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聚焦冬奥国家速滑馆“冰丝带”设计理念与关键技术

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国家速滑馆设计理念与关键技术 文 / 郑方  赵卫中 2022年北京冬奥会唯一新建冰上竞赛场馆——国家速滑馆已完工,接下来场馆将为冬奥测试赛做准备。 国家速滑馆是一个关于“速度”的设计,冰和速度结合为“冰丝带”。奥林匹克公园内,鸟巢、水立方和冰丝带交相辉映,成就夏季、冬季两个奥运的传奇。速滑馆的设计集成了通用空间、超大跨结构、自由曲面幕墙、冰场节能等关键技术,为北京冬奥会赛时、赛后的可持续运营提供保障。


国家速滑馆设计理念与关键技术

文 / 郑方  赵卫中


2022年北京冬奥会唯一新建冰上竞赛场馆——国家速滑馆已完工,接下来场馆将为冬奥测试赛做准备。


国家速滑馆是一个关于“速度”的设计,冰和速度结合为“冰丝带”。奥林匹克公园内,鸟巢、水立方和冰丝带交相辉映,成就夏季、冬季两个奥运的传奇。速滑馆的设计集成了通用空间、超大跨结构、自由曲面幕墙、冰场节能等关键技术,为北京冬奥会赛时、赛后的可持续运营提供保障。


国家速滑馆实景拍摄  ? BIAD


01


场地概念


2 022年冬奥会 期间,北京赛区承担起全部冰上项目的比赛和训练任务。 国家速滑馆是北京赛区为此次冬奥会唯一新建的冰上竞赛场馆,用于大道速滑比赛; 其他改造场馆包括水立方(冰壶)、国家体育馆(冰球)、五棵松体育馆(冰球)、首都体育馆(短道和花滑)均为2008年奥运会的宝贵遗产。


鸟巢水立方和冰丝带  ?BIAD


速滑馆的场地位于奥林匹克森林公园西侧,北邻国家网球中心,原来是2008年北京奥运会射箭场、曲棍球场所在地。这两个场馆当时都是按照临时场馆设计,顺利完成了奥运会和残奥会比赛的历史使命。历经10年风雨,2017年3月拆除,为冬奥会举办做准备。


场地的东侧、南侧为奥林匹克森林公园环抱。自2008年建成以来,森林公园四季花团锦绣,树木蔚然成林,已经成为深受公众喜爱的场所。速滑馆东侧约600米,是森林公园的主峰“仰山”,受人工堆土所限,山高仅48米,却是北京中轴线从城市通往自然的北端点,取“高山仰止”之意,具有深远的象征意义。速滑馆建筑体量巨大,但不应该与仰山争锋,因此冰场自地面下沉一层,使建筑高度远低于仰 山山脉。速滑馆建筑平面为完整的椭圆形,长轴南北向,平行于奥林匹克公园中轴线,强化城市中轴的象征意义。


国家速滑馆  ? 冬奥组委刘兴华


椭圆平面的圆心正对奥林西路弧形的圆心,以保留场地南侧的用地,限制建筑覆盖的范围。森林公园由东侧向基地内扩展,使绿地包裹场馆,而不是任由城市建设反向侵蚀森林。通过这一布局,速滑馆还为西侧邻近林萃路的社区提供了一个友好的公园界面,与国家网球中心赛场形成和谐的共生关系。


02


通用空间


比赛大厅的设计目标是 提供一个多功能的通用空间 其基本尺度来自速滑比赛规则的场地要求。 通用空间的概念由密斯最早提出,这一概念试图取消空间的功能属性,特指大跨度、灵活使用的单一空间,对于现代大空间建筑具有革命性的意义。 城市公共生活日益多样化,并且随着时代不断变迁,促使大空间的通用性成为应对 社会生活变化的一种方式。 1942年,密斯制作了一个音乐厅的照片拼贴画,采用阿尔伯特·康于1937年设计的格伦·马丁飞机组装大楼的室内做为背景,在其中设置了木材和钢板制成的灵活的墙和顶棚,叠加通用空间概念。


1
自内而外的设计

如同鸟巢的形式出发点一样, 建筑的体积策略来自于体育场的内部功能特点 环绕400米冰道连 续布置看台,使用椭圆平面切割形成12000座位。 看台最顶的边缘沿椭圆平面形成一条连续不断、起伏连贯的空间曲线。 吊顶的中心点设定为距离冰面约20米,可有效地控制大厅的体积。 契合曲线的形式,就自然形成了马鞍形双曲面屋顶的初始几何逻辑。 环形看台和双曲面屋顶完全包裹比赛场地,形成欢乐热烈的赛场氛围。 好的赛场氛围既可以令运动员比赛时更为兴奋,创造新的世界记录,也能提升观众观赛的美好体验,充分感受速滑运动的魅力。


比赛大厅  ?BIAD


场地、看台、屋顶形成的比赛大厅如同一台密闭的巨大冰箱,为比赛提供一个精密控制的环境。在这个内核的外层环绕观众休息厅,周边森林四季更迭,自休息厅往外一览无余。冬天的时候,温暖的阳光照亮室内的公共空间;夏天又可以隔绝外部炎热对比赛大厅冰面环境的影响。


观众休息厅  ? BIAD


2
临时看台/副厅

根据申办承诺,冬奥会时速滑馆设有12000座席; 原计划赛后保留6000座,另有6000座为临时看台。 设计初始把临时看台赛时、赛后的转换作为核心课题处理,围绕400米速滑场地,永久看台和临时看台有如下三种布局方式:


> > > 将临时看台设在场地周边的内环,如同盐湖城冬奥会速滑馆的模式。赛后拆除临时看台,在场地外环形成田径跑道。这样,永久看台不得不远离场地,难以继续举办速滑比赛;而跑道的专业性和娱乐性都不足。


> > > 将临时看台布置在永久看台外环。赛后拆除,留下的空间可以形成一个环形的商业运营空间。环形周长超过400米,位于二层或更高,进深又非常短,拆除后的商业空间局促, 难以形成商业氛围。


> > > > 将临时看台集中在一侧布置,另外一侧布置永久看台。这样,临时看台拆除后的空间完整开阔,并可容纳大尺度的空间。为赛场氛围考虑,在场地周围环形布局少量看台,永久看台主要布置在单侧,供普通持票观众使用;临时看台布置在东侧,下层供贵宾、媒体、运动员等使用,上层仍为普通观众。


国家速滑馆 ?BIAD


另外,设计任务中计划设一个副厅。副厅 只考虑少量座席,主要作为训练冰场和多功能厅运营。例如水立方热身池大厅上方有一个类似尺度的多功能厅,日常作为网球场使用。这个厅尺度适中,运营成本远低于比赛大厅的大空间,举办过各类品牌发布会、拳击赛,甚至星战新片的发布会。从运营功能上,副厅对于比赛大厅是良好的互补。但是问题在于,比赛大厅本身是一个单纯清晰的椭圆形体量,如果附加副厅的体量,会使主厅失去单一形式的纯粹性和完整性。


当我们把临时看台和副厅两个课题的挑战合一,发现一个贴切的选择,即把临时看台拆除之后的空间形成副厅 。一方面,临时看台拆除之后的大跨度空间适合于副厅的尺度;另一方面,赛时无需使用副厅,建筑体量可以保持单一完整的形式。临时看台拆除后,利用这一空间改造副厅以及周边的附属空间,可以提供非常多样的商业运营机会。同时,这一方案可以有效地控制赛时建筑规模,从而节省投资。


国家速滑馆 ?BIAD


3
赛时运营

如同2008年奥运会的经验一样, 设计立足于为赛后需求设计永久设施,以临时设施应对赛时的需求 由此, 根据赛后运营的需求计划永久的场地、更衣室、训练、观众服务等空间和机电系统; 采用临时看台、临时办公区、室外综合区等临时设施应对奥运会庞大和多变的临时需求。


赛时场地分为西侧的前院区和东侧的后院区两大部分。场馆内的前后院区都是封闭的区域,所有人员只能通过安检后才能进入场馆的安全区内。


在冬奥会期间,观众主要通过地铁8号线等公共交通服务到达国家速滑馆观看比赛。场地内不提供为观众服务的停车场。在场地内西南侧,预留了奥运会赛时的公交专线车场。后院位于东侧,靠近奥林西路,是一个封闭管理的安全区域,为运动员及随队官员、贵宾、媒体、技术官员等持证人员提供集散空间、管理和运营设施、仓储和必要的服务,包括室内和室外区域。


奥运会期间,后院人群的使用面积需求远远高于赛后日常运营的需求。因此,设计详细地区分了这些空间的状况,将所有功能房间划分为永久用房和临时用房两大类别。临时用房搭建于赛后的地上、地下停车场和观众前院等空间。


国家速滑馆 ?BIAD


4
为赛后预留

2008年奥运场馆赛后运营的实践来看,建筑空间和衍生功能的多样性远超预期。 以水立方为例,除了游泳、跳水、花样游泳的比赛、训练和健身之外,场馆用于演出、大型活动、商业娱乐的适应性非常广泛,从国事活动到咖啡厅的小聚,从世界锦标赛到婴儿游泳训练,在设计之初需要尽可能考虑空间框架和技术措施的预留。


速滑馆的比赛大厅是奥林匹克公园内最大的室内空间,与鸟巢的室外体育场、国家体育 馆的体操/冰球场地、水立方的游泳/冰壶场地、国家会议中心的会展空间形成良好的运营互补。速滑大道的内场通常设置两块标准的冰球场地,用于日常冰上训练。2010年温哥华冬奥会的列治文奥林匹克速滑馆(Richmond Olympic Oval )在赛后改造为社区运动中心,设有冰球场、跑道、篮球场等。2002年盐湖城冬奥会速滑馆(Utah Olympic Oval)在速滑场地外围设有田径跑道。国家速滑馆现有的场地条件除了满足这些类似的功能,还考虑内场可以全部制冰覆盖,形成一个无阻碍的11500平方米的冰面。 这样一个冰面为日常大规模的公众冰上健身提供了一个不同以往的场地,也为赛后的商业演出预留了前所未有的空间 。屋面的吊挂承重荷载经常会限制演出设施的布局,为此,按照 5 个不同的区域(不互相组合)考虑屋面附加吊挂活荷载分布,每个区域吊挂均布活荷载0.5kN/㎡,集中活荷载分配到每个区域中间的4个吊点,每个吊点75kN,总计75kNx4=300kN。 大部分场馆附属的运营空间,包括运动员、竞赛管理、媒体、场馆运营等都位于地下。因此,在东西两侧设下沉庭院,为地下空间提供自然采光和通风条件。这些运营空间统一按照标准办公区设置,利于赛后的功能转换。


施工中的索网  ?陈丽谋


03


超大跨索网结构


速滑馆屋面南北向长跨约198米,东西向短跨约124米。桁架体系所需的结构断面高度将大幅增加建筑的总体高度,与控制建筑高度的出发点违背。屋面的双曲面建筑形式符合索网体系的受力特点,因此采用单层正交双向马鞍形索网体系。承重索沿东西向短跨,垂跨比1/15;稳定索沿南北向,拱跨比约1/28。网格间距4米,平行双索,采用高钒封闭索,直径64-74mm。索网端部连接在环形桁架上 。为验证计算工况和模拟施工过程,北京建院委托浙江大学空间结构研究中心进行了1/12实体模型实验。现场施工按照模拟结果进行。


索网的找形始于内部的建筑功能需求。首先控制冰面中心的净高约20米,自中心点开始,按照有效的结构垂跨比、拱跨比控制,向东西侧高处看台上升,向南北侧低处看台下降,形成空间双曲面。然后测试双曲面的室内外建筑效果,在结构效率和动感的建筑形式之间寻求平衡。这一找形方法有效地控制了比赛大厅的空间容积,以节省冰场大空间制冰、除湿、空调等能耗,并为大厅的混响时间控制提供有利的条件。同时,单层索网结构极大地降低了建筑的整体高度,建筑体量得到有效的控制,融入仰山脚下森林公园的环境。通过单层双向正交双曲面索网的设计,实现建筑功能、超级结构、绿色节能与建筑效果协调一致。


施工中的索网室内  ? BIAD


04


自由曲面幕墙


大道速滑是在400米长的椭圆冰道上对抗速度的竞赛,速度是立面设计的主题。运动员一圈圈地飞驰而过,冰刀在冰面上留下晶莹闪亮的刻痕。“冰刀画的圈,圈起了谁改变 。”这些线条是速度的印迹,沿椭圆 轮廓上升、弯曲、内外交错而成“冰丝带”的 立面。


从双曲面屋顶边缘,立面的基本形式自上而下向外倾斜,在二层形成最大的平面,以容纳观众休息厅的需求。立面的丝带数量、密度以及玻璃的折面方式经过参数化建模测试,最终决定在立面的基准线上弯曲4次,形成层叠的褶皱,就如同天坛层叠的屋顶。之后,在褶皱上安装直径35cm的印刷玻璃遮阳圆管,褶皱的凸起处密集,凹陷处疏松,总计22根。玻璃管呈半透明,与高透明度的曲面玻璃互相映衬。丝带使用的超白玻璃集成了小半 径半圆弯曲、钢化、夹层SGP胶片和渐变彩釉印刷等工艺,对当今幕墙玻璃的应用提出挑战。2018年初,天津北玻在恒温、恒湿、正压车间进行工艺测试,成功生产了第一条“冰丝带”。之后,通过原型测试对幕墙的构造工艺进行验证。


曲面幕墙的结构采用单索支承网壳体系。通过斜向幕墙索的协同作用,尽力减小竖向的幕墙龙骨断面,以强调冰丝带的水平向度。索与龙骨的连接采用特别设计的梭形节点,展现幕墙构造的精巧细节。


国家速滑馆 ?BIAD


05


冰场节能和智慧运行


1
低辐射顶棚

光洁平整的冰面会产生特有的镜像反射。 为降低屋顶对冰面的热辐射以节省制冰能源,反射吊顶提供了另外一个镜像表面。 因此,室内空间的表现不依靠结构的几何性,而是以控制能源的镜像吊顶作为冰场的特色,来发展大空间的表现力,这是最适合于冰上场馆的设计概念。 这种低辐射吊顶 已经在索契冬奥会和德国因策尔的速滑馆得到实践检验。 由此,比赛大厅的内部空间充满有趣的镜像,呈现前所未有的非物质性效果。 这样一个大厅,将在2022年冬奥会比赛时,透过无数电视屏幕, 令世人惊叹。


顶棚对冰面的辐射热负荷高达冰面负荷的40%,可以通过控制顶棚材料的发射率来大幅度降低。常见顶棚材料的发射率经常高达0.9左右,在膜材表面喷覆高亮的铝涂层,可以降低至0.3-0.6。低发射率的顶棚热损失小,表面温度通常能够保持在冰场环境露点温度以上,从而降低和避免结露的风险。国家速滑馆采用发射率小于0.3的铝覆层膜结构吊顶,以节能设计为目标,同时达成预期的建筑效果。


2
制冰系统热回收

制冰系统的余热通过热泵系统回收,高温热水用于生活热水、浇冰车、转轮除湿。 冷水机组自带的冷凝热回收装置产生低温热水,用于融冰槽融冰和冰板基础中防止冻胀的加热管。 高效的余热回收系统是冰场节能的关键措施。


3
太阳能光伏系统

速滑馆屋面外缘设有建筑一体化的太阳能 光伏电力系统。 蓝色的单元电池板自屋顶外边缘向内侧渐变排列,如同正在融化的雪,展现冬季运动的特色。


    ◆      



国家速滑馆以奥林匹克森林公园为映衬,冰上画痕形成立面的“冰丝带”。 设计自内而外,从临时看台和副厅的转换形成赛时、赛后同等丰富的空间效果,采用了超大跨索网结构、高集成工艺幕墙、低辐射膜结构顶棚等技术,为“精彩、卓越、非凡”的冬奥盛会提供了超越技术本身的意义。


国家速滑馆 ??冬奥组委刘兴华 



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