教育部、工信部、國家體育總局等部門成立“科技冬奧”領(lǐng)導(dǎo)小組,統(tǒng)籌設(shè)計科技冬奧重點任務(wù),為北京冬奧會和冬殘奧會提供科技支撐。

清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、同濟大學(xué)、中建一局、商湯科技等,以及志愿加入的東北農(nóng)業(yè)大學(xué)在內(nèi)的國內(nèi)頂尖科研力量集結(jié)起來,在科技部部署下,致力于在冰的內(nèi)部性能和外部影響研究上尋求突破。

他們中,有人本身研究極地冰川,有人研究海洋冰對鉆井平臺的影響,有人專攻熱—力學(xué)、研究低溫空調(diào),都屬運動冰研究的“擦邊球”。

某種程度上,他們在為國內(nèi)運動冰研究“開山辟路”。

在楊奇勇看來,這固然是出于場館建設(shè)需要,卻延伸出更悠遠的價值。

冰壺運動作為舶來品,最初是在奧運爭光戰(zhàn)略下,因其較適合亞洲人參與,為了擴大中國冰雪項目的奪金面而引進的。十幾年來,高潮有之,平谷更多。由于國內(nèi)并沒有對冰進行過系統(tǒng)研究,也就沒有人給運動員提供基礎(chǔ)而必要的冰面信息。在世界頂級比賽中,冰面的微妙變化將影響關(guān)鍵時刻戰(zhàn)術(shù)選擇,而中國運動員在“讀冰”方面能力薄弱。

相比而言,老牌強隊積累了很多歷史經(jīng)驗,能通過讀取冰面做出更好判斷。國內(nèi)運動員卻因為研究信息的匱乏望塵莫及。

通過對冰研究的拓荒,一方面解決標(biāo)準(zhǔn)不齊、冰面不完美的問題,一方面也可以積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗?!叭绻\動員可以知道一場比賽打到第五局時冰面可能發(fā)生了什么變化,他一定可以在腦中龐大的計算體系中選擇一個更優(yōu)的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)。”楊奇勇說,“我們下了巨大的功夫做研究,轉(zhuǎn)身把數(shù)據(jù)給他們,就成了競賽的‘幫手’?!?/p>

此外,高水平制冰師這個國內(nèi)鮮見的職業(yè)也能在這個過程中成長起來,為中國未來的制冰工作提供“工作范本”。

用“智慧大腦”指揮轉(zhuǎn)換

2019年底,水立方第一次圓滿完成“水冰轉(zhuǎn)換”,耗時近60天。2020年12月,第二次“水冰轉(zhuǎn)換”的結(jié)構(gòu)搭建順利完成,僅用十幾天,達到“科技冬奧”重點專項的既定目標(biāo)。

大大加速的“水變冰”背后,是智能化改造的加持。

據(jù)了解,第二次轉(zhuǎn)換搭建了由2600根薄壁H形鋼和1570塊輕質(zhì)混凝土預(yù)制板組成的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),每根(塊)鋼梁和混凝土預(yù)制板都有自己的“數(shù)字身份”,在轉(zhuǎn)換施工中,可以精準(zhǔn)高效地將每個構(gòu)件復(fù)位。在施工過程中,通過運動捕捉技術(shù)與施工測量技術(shù)相結(jié)合,極大提高了安裝精度。

“冰壺賽道對平整度要求極高。去年給混凝土板調(diào)平時,工人每調(diào)平1塊板,就涉及周邊8塊板,測量非常耗時?,F(xiàn)在配備10臺高精度傳感儀實時反映高差變化,調(diào)平一次性到位。”楊奇勇說,這項技術(shù)還會更成熟,“水冰轉(zhuǎn)換”還能提效。

傳統(tǒng)場館變“聰明”

變化不只發(fā)生在泳池內(nèi),水立方轉(zhuǎn)成冰立方,傳統(tǒng)場館也轉(zhuǎn)成一座真正意義上的智能場館。

楊奇勇說,“水冰轉(zhuǎn)換”要求場館后臺機器設(shè)備、控制系統(tǒng)都有能力隨場館功能需求轉(zhuǎn)換,期間還要承辦商業(yè)活動。這給場館設(shè)備智能化水平,甚至物業(yè)管理水平帶來巨大挑戰(zhàn)。

為保障“冰立方”的室內(nèi)環(huán)境條件符合冰壺比賽的要求,場館設(shè)置了由4000多個傳感器領(lǐng)銜的樓宇設(shè)備管理系統(tǒng),可以監(jiān)測和控制場館內(nèi)的溫度、濕度、PM2.5濃度等的變化。在這套系統(tǒng)的精準(zhǔn)調(diào)控下,冰壺賽道冰面溫度達到零下8.5攝氏度的要求,冰面上1.5米高處溫度始終保持在10攝氏度,看臺觀眾區(qū)溫度則恒定在16至18攝氏度,真正做到“同室不同天”。

在環(huán)繞冰場的觀眾臺下方,可以看到直徑1米的藍色長條“布袋”。這種“布風(fēng)管”是一個除濕送風(fēng)系統(tǒng),除濕系統(tǒng)處理完的低溫低濕空氣經(jīng)過它,被均勻地吹送到場地上空。

場館的地下,藏著一間60平方米的控制室,墻上大屏就是水立方智能建筑運維管理平臺,實時顯示制冰系統(tǒng)、除濕系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、票務(wù)系統(tǒng)等的運行情況,對場館各設(shè)備系統(tǒng)實行智能調(diào)控??梢暬哪茉垂芸剡€能有效控制場館能耗和碳排放。

時玉橋說,等到冬奧會時,觀眾還可以通過人臉識別出入場館,通過新設(shè)的四塊智能導(dǎo)覽屏順暢穿行。

“我們不是在賭博”

回想“異想天開”的方案、攻堅克難的試驗,到第一次試驗成功時“策略基本得到認可”,再到達到冬奧標(biāo)準(zhǔn)“運動員沒有投訴”?!拔覀儾皇窃谫€博?!币宦纷邅?,楊奇勇說,“‘水冰轉(zhuǎn)換’從暢想到現(xiàn)實,離不開中國科技力量的支持?,F(xiàn)在看,我們不僅完成了曾經(jīng)‘不可能完成’的任務(wù),以后還會更精彩?!?/p>

2020年11月27日,水立方冰壺場館改造工程順利通過完工驗收。完成第二次“水冰轉(zhuǎn)換”的冰壺場地正在面向公眾開放,同時繼續(xù)檢測和調(diào)試場館冰面及機電系統(tǒng)的運行狀況。

在鄭方看來,如果說2008年我們通過“設(shè)計場館”展示科技創(chuàng)新成果,那么2022年,我們用“改造場館”,續(xù)寫這段科技創(chuàng)新的中國故事。

他還記得,2018年9月,國際奧委會副主席、北京冬奧會協(xié)調(diào)委員會主席小薩馬蘭奇來水立方,他們以動畫的形式現(xiàn)場演示了水立方變身“冰立方”的轉(zhuǎn)換過程,小薩馬蘭奇看后很欣喜,他說“北京正在用一個充滿智慧的方式舉辦奧運會”。

如今,他們兌現(xiàn)了承諾。

2022年2月,將有最多4600名觀眾坐在“冰立方”,在冰壺劃過的優(yōu)美曲線里,延續(xù)2008年盛夏,水立方的榮光。

責(zé)任編輯: 何沛蓯