國家游泳中心“水立方”到“冰立方”華麗變身及遇到困難應對措施

2022冬奧場館專題

北京將是世界上首個夏季奧運會和冬季奧運會都舉辦過的“雙奧之城”。2022年冬奧會場館建設的一大特點，就是最大程度上使用了2008年夏季奧運會的遺產。那些大家耳熟能詳的老場館、老地方進行了全新的設計、改造、提升，同時還出現了一批能夠兼顧夏季運動和冬季運動的場館界的“變形金剛”。這些凝結著建設者們汗水和智慧的場館，體現了我國傳統精益求精的匠人精神，彰顯著我國舉辦一場體育盛會的決心！我們將逐一為您揭開神秘面紗。

國家游泳中心“冰立方”

工程概況

國家游泳中心，又名“水立方”、“冰立方”，位于北京市朝陽區北京奧林匹克公園B區西側，和國家體育場“鳥巢”遙相呼應。國家游泳中心始建于2003年12月24日，占地面積6.2公頃，建設規模約8萬m2，主體建筑緊鄰城市中軸線。國家游泳中心是北京市地標建筑、2008年北京奧運會標志性建筑物之一、2022年北京冬奧會北京賽區競賽場館之一。2003年7月28日，國家游泳中心建筑設計方案正式確定。2008年1月28日，國家游泳中心正式竣工。2018年12月26日，國家游泳中心正式開始改造，啟動向“冰立方”的華麗轉身。2020年7月，完成場館永久設施改造任務，滿足舉辦冬奧會測試賽的需求。

雙奧場館”國家游泳中心通過“水冰轉換”制出4條冬奧標準的冰壺賽道，它將成為冬奧會歷史上最大體量的冰壺場館、世界上唯一一個水上運動項目和冰上運動項目可自由轉換的大型比賽場館。北京冬奧會的男子冰壺、女子冰壺、混合雙人冰壺比賽將在改造后的國家游泳中心進行。

國家游泳中心外景市重大項目辦

“冰立方”的造型寓意

國家游泳中心外觀如同一個冰晶狀的立方體，造型簡潔現代，這個看似簡單的“方盒子”是中國傳統文化和現代科技共同“搭建”而成的。中國人認為，沒有規矩不成方圓，按照制定出來的規矩做事，就可以獲得整體的和諧統一。在中國傳統文化中，“天圓地方”的設計思想催生了“水立方”，它與圓形的“鳥巢”——國家體育場相互呼應，相得益彰。方形是中國古代城市建筑最基本的形態，它體現的是中國文化中以綱常倫理為代表的社會生活規則。而這個“水立方”又能夠最佳體現國家游泳中心的多功能要求，從而實現了傳統文化與建筑功能的完善結合。

“冰立方”夜景

“冰立方”的絢麗外衣

在中國文化里，水是一種重要的自然元素，設計者將水的概念深化，不僅利用水的裝飾作用，還利用其獨特的微觀結構，基于“泡沫”理論的設計靈感，他們為國家游泳中心包裹上了一層建筑外皮，上面布滿了酷似水分子結構的幾何形狀，表面覆蓋的3000多個ETFE膜又賦予了建筑冰晶狀的外貌，使其具有獨特的視覺效果和感受，輪廓和外觀變得柔和，水的神韻在建筑中得到了完美的體現。ETFE膜是一種透明膜，能為場館內帶來更多的自然光。它是根據細胞排列形式和肥皂泡天然結構設計而成的，這種形態創意十分奇特。同時，ETFE膜具有高抗污，易清洗的特點，通常雨水即可清除主要污垢。作為大型比賽場館的建筑材料用ETFE膜，更大的優勢還在于它們可以加工成任何尺寸和形狀，滿足大跨度的需求，節省了中間支承結構。作為一種充氣后使用的材料，它可以通過控制充氣量的多少，對遮光度和透光性進行調節，節省能源的同時起到保溫隔熱作用。

國家游泳中心的墻面和屋頂都分內外三層，設計人員利用三維坐標設計了3萬多個鋼質構件，多個位置不同的鋼質構件組成了堅圓的空間鋼架結構。這些技術都是我國自主創新的科技成果，填補了世界建筑史的空白。

“冰立方”的骨骼脈絡

國家游泳中心改造面積約50000㎡，長177m、寬177m、高31m，建筑總面積8萬m2（賽時），10萬m2（賽后）。場館內部是一個六層樓建筑，平面呈正方形。賽時座位17000座，賽后永久座位6000座。國家游泳中心是典型的外柔內剛，外部只看到充氣薄膜，好像弱不禁風，而支撐這些薄膜的是堅實的鋼結構，里面觀眾看臺和室內建筑物為鋼筋混凝土結構。國家游泳中心的墻壁和天花板由1.2萬個承重節點連接起來的網狀鋼管組成，這些節點均勻地分擔著建筑物的重量，使其堅固得足以經受住北京最強的地震。其地下部分是鋼筋混凝土結構，在澆筑混凝土的時候，在每根鋼柱的位置都設置了預埋件(上部為鋼塊)，鋼結構的鋼柱與這些預埋件牢固的焊接在一起，就這樣，地上部分的鋼結構與地下部分的鋼筋混凝土結構形成一個牢固的整體。正是靠著優越的結構形式和良好的整體性，“水立方”才擁有了“過硬的身體”，達到了抗震8級烈度的標準。

“冰立方”的變身歷程

從“水”到“冰”，看起來就是加上“兩點”這樣簡單。但現實卻恰恰相反，冰壺場地是公認的對冰面質量要求極高的運動項目。除了對冰面光滑度和平整度的要求，對整體環境中溫濕度、照明、聲音傳播、空氣流動等都具有很高的要求。“水冰轉換”實際上是一項大工程。首先，要對游泳池進行“填坑”，泳池里的水抽干以后，設計團隊要根據坑底平面的荷載能力去搭建可轉換架體，設計師們在試了木頭、鋼筋等多種材料以后，選擇了目前鋼結構加輕質混凝土預制板結構體系。

但是如何保證冰面在穩定牢固的同時，還能達到冬奧會比賽要求？秘密就藏在支撐冰面的可轉換鋼結構中。它由2600根3米高、2米長的薄壁H型鋼搭建而成，每根梁柱裝有柱腳，每個連接點裝有可拆卸高強螺釘，確保鋼架堅固結實。架體搭設完畢后，施工團隊進行了荷載試驗，最終試驗結果顯示，每平方米增加1噸的荷載，鋼結構的最大變形僅有1.6毫米，符合3毫米以內的設計要求。有了骨架還不夠，冰不能直接“長”在骨頭上，所以制冰基礎層施工也十分重要。其具體步驟是先在混凝土預制板面上鋪一層PE膜，然后再鋪兩層擠塑保溫板，保溫板之上再鋪一層PE膜和抗滑移層，最上面一層才是制冰管架。2019年底，“水立方”第一次完成游泳池與冰場的轉換，耗時近60天；2020年12月，完成第二次轉換結構的搭建，耗時20天；2021年10月1~14日，完成冰面制作，僅耗時13天。如此高效的轉化速度的原理是：首先把泳池里的水抽干，然后在泳池內搭設可轉換架體。在下一個制冰環節，現在的賽場旁邊有兩組制冷管道，一進一回形成回路，就像人體的動脈和靜脈，制冰基礎層上密密麻麻有序鋪裝的制冰排管相當于毛細血管一樣與動脈靜脈相連。而室外制冷機組就是“心臟”，打開制冰機組使其運行，將載冷劑通過管道循環輸送至制冰場，保證賽場制冰順利進行。

“冰立方”變身中遇到的困難

一、轉換系統質量要求極高

冰壺運動是需要高度技巧的項目，冰場開裂、高低差、不平整、空氣結露、冰面結露等均會對運動員發揮造成影響。轉換結構體系超高精度質量控制要求，國內無相關工程借鑒經驗，設計計算、安拆施工、運輸維護要求高。

二、室內環境綜合性能提升改造要求高

改造后的“冰立方”可容納觀眾約4600人，游泳池上搭建冰壺基地，在奧運會歷史上尚屬首例。水立方為膜結構工程，場館內部環境濕熱，空氣質量、節能、照明、聲控等均為“冰水”轉換帶來難題。

三、不停業改擴建施工情況復雜

與傳統施工不同，此次“水立方”改擴建過程采用“不停業”模式展開，賽時臨時設施盡量采用裝配式部品部件，避免施工場地與公眾使用空間相互干擾。采用“智慧”手段，減少勞動力、資金、物料的損耗，解決交叉領域的技術障礙，也是本工程一大難題。

四、全過程考慮可持續運維要求

本次改造要全過程兼顧“雙奧”場館可持續運維要求，為拓展場館的賽后使用功能，形成“雙奧會”示范性可持續運營遺產，場館需打造持續優化的業務流程協同運營管理體系，形成創新平臺，在滿足冬奧會場地要求的同時，實現賽后冬夏“冰水”雙輪驅動。

“冰立方”變身的應對措施

1、針對重難點1

為滿足2022冬奧會冰壺比賽需求，在原有泳池上搭設4條標準冰壺賽道，包括鋼結構支撐體系、混凝土面板和制冰系統及配套管線、賽場除濕系統。通過建立模塊化搭拆工藝、檢測標準、制冰工藝標準，實現國家游泳中心“冰水”功能快速轉換的成套技術，填補國內場館“冰水”轉化的技術空白。

可轉換場地結構調平動態監測系統

2、針對重難點2

為確保冰面質量與室內環境滿足冰壺比賽要求，對溫濕度探測器布置點與布置方式的多種組合進行模擬實驗，優化冰面與冰壺場地環境智能控制程序。在測試比賽及實際應用階段，測試室內物理環境控制效果，實測驗證理論分析的合理性，有效提高檢測精度與反饋頻率，實現對冰面及室內環境的精準控制。

冰壺場地室內物理環境優化策略

3、針對重難點3

施工建造以建筑信息模型（BIM）技術為基礎，結合云計算、物聯網、移動通訊等信息化技術和設備，引進智慧工地管理平臺，將項目進度、安全管理、質量管理、勞務管理、商務管理、黨建管理、BIM技術、可視化交底等列入平臺管控中，實現項目“人、機、料、法、環”全方位監控，將”被動監督”變為”主動監控”。創新“智慧”管理理念，完成特定生命周期的管理，讓傳統的建筑工地長出“智慧大腦”，最終實現施工數據信息化、監測自動化、管理智能化、遠程可視化和決策大數據。

"冰立方"智慧工地管理平臺

4、針對重難點4

將國家游泳中心能源管理中心、設備監控系統、智能照明控制系統、消防系統、綜合安防系統（含視頻監控、門禁、電子巡更、周界防范）、場館票務系統及設備管理系統整合集成，建立全生命周期的管理模式，運用大數據分析，實現環境監測、能源管控、設備運維管理可持續,實現建筑物內設備設施數據共享、多系統聯動、功能協同，實現場館運行能耗和碳排放的智能化管控，打造智慧場館可持續運維管理平臺。

“冰立方”館內監測智能系統示意圖

綠色、節能、智能化的“冰立方”

從“水立方”到“冰立方”，需要建立建筑空間、體育場地、室內環境、智慧運行等系統性的核心要素關聯和轉換策略，涵蓋建筑設計、結構、設備、能源、智能化和工程建造、臨時設施等關鍵領域。國家游泳中心現有更衣間數量不足，難以滿足冬奧會賽事需求，新建更衣間成本高昂，且擠占場館賽后運營空間，設計團隊創新性地使用集裝箱式運動員更衣間。對舊集裝箱進行低碳環保的功能模塊化改造，通過“快閃”模式進場安裝，滿足賽事運行時的運動員更衣間需求。賽后，集裝箱模塊可以無痕移除，還原場館運營空間，且撤出的集裝箱模塊可作為場館的客服咨詢、休息餐飲、商品售賣等公眾服務設施使用，甚至還可以通過租賃、出售集裝箱模塊實現場館經濟收益。

北京冬奧會和冬殘奧會結束后，“冰立方”冰上運動中心將永久保留，打造為集冰上賽事、大眾健身、專業培訓、體育旅游、冰上演出、冰壺運動推廣、冬奧文化基地等多功能的綜合冰上項目平臺，預計每年接待冰上運動愛好者超過10萬人次。為做好場館的后期運營，國家游泳中心在維護冰壺場地的同時還利用南廣場地下空間建立了兩塊冰面，一塊為標準冰場、另一塊為冰壺場地，未來將作為奧林匹克中心區冰壺項目體驗基地，為大眾提供開放的平臺，為三億人參與冰雪運動提供助力。

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原文標題：建筑結構丨“水立方”到“冰立方”的華麗變身——國家游泳中心

來源作者：建筑結構

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