科技大讲堂

水立方变“冰立方”,冬奥“黑科技”还有哪些?

    经过17天的激烈角逐,东京奥运会落下帷幕。6个月后,全球的目光将聚焦北京冬奥会。这是中国历史上第一次举办冬季奥运会,也是继北京2008夏季奥运会、南京2014青奥会后,中国第三次举办的奥运赛事。

      自获得举办权以来,国家相关部门便如火如荼地进行筹备工作,据北京冬奥组委规划建设部部长刘玉民介绍,本次冬奥共使用39个场馆,包括竞赛场馆12个、训练场馆3个、非竞赛场馆24个。同时,场馆及相关设备设施的建设秉持“绿色、低碳、可持续”的理念。因此,在建设过程中,冬奥场馆都融入了多种多样的科技元素,不仅能够向世界展示中国之美,也能向世界展示这了不起的中国制造!那么,本次冬奥里会出现哪些黑科技呢?我们一起来看看吧。

“水立方”变“冰立方”

    2008年夏季奥运会期间,国家游泳中心(水立方)成功举办了游泳、跳水和花样游泳比赛。在这里,游泳运动员打破了21项世界纪录,水立方也成为世界上“最快的游泳池”。作为世界上第一个拥有智能化泳池转换冰场技术的场馆,“水立方”变身为“冰立方”,将在北京冬奥会和冬残奥会上承担冰壶项目和轮椅冰壶项目的比赛。对“水立方”改造升级后,建立了冬夏场景转换的运营模型。建筑功能高度灵活;体育场地实现冰场/ 泳池之间智能化快速转换;新增的空调、除湿系统和经过调试的气流组织保障高品质的室内环境,降低对冰面的影响;群智能控制提升了室内环境、设备自动化监控的能力。这些系统为冬奥会赛时和赛后冬夏场景的智慧化可持续运营提供了完备的技术解决方案。

    国家游泳中心冰壶赛道 图源:本刊综合.科技让冬奥更精彩[J].发明与创新(大科技),2021(05):14-19.

   那么,大家最感兴趣的问题应该是场馆里的水冰是如何实现转换的?这个转换不是直接把泳池里的水冻成冰,而是涉及整个场馆的复杂的系统工程,需要在场馆的比赛大厅中部搭建可转换结构,安装可拆装制冰系统。把游泳池的水放空、排干,再把钢结构支撑体系和混凝土面板安装完成,铺上制冰管道,制冰后将形成具有4条标准赛道的冰壶场地。中心运行期间将通过系统联动实现温度、湿度恒定,将冰壶场冰面温度控制在零下3-5度,环境相对湿度小于35%,实现智能化管理。

钢结构支撑体系 图源:北晚新视觉网

混凝土面板 图源:北晚新视觉网

“冰丝带”引领冬奥“黑科技”

    “冰丝带”指的是2022年冬奥会北京赛区唯一的新建冰上竞赛场馆——国家速滑馆,将在冬奥会期间承担速度滑冰项目的比赛任务。如果说 “水立方” 是把柔软的水设计成坚硬的方块,“冰丝带” 则是把坚硬的冰设计成柔软的丝带,这其中蕴含了中国人刚柔并济的智慧, 一种隐藏于自然界的均衡。建筑外曲面幕墙四周22条飘逸的 “丝带”,既是幕墙的支撑结构,又将遮阳、立面照明和建筑效果设计融为一体,其代表着北京冬奥会将在2022年举办,又像是速度滑冰员在冰上风驰电掣划过的痕迹,象征着速度与激情。

“冰丝带”外观 图源:北京日报客户端

   “冰丝带”内部架构同样令人震撼,其下部采用全冰面设计,冰面面积约为12000平方米,是目前亚洲最大的冰面。同时,冰面采用分模块控制单元,将冰面划分为若干区域,根据比赛项目分区域、分标准进行制冰。其采用的二氧化碳跨临界直冷制冰技术,是全世界最大的采用二氧化碳跨临界直冷制冰系统,也使其成为全球首个采用该技术进行制冷的冬奥场馆,通过对比赛场地内的空气温度、空气湿度、冰面温度、浇冰水的纯度和温度等进行精准控制,可实现世界上最快制冰。其中部设计为紧凑的平面轮廓和空间体积,能够回收约80%在制冰过程中产生的余热,并将这些余热充分用于运动员生活用水、融冰池融冰、冰面维护浇冰、除湿和采暖等方面,一年可节电约200万千万·时。其上部为长跨198m、短跨124m的钢索网编织的“天幕”,其中的低辐射膜能够降低冰面的辐射负荷20%以上,实现节能长效运行。此外,屋面结合建筑造型设置太阳能光伏发电系统,光伏装机容量为300kWp,相当于近200个家庭的年用电量。

“冰丝带”内部全景 图源:北京冬奥组委官网

冰砖城堡——国家体育馆

    有着“折扇”之称的国家体育馆将在冬奥期间承担男子冰球项目全部比赛、女子冰球部分赛事以及冬残奥会冰橇冰球的部分赛事,为了保证这些比赛的顺利进行,自2018年起场馆就开展升级改造工作。新建训练馆的外立面使用863块具有凹凸质感的冰花图案玻璃,在灯光的配合作用下,呈现出冰砖城堡的效果。

    国家体育馆改造升级后的鸟瞰图 图源:周忠发,朱忠义,周笋,李培,蔡春杰.国家体育馆2022冬奥新建训练馆摩擦摆隔震设计[J].建筑结构,2020,50(20):1-7.

   为了增加实用性,设计团队在外层压花玻璃幕墙内侧增加了一层使用被称作低辐玻璃的LOW-E钢化玻璃制作的内幕墙,能大幅减少紫外线进入场馆。整个双幕墙极大的提高了场馆的隔热、保温和隔音功能。由于新建训练馆主体采用钢结构,其整体重量达到了2000吨,其中屋顶钢结构就重达1500吨,为了使16根劲性柱能够托起1500吨重的屋顶,设计团队在每根劲性柱顶端安装摩擦摆支座,并在侧面加装一套电涡流阻尼器,极大增加了整体减震效果。整个摩擦摆支座在面对震动时,可以让1500吨的屋顶在360度范围内进15cm自由位移,能够经受8级地震的考验。

国家体育馆冰面 图源:https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_11976029

   国家体育馆新建训练馆冰面共有结构底板、砂层、保温层、保护层、防水层、精平层、滑动层、制冷管道层以及抗冻混凝土层等13层结构,为了保证冰面的平整度,设计团队引进瑞士激光摊铺仪,配合激光测距等监测设备,对冰面结构层实行逐层校验,将误差控制在5mm以内。同时,为了应对不同赛事对地面的承压要求,冰面最上层的抗冻混凝土标号由常规C30提升至C40,提升了冰面承压力10%以上。此外,国家体育馆的冰面不仅能在8h内实现冰蓝场地的转换,还能同时满足60×30和60×26的双重国际冰面标准。尤其值得注意的是在进行冰蓝场地转换时,只需在冰面上直接摊铺一层15~20mm左右的冰甲板,而无需等待冰面融化。项目团队在结构施工时提前预留的两种规格预埋件,可以随时通过改变围挡位置,对场地进行自由调节,以满足不同赛事需求。

全新的冬奥火炬——“飞扬”

    “飞扬”火炬集中了多领域的智慧和科技,呈现出较高的设计水平和具有中国特色的艺术形式。与以往冬奥火炬的金属外壳不同,“飞扬”火炬的外壳由碳纤维及其复合材料制造而成,复合材料的特殊性质使“飞扬”火炬相比以往冬奥火炬轻了20%左右,同时具备高强度、耐腐蚀、耐高温、耐摩擦、耐紫外线辐射等特点,破解了火炬外壳在1000℃高温制备过程中起泡、开裂等难题,采用的具有国际先进水平的三维立体编织成型技术使得火炬外形更加优美。

“飞扬”火炬 图源:碳纤维专家破解冬奥火炬外壳诸多难题[J].纺织科学研究,2021(03):11.

    而且,“飞扬”火炬创造性的使用氢作为燃料,安全可靠性高,可抗10级大风,保证了火炬在极寒天气中的顺利使用。火炬燃烧时的碳排放为“零”,环保性很强,实现了“绿色”理念与冬奥的结合。

结语:

    北京冬奥会上的国产黑科技远不止所介绍的这些,“快、护、暖、美”冬奥战服能够让运动员在比赛中发挥出最棒的成绩;实时监测运动员体温数据的创口贴体温计给冬奥期间国家防疫提供了强有力的保障;定位位置信息和监测身体状况的智能穿戴式手表为运动员的安全保驾护航……这场冬奥盛宴定会让世界再次认识中国,让全球各国人民再次认识什么是中国制造。冰雪是纯洁的象征,冰雪运动是充满激情和活力的运动,我们一起祝福北京冬奥会成功举办!

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