建筑结构丨“水立方”到“冰立方”的华丽变身——国家游泳中心

国家游泳中心，又名“水立方”、“冰立方”，位于北京市朝阳区北京奥林匹克公园B区西侧，和国家体育场“鸟巢”遥相呼应。国家游泳中心始建于2003年12月24日，占地面积6.2公顷，建设规模约8万m2，主体建筑紧邻城市中轴线。国家游泳中心是北京市地标建筑、2008年北京奥运会标志性建筑物之一、2022年北京冬奥会北京赛区竞赛场馆之一。2003年7月28日，国家游泳中心建筑设计方案正式确定。2008年1月28日，国家游泳中心正式竣工。2018年12月26日，国家游泳中心正式开始改造，启动向“冰立方”的华丽转身。2020年7月，完成场馆永久设施改造任务，满足举办冬奥会测试赛的需求。

双奥场馆”国家游泳中心通过“水冰转换”制出4条冬奥标准的冰壶赛道，它将成为冬奥会历史上最大体量的冰壶场馆、世界上唯一一个水上运动项目和冰上运动项目可自由转换的大型比赛场馆。北京冬奥会的男子冰壶、女子冰壶、混合双人冰壶比赛将在改造后的国家游泳中心进行。

国家游泳中心外景?市重大项目办

国家游泳中心外观如同一个冰晶状的立方体，造型简洁现代，这个看似简单的“方盒子”是中国传统文化和现代科技共同“搭建”而成的。中国人认为，没有规矩不成方圆，按照制定出来的规矩做事，就可以获得整体的和谐统一。在中国传统文化中，“天圆地方”的设计思想催生了“水立方”，它与圆形的“鸟巢”——国家体育场相互呼应，相得益彰。方形是中国古代城市建筑最基本的形态，它体现的是中国文化中以纲常伦理为代表的社会生活规则。而这个“水立方”又能够最佳体现国家游泳中心的多功能要求，从而实现了传统文化与建筑功能的完善结合。

在中国文化里，水是一种重要的自然元素，设计者将水的概念深化，不仅利用水的装饰作用，还利用其独特的微观结构，基于“泡沫”理论的设计灵感，他们为国家游泳中心包裹上了一层建筑外皮，上面布满了酷似水分子结构的几何形状，表面覆盖的3000多个ETFE膜又赋予了建筑冰晶状的外貌，使其具有独特的视觉效果和感受，轮廓和外观变得柔和，水的神韵在建筑中得到了完美的体现。ETFE膜是一种透明膜，能为场馆内带来更多的自然光。它是根据细胞排列形式和肥皂泡天然结构设计而成的，这种形态创意十分奇特。同时，ETFE膜具有高抗污，易清洗的特点，通常雨水即可清除主要污垢。作为大型比赛场馆的建筑材料用ETFE膜，更大的优势还在于它们可以加工成任何尺寸和形状，满足大跨度的需求，节省了中间支承结构。作为一种充气后使用的材料，它可以通过控制充气量的多少，对遮光度和透光性进行调节，节省能源的同时起到保温隔热作用。

国家游泳中心的墙面和屋顶都分内外三层，设计人员利用三维坐标设计了3万多个钢质构件，多个位置不同的钢质构件组成了坚圆的空间钢架结构。这些技术都是我国自主创新的科技成果，填补了世界建筑史的空白。

国家游泳中心改造面积约50000㎡，长177m、宽177m、高31m，建筑总面积8万m2（赛时），10万m2（赛后）。场馆内部是一个六层楼建筑，平面呈正方形。赛时座位17000座，赛后永久座位6000座。国家游泳中心是典型的外柔内刚，外部只看到充气薄膜，好像弱不禁风，而支撑这些薄膜的是坚实的钢结构，里面观众看台和室内建筑物为钢筋混凝土结构。国家游泳中心的墙壁和天花板由1.2万个承重节点连接起来的网状钢管组成，这些节点均匀地分担着建筑物的重量，使其坚固得足以经受住北京最强的地震。其地下部分是钢筋混凝土结构，在浇筑混凝土的时候，在每根钢柱的位置都设置了预埋件(上部为钢块)，钢结构的钢柱与这些预埋件牢固的焊接在一起，就这样，地上部分的钢结构与地下部分的钢筋混凝土结构形成一个牢固的整体。正是靠着优越的结构形式和良好的整体性，“水立方”才拥有了“过硬的身体”，达到了抗震8级烈度的标准。

“冰立方”内景?新京报

“冰立方”馆内改造示意图

从“水”到“冰”，看起来就是加上“两点”这样简单。但现实却恰恰相反，冰壶场地是公认的对冰面质量要求极高的运动项目。除了对冰面光滑度和平整度的要求，对整体环境中温湿度、照明、声音传播、空气流动等都具有很高的要求。“水冰转换”实际上是一项大工程。首先，要对游泳池进行“填坑”，泳池里的水抽干以后，设计团队要根据坑底平面的荷载能力去搭建可转换架体，设计师们在试了木头、钢筋等多种材料以后，选择了目前钢结构加轻质混凝土预制板结构体系。

但是如何保证冰面在稳定牢固的同时，还能达到冬奥会比赛要求？秘密就藏在支撑冰面的可转换钢结构中。它由2600根3米高、2米长的薄壁H型钢搭建而成，每根梁柱装有柱脚，每个连接点装有可拆卸高强螺钉，确保钢架坚固结实。架体搭设完毕后，施工团队进行了荷载试验，最终试验结果显示，每平方米增加1吨的荷载，钢结构的最大变形仅有1.6毫米，符合3毫米以内的设计要求。有了骨架还不够，冰不能直接“长”在骨头上，所以制冰基础层施工也十分重要。其具体步骤是先在混凝土预制板面上铺一层PE膜，然后再铺两层挤塑保温板，保温板之上再铺一层PE膜和抗滑移层，最上面一层才是制冰管架。2019年底，“水立方”第一次完成游泳池与冰场的转换，耗时近60天；2020年12月，完成第二次转换结构的搭建，耗时20天；2021年10月1~14日，完成冰面制作，仅耗时13天。如此高效的转化速度的原理是：首先把泳池里的水抽干，然后在泳池内搭设可转换架体。在下一个制冰环节，现在的赛场旁边有两组制冷管道，一进一回形成回路，就像人体的动脉和静脉，制冰基础层上密密麻麻有序铺装的制冰排管相当于毛细血管一样与动脉静脉相连。而室外制冷机组就是“心脏”，打开制冰机组使其运行，将载冷剂通过管道循环输送至制冰场，保证赛场制冰顺利进行。

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