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(shí)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?，F(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(yùn)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(lán)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(yùn)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(yùn)遺產(chǎn)之一，是創(chuàng)造過24項(xiàng)世界紀(jì)錄的“全世界最快的泳池”；一邊是冰壺場地的嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)、國際奧委會的嚴(yán)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(tuán)隊(duì)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?xiàng)钇嬗率亲畈荒芙邮艿摹?/p>
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(lán)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(yùn)盛事，其后數(shù)千個日夜的場館運(yùn)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(dú)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(yùn)動幅度，應(yīng)該比較輕松?！睏钇嬗禄貞浾f。
現(xiàn)實(shí)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(yùn)功能。
在設(shè)計總負(fù)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。”他手指向遠(yuǎn)處的十米跳臺，“中國跳水‘夢之隊(duì)’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(yùn)動員們在這個游泳池里24次刷新21項(xiàng)世界紀(jì)錄。菲爾普斯一人獨(dú)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?！?/p>
“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。”
十年來，國際游泳和跳水比賽每年如期上演，“觀眾到點(diǎn)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(shí)在的“經(jīng)濟(jì)賬”：靠著夏季奧運(yùn)會的光環(huán)和拉動，以及人們對奧運(yùn)遺產(chǎn)的愛護(hù)，水立方的旅游收入達(dá)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(jī)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(yùn)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(shí)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(yàn)，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(jì)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(yùn)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(xì)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(diǎn)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(shí)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(fèi)約10個工作日，用細(xì)水管把經(jīng)處理的純水幾十上百次地澆上去，精細(xì)平整，噴灑水霧，形成冰點(diǎn)。
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?！懊舾小薄?/p>
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(jī)，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(yàn)。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(jìn)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(yán)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?！八D(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(jìn)，不能退，沒有別的選擇。”楊奇勇這樣描述當(dāng)時的心情，“我們表態(tài)拒絕現(xiàn)澆混凝土方案，希望給機(jī)會做水冰轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)。如果不能滿足全部標(biāo)準(zhǔn)，就無條件服從。”
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(yùn)主要的水上項(xiàng)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(yuǎn)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(yùn)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(lán)色泡泡外墻”。
水立方的藍(lán)色膜結(jié)構(gòu)形體輕盈、透光性強(qiáng)，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(yùn)動”，冰壺運(yùn)動員比賽不帶擴(kuò)音設(shè)備，全靠喊，對于場館的聲音環(huán)境要求很高，為此，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)進(jìn)行5次模擬噪聲實(shí)驗(yàn)，以求達(dá)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(diǎn)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(jì)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(yùn)動冰研究的“擦邊球”。
某種程度上，他們在為國內(nèi)運(yùn)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(yuǎn)的價值。
冰壺運(yùn)動作為舶來品，最初是在奧運(yùn)爭光戰(zhàn)略下，因其較適合亞洲人參與，為了擴(kuò)大中國冰雪項(xiàng)目的奪金面而引進(jìn)的。十幾年來，高潮有之，平谷更多。由于國內(nèi)并沒有對冰進(jìn)行過系統(tǒng)研究，也就沒有人給運(yùn)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(yùn)動員在“讀冰”方面能力薄弱。
相比而言，老牌強(qiáng)隊(duì)積累了很多歷史經(jīng)驗(yàn)，能通過讀取冰面做出更好判斷。國內(nèi)運(yùn)動員卻因?yàn)檠芯啃畔⒌膮T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(yàn)。“如果運(yùn)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)?！睏钇嬗抡f，“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(dá)到“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)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(yùn)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(shí)時反映高差變化，調(diào)平一次性到位。”楊奇勇說，這項(xiàng)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(jī)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(dá)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(lán)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(yùn)維管理平臺，實(shí)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(yùn)行情況，對場館各設(shè)備系統(tǒng)實(shí)行智能調(diào)控。可視化的能源管控還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(yàn)，到第一次試驗(yàn)成功時“策略基本得到認(rèn)可”，再到達(dá)到冬奧標(biāo)準(zhǔn)“運(yùn)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(shí)，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(yàn)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(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)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(yùn)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。
