李久林，北京城建集團有限責任公司總工程師，北京國家速滑館經(jīng)營有限責任公司副總經(jīng)理兼總工程師，教授級高級工程師，國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”重點專項——國家速滑館智慧場館建設和應用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范應用項目負責人。

兼任多個行業(yè)協(xié)會專家委員及高等院校外聘教授，享受國務院政府特殊津貼。主持和領導了國家體育場“鳥巢”、國家速滑館“冰絲帶”、槐房水廠等多項重大工程施工建設。獲評首批北京學者、國家級百千萬人才、國家級有突出貢獻中青年專家，先后榮獲全國五一勞動獎章、全國勞動模范等榮譽稱號。

北京奧運中軸線迎來了新朋友，“鳥巢”“水立方”迎來了“冰絲帶”。在這片占地1.2萬平方米、碳排放趨近于零、被譽為“最快的冰”上，將上演四年磨一劍、千分之一秒定勝負的速度滑冰冬奧賽事。

因建筑外形飄逸靈動，國家速滑館被親切地稱為“冰絲帶”，作為北京2022年冬奧會標志性場館，承擔速度滑冰項目的比賽和訓練。冬奧會后，在長期可持續(xù)發(fā)展中，將建成以冰雪運動為核心、全面促進全民健身、體育消費的新型城市文體綜合體，努力成為滿足人民群眾對冬季美好生活向往的新坐標。

在國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”專項——國家速滑館智慧場館建設和應用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范應用項目的支持下，國家速滑館科研團隊從設計理念、技術(shù)工藝、材料選取、施工技法等多個方面都實現(xiàn)了創(chuàng)新和突破。

高技術(shù)保障了冬奧場館和附屬設施的設計建筑運維與自然人文環(huán)境相融合，實現(xiàn)了冬奧會場地場館建設運營管理的協(xié)同化、精細化、智慧化。

我們采訪了本項目負責人、北京城建集團總工程師李久林，帶領大家走進智慧的“冰絲帶”。

問：請您介紹一下項目總體實施目標和實施成效。

李久林：“冰絲帶”國家重點研發(fā)項目，主要包括五個方面的研發(fā)內(nèi)容。第一個是大跨度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這是全世界最大的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)體育館。我們原來采用的高礬密閉索都是從國外進口，這是要解決的問題;第二個是復雜的曲面幕墻和柔性屋面，用簡單的工藝實現(xiàn)復雜建筑效果;第三個是二氧化碳跨臨界直冷制冰系統(tǒng)，打造一個最快的冰場;第四個是在短時間內(nèi)完成場館建設;第五個是實現(xiàn)智慧場館。

“冰絲帶”索網(wǎng)張拉過程

基于平行施工模式建造的國家速滑館

實施科技冬奧項目以后，第一，我們建成了全世界最大的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)體育場館，而且實現(xiàn)了高礬密閉索的國產(chǎn)化，產(chǎn)品性能也達到了國際上同類產(chǎn)品標準，引領了國內(nèi)高礬密閉索生產(chǎn)。

第二，解決了在復雜的柔性索網(wǎng)上建造屋面的難題，開發(fā)了新型屋面系統(tǒng)，同時通過3360塊玻璃的工藝設計和建造技術(shù)研究，實現(xiàn)了“冰絲帶”的建筑效果。

第三，研發(fā)了二氧化碳跨臨界直冷的制冰系統(tǒng)，在冬奧歷史上首次實現(xiàn)了制冰技術(shù)在速滑場館的應用。

第四，基于平行施工的高效高精度建造技術(shù)，像造汽車一樣建成速滑館。

第五，實現(xiàn)了集先進技術(shù)、優(yōu)質(zhì)觀眾體驗和精細管理于一體的智慧場館建設目標，不但解決了速滑館本身的工程建設難題，相關(guān)技術(shù)還在國內(nèi)一些工程上得到推廣應用。

問：“冰絲帶”的智慧體現(xiàn)在哪些方面？

李久林：主要是兩個方面。一個是建造過程。我們采用智能建造方式，像混凝土構(gòu)建、看臺、鋼結(jié)構(gòu)、索網(wǎng)、屋面，全部是在工廠建設完成，在現(xiàn)場就像組裝汽車一樣，把它們組裝在一起，這個過程中大量應用了自動化和智能化技術(shù)。

比如鋼結(jié)構(gòu)環(huán)桁架，一個8000多噸的鋼結(jié)構(gòu)怎么做呢？實際上是在場館外側(cè)87米遠的地方，在建設場館的同時，在那兒把它拼起來，通過計算機控制爬行機器人推動桁架滑移到場館上面，從而實現(xiàn)在場館里面混凝土結(jié)構(gòu)施工的同時，外側(cè)的鋼結(jié)構(gòu)也在施工，兩個同時完成混凝土封頂。那邊鋼結(jié)構(gòu)也拼完了，通過機器人把它滑過來，安裝到位，時間上大大節(jié)約了工期。從質(zhì)量上來講，一個182米的桁架滑移了87米，而且通過兩次高低位的變軌以后，最終安裝精度偏差僅幾毫米，實現(xiàn)了高效高精度建造。

國家速滑館近景

另一個是實現(xiàn)了智慧場館的目標。除了建造實體場館，還在計算機里同步建造數(shù)字場館。基于BIM技術(shù)，從設計施工到最后的交付，形成實體速滑館的同時，有一個跟它一模一樣的數(shù)字速滑館。速滑館上面有大量傳感器。通過管理平臺，速滑館就像手機一樣，各種數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綌?shù)字場館上，實現(xiàn)數(shù)字孿生，對場館進行精細調(diào)控。

比如制冰系統(tǒng)，有很多因素影響運動員成績，甚至看臺觀眾數(shù)量對場館環(huán)境也有影響。我們通過攝像系統(tǒng)，能夠看到場館上哪些地方坐的人多、哪些地方坐的人少，把這些數(shù)據(jù)傳給數(shù)字孿生系統(tǒng)，它就可以仿真計算場館需要做哪些調(diào)整。通過對除濕、送風等參數(shù)進行調(diào)整，使場館運行環(huán)境達到最好，助力運動員在這里創(chuàng)造佳績。

我們圍繞觀賽、辦賽和參賽準備了幾十種技術(shù)，希望能夠為大家提供最好的服務。

問：冬奧測試賽中，我們的速度滑冰項目取得了優(yōu)異成績，這讓人想到之前所說的打造“最快的冰”這一目標，請您介紹一下如何打造“最快的冰”。

李久林：2021年10月份舉辦的速度滑冰中國公開賽上，四人五次創(chuàng)造了個人最好成績，某種程度上檢驗了“最快的冰”這一目標。

建設團隊在整個研究和建設過程中，始終把“最快的冰”作為最重要目標，速滑場館一定要為運動員出成績提供最好的條件。影響“最快的冰”的因素很多，其中有一個最重要因素就是冰面的質(zhì)量和溫差。我們采用了多項技術(shù)，包括首次研發(fā)和應用了二氧化碳跨臨界直冷制冰系統(tǒng)。最早設計采用的是使用R507制冷劑、乙二醇載冷劑的制冰系統(tǒng)，這個技術(shù)跟國際上常用制冰技術(shù)一樣。后來圍繞“最快的冰”和綠色低碳目標，在重點研發(fā)計劃支持下，創(chuàng)新了二氧化碳跨臨界直冷制冰系統(tǒng)，這套制冰系統(tǒng)不但將節(jié)能環(huán)保GWP值由最初將近4000降為1，同時還能控制冰溫。

我們還采取了很多措施，比如通過激光掃描跟BIM模型進行比對，檢驗、保證冰場下邊12萬米不銹鋼制冰管道處于精準位置，因為每一個管道就相當于一個制冷器，制冷管位置越準，則冰溫越均勻。為保證冰板混凝土平整度，采用激光測量技術(shù)，使1.2萬平方米冰場平整度偏差從原來5毫米驗收標準最終達到最大不超過3毫米。整個冰場溫差原來理論極限值是0.26攝氏度，通過幾次制冰檢驗達到0.5攝氏度冰面溫差以下，比原來設定的1.5攝氏度驗收要求提高很多。當然還有風速、濕度等一系列因素的管控，包括基于數(shù)字孿生場館室內(nèi)環(huán)境的精細調(diào)控，所有這些都為運動員創(chuàng)造最好的成績、打造“最快的冰”作出了貢獻。

問：運動員能賽出好成績是大家共同的心愿。國家速滑館不僅內(nèi)部結(jié)構(gòu)做得非常精細，外立面建造也非常獨特，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。請您介紹一下“冰絲帶”索網(wǎng)屋面上有哪些科技奧秘。

李久林：冬奧速滑館建設，注重考慮綠色環(huán)保低碳理念。在結(jié)構(gòu)體系上，采用了高性能結(jié)構(gòu)體系，通過索網(wǎng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)大跨度屋面建造目標，只用幾百噸索就編織出大型場館屋頂。鋼材抗拉強度是最好的，通過拉索充分發(fā)揮材料性能，使索網(wǎng)像網(wǎng)球拍一樣扣到速滑館的屋頂上。

我們面臨幾個問題。第一，它是全世界體育場館里最大、最扁的橢圓形單層雙向正交馬鞍形索網(wǎng)，單層雙向正交索網(wǎng)，加上環(huán)桁架和幕墻斜拉索體系是我們第一次創(chuàng)新采用的技術(shù)。

第二，高礬密閉索過去長期依賴進口，這次依托國家速滑館重大工程，我們和國內(nèi)廠家及相關(guān)單位共同研究攻關(guān)，首次實現(xiàn)索網(wǎng)國產(chǎn)化。在速滑館重大工程的應用起到了示范引領作用。目前，國內(nèi)大量工程都采用了國產(chǎn)高礬密閉索，使得材料從價格到供貨期都已經(jīng)大大壓縮。

第三，如何做出這樣一個場館？索網(wǎng)非常復雜，我們做了大量的數(shù)字仿真，在計算機里模擬整個過程，在實驗室里做1：12模型試驗，提前建了一個小速滑館，在實驗室里把索網(wǎng)建造過程全部模擬出來，作為建造依據(jù)，并且提前把標準制定下來。先把幕墻索掛上去，然后把承重索和穩(wěn)定索編起來，把東西向承重索提升上來后，像漁網(wǎng)一樣收網(wǎng)，把它從地面上提起，掛到桁架耳板上去，再張拉南北向穩(wěn)定索，最后通過張拉南北向的索，帶動整個索網(wǎng)變形，索網(wǎng)變形再拉著環(huán)桁架的邊跟著變形，這邊再拉著幕墻的索變形，最終就通過拉一個穩(wěn)定索，把它拉到位后，放到耳板梁上。整個索網(wǎng)體系張拉成形，非常巧妙。

我們通過計算機控制這些設備實現(xiàn)同步張拉，在速滑館建設過程中和建成后，通過1100個傳感器對數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，比如在屏幕上能看到北京大風大雪天氣時，速滑館整個屋面的反應。建造凝聚了整個建設團隊的心血，最終的建設效果非常完美。這項工程獲得了中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會年度杰出工程大獎，得到了各方面高度肯定。

問：除索網(wǎng)屋面結(jié)構(gòu)，還有一個受人關(guān)注的焦點——“冰絲帶”。它之所以被稱為“冰絲帶”，就是因為外表由22條晶瑩美麗的絲帶狀曲面玻璃幕墻構(gòu)成，22條“冰絲帶”環(huán)繞索網(wǎng)屋面結(jié)構(gòu)的設計非常新穎。您能否介紹一下復雜玻璃曲面幕墻里有哪些設計和技術(shù)？

李久林：就像我們的“鳥巢”是用鋼結(jié)構(gòu)編織出來的，“水立方”是用膜結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，速滑館最好的體現(xiàn)材料是玻璃。如何實現(xiàn)飄逸靈動的建筑效果，實際上是曲面玻璃如何兼顧多個方面的問題。

項目團隊現(xiàn)場研究索網(wǎng)結(jié)構(gòu)安裝和監(jiān)測情況。

第一，不能把工程做得過于復雜，這樣會使造價非常昂貴。所以在設計方面，通過平曲玻璃的耦合分析，使所有玻璃的弧度都一樣，通過曲面玻璃和平面玻璃的組合，減少工程建造難度，從而實現(xiàn)飄逸靈動的建造效果。

第二，選用四層夾膠中空的玻璃作為材料，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的建筑效果，再組合里面的遮陽簾、自然通風系統(tǒng)，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。很多觀眾會提問說，“冰絲帶”這樣一個大玻璃房子，會不會像玻璃大棚一樣夏天很熱冬天很冷？甚至有人會擔心光污染問題。我們做了非常詳細的研究，既兼顧建筑效果，又實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

第三，在建造的時候，幕墻也是柔性索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，就如何把玻璃安裝上去，也做了包括數(shù)字模型在內(nèi)的大量技術(shù)工作，通過激光掃描把所有實際結(jié)構(gòu)和形狀都掃描進去，再跟玻璃單元板塊擬合，最終實現(xiàn)了飄逸靈動的建筑效果，既實現(xiàn)了三星級節(jié)能環(huán)保的建設目標，又實現(xiàn)了建筑工藝美學新高度的建造效果。

問：冬奧會之后，這個項目的科研成果還將有哪些應用？

李久林：圍繞冬奧會速滑館建造，在國家重點研發(fā)計劃支持下，一方面，通過技術(shù)攻關(guān)，解決了場館建設本身面對的索網(wǎng)、屋面和曲面幕墻、制冰等建設問題;另一方面，形成了大量通用技術(shù)、行業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)和標準。比如國產(chǎn)高礬密閉索，目前我們國家大量工程已經(jīng)采用國產(chǎn)化高礬密閉索，產(chǎn)生了非常好的效果。我們目前形成了七項新標準，在科技部、住建部、北京市等相關(guān)部門和地方的大力支持下，有些標準已經(jīng)逐步上升為地方、行業(yè)甚至國家的相關(guān)標準。通過這些標準，我們將為促進冰雪運動場館建設提供技術(shù)支持。

速滑館本身是多功能場館設計，在場館策劃和設計之初，我們不僅滿足冬奧會速度滑冰功能和需求，而且能夠滿足所有冰上運動需要。未來將建成集體育賽事、群眾健身、文化休閑、展覽展示和社會公益五位一體的多功能體育場館，為帶動三億人參與冰雪運動這一目標提供助力。