冬奧場(chǎng)館凝聚中國(guó)科技力量

　　從“冰絲帶”到“水立方”，從場(chǎng)館結(jié)構(gòu)到制冰方案，從滿足賽事需要到賽后循環(huán)利用……2022北京冬奧場(chǎng)館建設(shè)處處體現(xiàn)出科技奧運(yùn)、綠色奧運(yùn)的理念，也凝聚著中國(guó)科技力量。

　　“冰絲帶”建成超大跨度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)

　　國(guó)家速滑館“冰絲帶”由22條晶瑩的絲帶造型曲面玻璃幕墻環(huán)繞，遠(yuǎn)觀飄逸，近看宏偉。“冰絲帶”的屋蓋結(jié)構(gòu)是超大跨度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，跨度大、面積大、空間大，其建設(shè)施工與運(yùn)維保障背后，中國(guó)團(tuán)隊(duì)貢獻(xiàn)了重要的科技力量。

　　“所謂的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單地說，就是一張由鋼索編織而成的大網(wǎng)。這樣一張大網(wǎng)‘扣’在了國(guó)家速滑館的上方，形成一個(gè)馬鞍形雙曲面屋頂?！闭憬髮W(xué)建筑工程學(xué)院教授羅堯治介紹，“冰絲帶”屋蓋結(jié)構(gòu)由49對(duì)承重索和30對(duì)穩(wěn)定索編織而成，長(zhǎng)跨198米、短跨124米，“冰絲帶”也是目前世界上跨度最大的單層雙向正交馬鞍形索網(wǎng)屋面體育館。

　　由于一根索網(wǎng)就有幾噸重，只有通過合理的張拉，才能織成一張網(wǎng)。在索網(wǎng)的施工過程中，采取了“先地面拼裝、再整體提升”的工序，由于場(chǎng)地空間限制，鋪在地面等待張拉的鋼索需要微微拱起。倘若沒有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，誰也不能輕易下令彎折動(dòng)輒幾噸的鋼索。

　　“國(guó)家速滑館屋蓋跨度大、鋼索多、內(nèi)力協(xié)調(diào)復(fù)雜，這要求結(jié)構(gòu)必須實(shí)現(xiàn)高精度的建造?！闭憬髮W(xué)建筑工程學(xué)院教授鄧華介紹，團(tuán)隊(duì)在浙大打造了一個(gè)縮小版的“冰絲帶”模型，模擬索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的建造全過程，并驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)性能。

　　浙大團(tuán)隊(duì)基于大量的數(shù)值仿真結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，在索網(wǎng)的整體提升、張拉控制、施工驗(yàn)收和預(yù)張力監(jiān)測(cè)等方面提出了系統(tǒng)性的方案和建議，為“冰絲帶”大跨度索網(wǎng)屋蓋結(jié)構(gòu)的高精度建造提供了有力的技術(shù)支撐。

　　此外，團(tuán)隊(duì)還通過沙袋等，在張拉好的索網(wǎng)施加荷載?！拔覀?cè)谀Ｐ蜕系鯍觳煌暮奢d來模擬風(fēng)吹雪打的環(huán)境，驗(yàn)證屋頂?shù)膹?qiáng)度和抗形變能力。”鄧華說。

　　為了更好摸清鋼索狀態(tài)，保障施工質(zhì)量與安全，羅堯治團(tuán)隊(duì)在施工環(huán)節(jié)就安裝上浙大自主開發(fā)的無線傳感器，用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和力學(xué)分析，不僅在建設(shè)時(shí)發(fā)揮作用，在建成后，也依舊為“冰絲帶”測(cè)量著“脈搏”與“心跳”。

　　“拿到數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，是我們開展監(jiān)測(cè)分析的全過程?！闭憬髮W(xué)羅堯治團(tuán)隊(duì)成員、建筑工程學(xué)院教授許賢說，團(tuán)隊(duì)對(duì)速滑館的應(yīng)力、位移、加速度、溫度、風(fēng)壓、索力六大類參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)試點(diǎn)數(shù)多達(dá)千余個(gè)。

　　相較于傳統(tǒng)的剛性屋面結(jié)構(gòu)體系，柔性的索網(wǎng)屋面在滿足結(jié)構(gòu)功能的前提下大大減少了結(jié)構(gòu)的用鋼量，這樣精巧的空間設(shè)計(jì)為節(jié)能環(huán)保提供了保障。

　　“現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)技術(shù)水平是一個(gè)國(guó)家建筑科技水平的重要標(biāo)志。人們不斷追求更大的建筑空間，也促使我們不斷研究創(chuàng)新，來滿足工程建設(shè)的重大需求。”浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院董石麟院士說。

　　“冰立方”“水立方”雙輪驅(qū)動(dòng)

　　2022年冬奧會(huì)期間，國(guó)家游泳中心“水立方”將變身“冰立方”，在泳池上搭建可拆裝的冰壺賽道，承接冰壺比賽項(xiàng)目。

　　冰壺運(yùn)動(dòng)對(duì)冰面質(zhì)量、場(chǎng)地環(huán)境及賽場(chǎng)保障有嚴(yán)苛的要求。國(guó)家游泳中心聯(lián)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)等組建科研團(tuán)隊(duì)，按照“水冰轉(zhuǎn)換，雙輪驅(qū)動(dòng)”的策略，開展了結(jié)構(gòu)、溫度、濕度、照明、聲學(xué)等方面的攻關(guān)和改造，實(shí)現(xiàn)了“冰場(chǎng)-泳池”復(fù)合型“雙奧場(chǎng)館”。

　　“最快可以10至20天完成裝配式冰場(chǎng)結(jié)構(gòu)的安裝?！?015年以來，經(jīng)過6年多的科研攻關(guān)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院教授張文元團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出了冰水轉(zhuǎn)換賽場(chǎng)的結(jié)構(gòu)方案、設(shè)計(jì)詳圖、性能指標(biāo)和評(píng)價(jià)體系。

　　張文元介紹，“水立方”變身“冰立方”分為“三步走”：首先是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案，實(shí)現(xiàn)在游泳池里“蓋房子”；其次，將設(shè)計(jì)好的鋼架構(gòu)快速搭建起來，避免對(duì)泳池的損傷；最后，再將冰面快速精細(xì)調(diào)平。

　　“冰壺是比較‘嬌氣’的運(yùn)動(dòng)，任何微小的振動(dòng)都會(huì)影響冰壺的運(yùn)行軌跡。”為了保障新結(jié)構(gòu)在比賽中的可靠性，哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院副教授丁勇帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)安全健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用全面感知、智慧控制等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)冰面影響因素的全過程監(jiān)控。

　　這個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)觀測(cè)冰面結(jié)構(gòu)的加速度、位移、應(yīng)變、傾角等詳細(xì)情況，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳導(dǎo)到計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，方便第一時(shí)間掌握變化情況。

　　目前，“冰立方”結(jié)構(gòu)自振頻率不低于20赫茲，經(jīng)過試驗(yàn)不會(huì)影響冰壺的運(yùn)動(dòng)，已在2019年全國(guó)青少年冰壺公開賽等多項(xiàng)賽事中成功應(yīng)用。

　　張文元說，依托國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”專項(xiàng)課題，團(tuán)隊(duì)已獲得國(guó)家發(fā)明和實(shí)用新型專利14項(xiàng)，發(fā)表相關(guān)論文10余篇。

　　冰在陽光照射下容易融化，因此“水立方”半透明式的房頂，需要拉上一層可移動(dòng)的窗簾。哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院教授陸詩亮說，為了找到合適的材料，團(tuán)隊(duì)反復(fù)模擬、實(shí)地試驗(yàn)，最終選擇一種厚約0.26毫米的膜材材料，能夠有效將游泳館的高溫高濕環(huán)境變成冰壺場(chǎng)的低溫低濕環(huán)境，并降低熱輻射對(duì)制冰系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的負(fù)荷。

　　值得一提的是，這層膜并非一張平整的大網(wǎng)，而是由幾百塊“小窗戶”組成的。“‘水立方’的外觀是水泡形結(jié)構(gòu)的，設(shè)計(jì)時(shí)就臨摹出每個(gè)水泡，給每塊水泡的膜裝上小邊框，再完好地覆蓋在上面，既美觀，又精準(zhǔn)?！标懺娏琳f。

　　未來，國(guó)家游泳中心既可以舉辦國(guó)際級(jí)別的游泳賽事，也能夠舉辦大型冰上賽事，還可以舉辦多種大眾冰水娛樂活動(dòng)，真正實(shí)現(xiàn)了“水立方”“冰立方”雙輪驅(qū)動(dòng)。

　　制冰方案更環(huán)保

　　經(jīng)過一系列測(cè)試活動(dòng)、測(cè)試賽，北京2022年冬奧會(huì)冰上場(chǎng)館的優(yōu)質(zhì)冰面受到國(guó)內(nèi)外各項(xiàng)目選手們的好評(píng)。此外，北京冬奧會(huì)的7座冰上場(chǎng)館的冰面，還具有環(huán)保、環(huán)境可持續(xù)性的特點(diǎn)，制冰方案從設(shè)計(jì)到執(zhí)行，“綠色辦奧”的理念貫穿始終。

　　據(jù)了解，北京2022年冬奧會(huì)新建、改建了7座冰上場(chǎng)館、共9塊冰面，均使用了環(huán)保型制冷系統(tǒng)和制冷劑，其中5塊冰面使用了二氧化碳（R744）跨臨界直接制冷系統(tǒng)，4塊冰面使用了R449A制冷劑。

　　在冰上場(chǎng)館制冰方案的設(shè)計(jì)之初，原計(jì)劃采用R507制冷劑，該制冷劑在當(dāng)前全球范圍內(nèi)普遍使用，符合《蒙特利爾議定書》對(duì)發(fā)展中國(guó)家的要求，但其GWP值（全球變暖潛能值）為3985，相對(duì)較高。

　　為使北京冬奧會(huì)的場(chǎng)館更具有環(huán)保、可持續(xù)性，在國(guó)際奧委會(huì)和國(guó)際專家的支持下，北京冬奧會(huì)積極研究制冷劑的國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)和當(dāng)前實(shí)用技術(shù)，與國(guó)內(nèi)外制冷行業(yè)知名專家多次會(huì)商討論，確認(rèn)了兩種制冷系統(tǒng)可以選擇：一是二氧化碳跨臨界直接制冷系統(tǒng)，適合常年制冰的場(chǎng)館，如國(guó)家速滑館等；二是傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)，適合不需要常年制冰的場(chǎng)館，如水立方、國(guó)家體育館等。

　　北京大學(xué)教授、國(guó)際天然工質(zhì)研究領(lǐng)域知名專家張信榮認(rèn)為，二氧化碳跨臨界直接制冷系統(tǒng)具有安全性高、能耗和運(yùn)行成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，且全部熱量可回收利用，是冰上場(chǎng)館能源系統(tǒng)中最有前景的工質(zhì)之一，可使場(chǎng)館能源系統(tǒng)冷熱一體化高效運(yùn)行，在全球范圍內(nèi)都具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　國(guó)家速滑館制冰技術(shù)方案有十多位院士、國(guó)內(nèi)行業(yè)協(xié)會(huì)頂尖專家、建設(shè)代表進(jìn)行反復(fù)論證，在與北京冬奧組委、國(guó)際奧委會(huì)制冰專家的討論中，二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)被提出。

　　“國(guó)際單項(xiàng)體育組織專家曾說，國(guó)家速滑館使用國(guó)際慣用的環(huán)保制冰技術(shù)就能達(dá)到冬奧比賽標(biāo)準(zhǔn)。但經(jīng)過18個(gè)月摸索，中方團(tuán)隊(duì)把歷屆冬奧會(huì)速滑館制冷系統(tǒng)資料翻了個(gè)遍，對(duì)世界所有制冷劑優(yōu)劣特點(diǎn)逐一分析，最終拿出了更先進(jìn)的制冰技術(shù)。”參與國(guó)家速滑館建設(shè)的工程師宋家峰說。

　　在創(chuàng)新的背后，環(huán)?？剂渴亲钪匾囊蛩亍?jù)宋家峰介紹，北京冬奧會(huì)之前，在全世界范圍內(nèi)，從未在大型冰上場(chǎng)館中使用過二氧化碳跨臨界直接制冷系統(tǒng)。二氧化碳制冷劑ODP（破壞臭氧層潛能值）為0，GWP（全球變暖潛能值）僅為1，使用相同數(shù)量的傳統(tǒng)制冷劑的碳排放量，是二氧化碳制冷劑的3985倍。二氧化碳制冷產(chǎn)生的余熱回收后，可以提供70攝氏度熱水用于生活熱水和除濕再生等用途。相比傳統(tǒng)制冷方式，國(guó)家速滑館采用二氧化碳制冰能效提升30%、一年可節(jié)省約200萬度電。

　　在傳統(tǒng)制冷劑選擇方面，當(dāng)前國(guó)際相關(guān)組織，如美國(guó)空調(diào)制冷學(xué)會(huì)（AHRI），確定了現(xiàn)階段全球范圍內(nèi)普遍使用的R507所對(duì)應(yīng)的替代制冷劑可為R449A，R449A的GWP值為1282，較R507降低了68%。

　　北京國(guó)家游泳中心、國(guó)家體育館和五棵松體育中心均為2008年夏季奧運(yùn)會(huì)的主場(chǎng)館，并將在北京冬奧會(huì)承辦冰壺和冰球比賽。為響應(yīng)“綠色、共享、開放、廉潔”的理念，三場(chǎng)館在對(duì)設(shè)備供應(yīng)商、設(shè)計(jì)工程師和服務(wù)提供商進(jìn)行調(diào)研后，選擇了R449A制冷劑。

　　制冷行業(yè)內(nèi)專家說：“采用R449A制冷劑，是在不影響系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性的前提下，采取積極措施向環(huán)境可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)邁進(jìn)的例證?！保ㄓ浾?朱涵 楊思琪 趙建通）

　　國(guó)際奧委會(huì)一直十分支持北京冬奧會(huì)場(chǎng)館建設(shè)的環(huán)保選擇，相關(guān)官員表示，北京冬奧會(huì)冰上場(chǎng)館采用了節(jié)能型制冷系統(tǒng)、環(huán)保型制冷劑，積極推動(dòng)了國(guó)際奧委會(huì)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。其中二氧化碳制冷系統(tǒng)的使用，率先為世界做出了環(huán)保和可持續(xù)的示范，R449A制冷劑的選擇，將使得北京冬奧會(huì)成為冬奧會(huì)歷史上冰上場(chǎng)館制冷劑GWP值最低的一屆冬奧會(huì)。

　　轉(zhuǎn)自：經(jīng)濟(jì)參考報(bào)

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