北京冬奥场馆里的高科技

“冰丝带”中的二氧化碳在夏天30摄氏度以上的温度也能制冷，“水立方”里的冰“乖巧听话”，五棵松体育馆里的冰面可大可小，国家雪车雪橇中心的冰面不怕晒……在北京冬奥会申办成功5周年之际，记者走访了施工中的北京冬奥会场馆，发现冬奥场馆建设中隐藏着数不清的高科技，你可能看不见它们，但正是它们，将助力北京冬奥会精彩、非凡、卓越。

直冷技术 “冰丝带”超大冰面夏天“不罢工”

国家速滑馆是北京2022年冬奥会速度滑冰比赛场馆，因为其外观设计如丝带飞舞又被称为“冰丝带”，是北京冬奥会标志性场馆。

国家速滑馆以“冰”和“速度”为设计象征，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。在外观设计上，22根“冰丝带”环绕的曲面幕墙系统，展现了速度滑冰运动的速度与激情；场馆内部198米长，124米宽的世界最大跨度正交双向单层马鞍形屋顶索网，全部使用国产高钒密闭索；国家速滑馆钢结构工程荣获第十三届“中国钢结构金奖”，并荣获“中国钢结构金奖年度杰出工程大奖”……在所有科技创新中，国家速滑馆在全球首个采用二氧化碳跨临界直接蒸发制冷制冰系统最令人称道，它不仅为冬奥赛场“最快的冰”提供了有力支持，同时也为赛后适应多种需求的群众性健身提供了硬件支撑。

据国家速滑馆体育工艺制冰工程专项设计负责人马进介绍，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。其目的就是充分考虑赛后利用，冰面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、分标准进行制冰。可同时接待超过2000人进行冰球、速度滑冰、花样滑冰、冰壶等所有类型冰上运动。

为了实现这个目标，以二氧化碳为制冷媒介发挥了巨大功能，这是目前在确保场馆绝对安全的前提下最环保、最高效、最先进的制冰制冷技术，不仅能够为冬奥会比赛提供温度高度均衡的冰面，而且相比传统技术能效提升20%以上。通过场馆的智能能源管理系统，还能够把制冷产生的70摄氏度废热直接用于除湿、冰面维护、场馆生活热水等，而传统制冰方式产生的废热温度在40摄氏度左右，为了达到修冰所需的70摄氏度热水，还需要再次加热。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。

为了解决二氧化碳在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，使得这套制冷系统在夏天也能正常工作，从而实现“冰丝带”的全季运营。这也是使用二氧化碳制冰中解决的最大难点。

在冰丝带冰面以下，是如“千层糕”一样的层层铺设，最下面是加热层，以防止底部土壤因长期结冰而膨胀凸起，影响整个冰面。其上依次为保暖层、钢架支撑、混凝土层、最上面是冰面层，制冷管道就盘踞在混凝土层中。马进说，整个冰场中的不锈钢制冷管加起来总长度达到120公里，制冷管之间的焊接非常关键，因为埋在混凝土中，一旦出现缝隙，维修起来必然大费周章，因此不容有失。而9个区域的冰面划分则高度体现了科技的神奇，由于各个项目对冰面温度、硬度要求不同，因此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的分布来实现了。

水冰转换 水立方游泳池里“玩冰壶”

在国家游泳中心举办冰壶比赛，是奥运历史上首次在夏奥水上项目场馆举办冰上项目比赛。为了在满足冬奥赛事场地要求的基础上，继续保有场馆奥运遗产属性和水上项目功能，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。

据介绍，这个方案起初并不被世界冰壶联合会支持，由于冰壶场地对冰面稳定性的要求非常高，他们更倾向于把泳池填平的方案。国家游泳中心总经理杨奇勇介绍，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、声学等多方面进行了定向科研攻关，并通过将近一年时间的改造，最终确立了“在泳池内架设可拆卸钢结构，再铺设混凝土预制板，之后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，打造出了符合冬奥会冰壶赛事举办标准的转换基础、制冰系统、除湿系统、空调系统、体育照明系统和控制系统。“我们通过对比测试，在6种材料组合里选择哪一种是最强、最稳定的，最后确定使用轻型钢结构和大块混凝土。”杨奇勇介绍说。2019年底，国家游泳中心在北京冬奥场馆中率先制出了“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了全冰面测试，得到了世界冰壶联合会的肯定。

冰壶项目的制冰工艺极为精细，对冰面的品质要求十分严苛。为满足项目要求，国家游泳中心在场馆改造中研究建立起覆盖全建筑空间、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”，能够并行处理至少30个场馆管理任务。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、演出、展览、参观等各类活动提供功能、环境保障。

要想做好冰，还要摸透冰的脾气。为彻底解决冰场的裂缝问题，科研团队采用现代力学的热-力耦合机理，微观到冰的分子结构，宏观到冰场与人、环境的相互作用，再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，最终制作出“乖巧听话的冰”。

“冰坝”技术 五棵松冰场规格“随时换”

成功承担了北京冬奥会篮球比赛任务的五棵松体育馆在北京冬奥会时将作为冰球比赛场馆。五棵松体育馆在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，并多次实现“冰篮转换”，两种场地模式可以在6小时内完成转换。

五棵松体育馆的冰面设计为国际冰球比赛标准的30×60米，而国际冰联为了增加比赛的激烈程度和观赏性，决定从北京冬奥会开始，将往届冬奥会使用的30×60米的场地改为26×60米。

冰面大改小，在科技高度发达的今天并非难事。而五棵松体育馆冰面改造则提出了更高的要求。冰球比赛场地最大规格长61米，宽30米；最小规格长26米，宽15米；四角圆弧的半径为7至8.5米。冬奥会时将采用长60米、宽26米冰面，冰球场地四周围以高1.15米至1.22米的牢固界墙。冰球项目对冰面温度的要求为零下5摄氏度左右。花样滑冰场地最大规格长60米，宽30米；最小规格长52米，宽26米，四角弧形，冰面厚度为3厘米至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，长60米、宽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。短道速滑项目对冰面温度的要求在三个项目中最低，为零下6至零下7摄氏度，硬一点的冰面能够给长刃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。

“反季节”移植 延庆赛区践行“生态冬奥”

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。

延庆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、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，在施工中对植物坚持“避让”为第一原则，就地保护。经统计，从赛区共计近地移植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表示，在植物迁移过程中，最大的困难在于由于施工时间的要求，植物移植移栽基本上都在夏季，而对于植物来说，最好的移植移栽季节是春季和秋季。为了攻克这个难关，北京林业大学和清华大学的专家团队研究出了植物夏季移植移栽技术，即通过“固根打头”的方式，降低植物的生长活性后再进行迁移。庞月龙说，“近期经过验收，植物移植移栽成活率超过90%，远远超过50%成活率的及格线。”

钢木结构 国家雪车雪橇中心“不怕晒”

北京冬奥会小海坨山南麓的赛区选定，意味着建设在这里的国家雪车雪橇中心将成为全球唯一建在山体南坡的赛道。为了解决阳光照射使赛道冰面升高的问题，国家雪车雪橇中心也成为全球唯一全遮阳棚遮挡的赛道。

北京北控京奥建设有限公司副总经理李长洲解释说：“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。所以，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’（TWPS）进行遮光处理。加上遮阳帘，形成赛道的小气候，满足赛时需求。”国家雪车雪橇中心赛道遮阳棚结合赛道形状、自然地形和“人工地形”，实现了传统木结构与现代钢结构的完美结合，有效保护了赛道冰面免于受到各种气候因素影响，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。

遮阳棚面积总共将近2.3万平方米，主体结构为钢木组合结构，配以铝单板吊顶、木瓦屋面、防翻滚装置及遮阳帘，遮阳棚体系由251榀（房屋支撑结构的量词）三角木梁支撑。由于地形原因及赛道特点，每榀木梁都不一样，需要根据高度、曲线等一一设计。

国家雪车雪橇中心赛道总长为1.9公里，为了更快更好地制冰，分为3个制冰单元，可同时制冰。经过测试，全长1.9公里长的赛道制冰修冰工作可在10天内全部完成。

雨雪水回收 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，据介绍，国家高山滑雪中心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，把造雪用水送往海拔1050米的塘坝和海拔1290米的蓄水池进行蓄存，再通过三级泵站将造雪用水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、雨水等水资源进行回收利用。

在国家雪车雪橇中心整个场地室外雨水的控制和利用中，也合理利用了山地自然地势在低洼处或天然水体中进行调蓄、入渗，同时通过透水铺装、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，使工程施工量减少了15%以上。在雨雪水回收以及雪季结束后融化的雪水回收贮存以供来年雪季造雪使用方面，云顶滑雪乐园将原有总计18万立方米的3座蓄水池正在提升改造，加上新建的一座10万立方米的地下蓄水池，蓄水总容量将达到28万立方米，可以保障2022冬奥会及2021世锦赛赛道造雪用水的需求。

图片来源：中国体育图片