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制造“最快的冰”,国家速滑馆如何助力北京冬奥?
发布日期:2022-06-18 08:01    点击次数:197

出品|网易文创

导语:国家速滑馆又被称为“冰丝带”,是北京2022冬奥会新建标志性场馆。冰丝带建筑面积约8万平方米,能容纳约1.2万名观众。冬奥会期间,国家速滑馆将承办速度滑冰比赛,14块金牌将在此诞生。冬奥后,该馆将向公众开放,成为能够举办短道速滑、花滑、冰球、冰壶等冰上赛事及大众冰上活动的多功能场馆。

国家速滑馆

智慧与环保:飘逸的“冰丝带”

国家速滑馆是北京2022年冬奥会的标志性建筑,其场馆施工从2018年1月持续到2020年12月,拥有亚洲最大的全冰面设计,冰面面积达到了1.2万平方米。在冬奥会期间,国家速滑馆将承担速度滑冰项目的比赛和训练。冬奥会后,该馆将成为能够举办滑冰、冰球等国际赛事及大众进行冰上活动的多功能场馆。

国家速滑馆因其造型设计又被称为“冰丝带”,其设计理念来自一个冰和速度结合的创意,22条丝带就像运动员滑过的痕迹,象征速度和激情。在自然界中,冰的感觉透明、寒冷而且坚硬,但是在特定的气候条件下,冰会由缝隙的毛细作用而呈现丝带一样的形态。建筑设计具有刚柔并济的力量:水成为立方,冰也可以成为丝带。冰和速度结合,立面的设计概念称为“冰丝带”,呈现动感、轻盈、透明的建筑效果。

国家速滑馆夜景 图源:https://www.sohu.com/a/473387246_121106884

冰丝带从最初的设计概念就一直遵循可持续发展和环保策略,这包括了三个不同方面的目标。一是建立集约的冰场空间以控制建筑体积,实现节能运行。二是采用高性能的钢索结构、轻质屋面、幕墙体系等以节约用材。三是使用可再生能源,降低温室气体排放等。

这些目标由数字几何建构、超大跨度索网找形与模拟、自由曲面幕墙拟合、金属单元柔性屋面等创新技术支持,实现动感轻盈的建筑效果、轻质高效的结构体系和绿色节能技术的统一,建立面向可持续的冰上场馆技术与设计体系。从数字模型开始,三维信息便持续贯穿于设计计算、工艺构造、模拟实验、生产制造、现场安装、健康监测和运行维护等全过程。

南北跨度约200米,钢结构体系强力支撑

结构体系是一座建筑的命脉,是整个项目功能呈现和依托的基础。

国家速滑馆主场馆地上部分建筑高度为17~ 32m,平面尺寸为178m × 240m。地下室、看台及支承屋顶部分为混凝土结构,屋顶和周边幕墙为钢结构。钢结构部分由马鞍形索网、环桁架、斜拉索及幕墙网壳组成。

钢结构模型分解图(左)与典型剖面图(右)

屋面采用双曲面马鞍形单层索网结构,由98根东西向排列的承重索和60根南北向排列的稳定索组成,南北长跨约200米,东西短跨约130米,是目前世界上规模最大的单层双向正交马鞍形索网屋面体育馆。屋面索网总质量为581t,在承载力不变的情况下,索网整体用钢量只相当于传统钢屋面的1 /4,大大节约了钢材,不仅节省空间,而且降低了能耗。

这张索网就像是有一个巨大的羽毛球拍‘绷’在了场馆的上方,由于索网屋面的空间形态非常复杂,张拉以后每一个“方格”空间形态都不一样,因此填充的每一块单元体尺寸也不同,都需要通过实测得到数据后再进行加工定制。

在场馆内部,这张巨大的“天幕”已经被数条无缝衔接的白色镜面吸声膜覆盖起来。这层膜也是特殊材料制成的,能起到节能降耗和吸声反射的作用。另外,它把屋顶的管线机电等遮挡封闭起来,也使得速滑馆更美观。

国家速滑馆巨大的索网屋面已被白色镜面吸声膜覆盖

设计师在进行钢结构体系设计时,也建立了国家速滑馆屋顶复杂索网结构的形态分析原则,能够考虑弹性边界和幕墙索的影响,实现屋顶索网初始态和零状态与建筑几何一致,并使环桁架水平变形小、构件内力均匀。

施工张拉过程中,环桁架支座先滑动再固定的安装工序,可以减小环桁架传递给混凝土柱顶水平力和下部构件尺寸。

通过采用“先分再合、先主要再全面、线性和非线性结合”的方式,进行结构分析和设计,可以全面考虑复杂结构关系和多耦合因素,游戏中心提高结构的安全性、经济性,并节约设计周期。

制造最快的冰,排放最少的碳

在冰丝带采用的所有技术中,制冰技术绝对是首屈一指的存在。它采用了二氧化碳跨临界直冷制冰系统,是全球首个采用二氧化碳跨临界直接蒸发制冷的冬奥速滑场馆。

经理论分析,采用二氧化碳制冷,有把握实现冰表面温差不超过0.5℃。温差越小,冰面的硬度就越均匀,冰面便越平整,越有利于出成绩,在以0.001秒计时的高水平竞技中,这都是关键性的因素。据了解,目前速度滑冰所有的世界纪录都是在加拿大卡尔加里和美国盐湖城的高原冰场上创造的,“冰丝带”的冰面打造者们希望2022年各国运动员能在“冰丝带”里创造新的世界纪录。

二氧化碳现场制冰技术原理

为打造“最快的冰”,国家速滑馆冰板层施工精益求精,用时60多天完成制冰钢管8574道焊口焊接,制出的混凝土冰板层水平高差在4毫米左右,非常平整。而且这样制冷,相较传统方式不仅效能提升20%以上,而且制冷非常均匀,不会出现各个部位温度不一样、冰面硬度不均匀的情况。制冷产生的余热将用于运动员生活热水、融冰池融冰、冰面维护浇冰等,一年可节省约200万度电。

这种制冰技术使得国家速滑馆的碳排放量接近于零,还配有一套场馆智能化能源管理系统,能把制冰产生的废热用于除湿、冰面维护、场馆生活热水等,全冰面模式下每年仅制冷部分就能节省200多万千瓦时的电;整个系统的碳减排量,相当于近3900辆汽车产生的二氧化碳年排放量,或种植超过120万棵树实现的碳减排量。

目前,场馆制冰系统集成设计和冰板结构设计两个关键设计方案已获得专利保护。

动态高精度施工,保障精准“下料”

预应力结构的施工过程与索网成形形态及最终受力状态直接相关,因此结构设计时,必须考虑施工过程对结构的影响。

施工中的围护结构精密定位安装

冰丝带支承钢结构的混凝土框架柱受到建筑使用功能限制,柱截面尺寸不能太大。施工过程释放环桁架支座的水平约束、支座设置为滑动状态,利用环桁架自平衡消化索网张拉及一部分恒荷载产生的水平力,以减小环桁架传递给混凝土柱顶水平力。综合考虑混凝土框架柱的水平承载力和钢结构的经济性,施工中通过控制支座在整个施工过程中的滑动、锁定状态,来调整环桁架与混凝土结构分担的水平力,使环桁架和混凝土结构可以同时发挥最大作用。

为了确保冰板制冰效果均匀,施工中为严格控制管道的位置、标高以及混凝土的表面平整度。他们引入第三方检测团队,进行管道三维激光扫描及混凝土平整度惯导检测,为项目施工提供了极大的校准考核和保证。最终,17厘米的完整混凝土地面,水平高差控制在4毫米左右。

国家速滑馆巨大的索网屋面已被白色镜面吸声膜覆盖

国家速滑馆整体采用国产高钒密闭索,也是首次在大型公共建筑中全部采用国产高钒封闭索。高钒封闭索具有高耐腐蚀性、防火性、防扭退性、摩擦系数大的特点。索网随着拉力变化会发生改变,当拉力超过一定界限索体会发生崩裂。为了在保障索网安全的情况下精准计算索网长度,实现精准加工,该项目通过计算机仿真模拟方法采用按索体最小破断载荷的55% 的张力进行预张拉,拉伸2次,每次持荷张拉60min,实现了预应力状态下拉索的精确下料。

结语:

国家速滑馆的诞生和运行是对冰雪运动和滑雪行业的有力促进,为世界贡献了由中国设计、中国技术、中国材料、中国制造组成的奥运场馆建设“中国方案”,特别是近1.2万平方米的世界最大采用二氧化碳制冰的速度滑冰场馆,在绿色、环保、可持续方面为奥运会树立了新标杆。

按照规划,国家速滑馆在奥运会结束后会建成以冰雪运动为核心,促进全民健身、体育消费的城市文体综合体。在不久的将来,这里将成为中国冰雪运动的新地标。



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