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國家游泳中心，又名“水立方”、“冰立方”，位于北京市朝陽區(qū)北京奧林匹克公園B區(qū)西側(cè)，和國家體育場“鳥巢”遙相呼應(yīng)。國家游泳中心始建于2003年12月24日，占地面積6.2公頃，建設(shè)規(guī)模約8萬m2，主體建筑緊鄰城市中軸線。國家游泳中心是北京市地標(biāo)建筑、2008年北京奧運會標(biāo)志性建筑物之一、2022年北京冬奧會北京賽區(qū)競賽場館之一。2003年7月28日，國家游泳中心建筑設(shè)計方案正式確定。2008年1月28日，國家游泳中心正式竣工。2018年12月26日，國家游泳中心正式開始改造，啟動向“冰立方”的華麗轉(zhuǎn)身。2020年7月，完成場館永久設(shè)施改造任務(wù)，滿足舉辦冬奧會測試賽的需求。

雙奧場館”國家游泳中心通過“水冰轉(zhuǎn)換”制出4條冬奧標(biāo)準(zhǔn)的冰壺賽道，它將成為冬奧會歷史上最大體量的冰壺場館、世界上唯一一個水上運動項目和冰上運動項目可自由轉(zhuǎn)換的大型比賽場館。北京冬奧會的男子冰壺、女子冰壺、混合雙人冰壺比賽將在改造后的國家游泳中心進(jìn)行。

國家游泳中心外景?市重大項目辦

國家游泳中心外觀如同一個冰晶狀的立方體，造型簡潔現(xiàn)代，這個看似簡單的“方盒子”是中國傳統(tǒng)文化和現(xiàn)代科技共同“搭建”而成的。中國人認(rèn)為，沒有規(guī)矩不成方圓，按照制定出來的規(guī)矩做事，就可以獲得整體的和諧統(tǒng)一。在中國傳統(tǒng)文化中，“天圓地方”的設(shè)計思想催生了“水立方”，它與圓形的“鳥巢”——國家體育場相互呼應(yīng)，相得益彰。方形是中國古代城市建筑最基本的形態(tài)，它體現(xiàn)的是中國文化中以綱常倫理為代表的社會生活規(guī)則。而這個“水立方”又能夠最佳體現(xiàn)國家游泳中心的多功能要求，從而實現(xiàn)了傳統(tǒng)文化與建筑功能的完善結(jié)合。

“冰立方”夜景?新京報

在中國文化里，水是一種重要的自然元素，設(shè)計者將水的概念深化，不僅利用水的裝飾作用，還利用其獨特的微觀結(jié)構(gòu)，基于“泡沫”理論的設(shè)計靈感，他們?yōu)閲矣斡局行陌狭艘粚咏ㄖ馄?，上面布滿了酷似水分子結(jié)構(gòu)的幾何形狀，表面覆蓋的3000多個ETFE膜又賦予了建筑冰晶狀的外貌，使其具有獨特的視覺效果和感受，輪廓和外觀變得柔和，水的神韻在建筑中得到了完美的體現(xiàn)。ETFE膜是一種透明膜，能為場館內(nèi)帶來更多的自然光。它是根據(jù)細(xì)胞排列形式和肥皂泡天然結(jié)構(gòu)設(shè)計而成的，這種形態(tài)創(chuàng)意十分奇特。同時，ETFE膜具有高抗污，易清洗的特點，通常雨水即可清除主要污垢。作為大型比賽場館的建筑材料用ETFE膜，更大的優(yōu)勢還在于它們可以加工成任何尺寸和形狀，滿足大跨度的需求，節(jié)省了中間支承結(jié)構(gòu)。作為一種充氣后使用的材料，它可以通過控制充氣量的多少，對遮光度和透光性進(jìn)行調(diào)節(jié)，節(jié)省能源的同時起到保溫隔熱作用。

國家游泳中心的墻面和屋頂都分內(nèi)外三層，設(shè)計人員利用三維坐標(biāo)設(shè)計了3萬多個鋼質(zhì)構(gòu)件，多個位置不同的鋼質(zhì)構(gòu)件組成了堅圓的空間鋼架結(jié)構(gòu)。這些技術(shù)都是我國自主創(chuàng)新的科技成果，填補(bǔ)了世界建筑史的空白。

國家游泳中心改造面積約50000㎡，長177m、寬177m、高31m，建筑總面積8萬m2（賽時），10萬m2（賽后）。場館內(nèi)部是一個六層樓建筑，平面呈正方形。賽時座位17000座，賽后永久座位6000座。國家游泳中心是典型的外柔內(nèi)剛，外部只看到充氣薄膜，好像弱不禁風(fēng)，而支撐這些薄膜的是堅實的鋼結(jié)構(gòu)，里面觀眾看臺和室內(nèi)建筑物為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。國家游泳中心的墻壁和天花板由1.2萬個承重節(jié)點連接起來的網(wǎng)狀鋼管組成，這些節(jié)點均勻地分擔(dān)著建筑物的重量，使其堅固得足以經(jīng)受住北京最強(qiáng)的地震。其地下部分是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在澆筑混凝土的時候，在每根鋼柱的位置都設(shè)置了預(yù)埋件(上部為鋼塊)，鋼結(jié)構(gòu)的鋼柱與這些預(yù)埋件牢固的焊接在一起，就這樣，地上部分的鋼結(jié)構(gòu)與地下部分的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形成一個牢固的整體。正是靠著優(yōu)越的結(jié)構(gòu)形式和良好的整體性，“水立方”才擁有了“過硬的身體”，達(dá)到了抗震8級烈度的標(biāo)準(zhǔn)。

“冰立方”內(nèi)景?新京報

“冰立方”館內(nèi)改造示意圖

從“水”到“冰”，看起來就是加上“兩點”這樣簡單。但現(xiàn)實卻恰恰相反，冰壺場地是公認(rèn)的對冰面質(zhì)量要求極高的運動項目。除了對冰面光滑度和平整度的要求，對整體環(huán)境中溫濕度、照明、聲音傳播、空氣流動等都具有很高的要求。“水冰轉(zhuǎn)換”實際上是一項大工程。首先，要對游泳池進(jìn)行“填坑”，泳池里的水抽干以后，設(shè)計團(tuán)隊要根據(jù)坑底平面的荷載能力去搭建可轉(zhuǎn)換架體，設(shè)計師們在試了木頭、鋼筋等多種材料以后，選擇了目前鋼結(jié)構(gòu)加輕質(zhì)混凝土預(yù)制板結(jié)構(gòu)體系。

但是如何保證冰面在穩(wěn)定牢固的同時，還能達(dá)到冬奧會比賽要求？秘密就藏在支撐冰面的可轉(zhuǎn)換鋼結(jié)構(gòu)中。它由2600根3米高、2米長的薄壁H型鋼搭建而成，每根梁柱裝有柱腳，每個連接點裝有可拆卸高強(qiáng)螺釘，確保鋼架堅固結(jié)實。架體搭設(shè)完畢后，施工團(tuán)隊進(jìn)行了荷載試驗，最終試驗結(jié)果顯示，每平方米增加1噸的荷載，鋼結(jié)構(gòu)的最大變形僅有1.6毫米，符合3毫米以內(nèi)的設(shè)計要求。有了骨架還不夠，冰不能直接“長”在骨頭上，所以制冰基礎(chǔ)層施工也十分重要。其具體步驟是先在混凝土預(yù)制板面上鋪一層PE膜，然后再鋪兩層擠塑保溫板，保溫板之上再鋪一層PE膜和抗滑移層，最上面一層才是制冰管架。2019年底，“水立方”第一次完成游泳池與冰場的轉(zhuǎn)換，耗時近60天；2020年12月，完成第二次轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的搭建，耗時20天；2021年10月1~14日，完成冰面制作，僅耗時13天。如此高效的轉(zhuǎn)化速度的原理是：首先把泳池里的水抽干，然后在泳池內(nèi)搭設(shè)可轉(zhuǎn)換架體。在下一個制冰環(huán)節(jié)，現(xiàn)在的賽場旁邊有兩組制冷管道，一進(jìn)一回形成回路，就像人體的動脈和靜脈，制冰基礎(chǔ)層上密密麻麻有序鋪裝的制冰排管相當(dāng)于毛細(xì)血管一樣與動脈靜脈相連。而室外制冷機(jī)組就是“心臟”，打開制冰機(jī)組使其運行，將載冷劑通過管道循環(huán)輸送至制冰場，保證賽場制冰順利進(jìn)行。

“冰立方”內(nèi)的冰壺賽場?新京報

冰壺運動是需要高度技巧的項目，冰場開裂、高低差、不平整、空氣結(jié)露、冰面結(jié)露等均會對運動員發(fā)揮造成影響。轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系超高精度質(zhì)量控制要求，國內(nèi)無相關(guān)工程借鑒經(jīng)驗，設(shè)計計算、安拆施工、運輸維護(hù)要求高。

改造后的“冰立方”可容納觀眾約4600人，游泳池上搭建冰壺基地，在奧運會歷史上尚屬首例。水立方為膜結(jié)構(gòu)工程，場館內(nèi)部環(huán)境濕熱，空氣質(zhì)量、節(jié)能、照明、聲控等均為“冰水”轉(zhuǎn)換帶來難題。

與傳統(tǒng)施工不同，此次“水立方”改擴(kuò)建過程采用“不停業(yè)”模式展開，賽時臨時設(shè)施盡量采用裝配式部品部件，避免施工場地與公眾使用空間相互干擾。采用“智慧”手段，減少勞動力、資金、物料的損耗，解決交叉領(lǐng)域的技術(shù)障礙，也是本工程一大難題。

本次改造要全過程兼顧“雙奧”場館可持續(xù)運維要求，為拓展場館的賽后使用功能，形成“雙奧會”示范性可持續(xù)運營遺產(chǎn)，場館需打造持續(xù)優(yōu)化的業(yè)務(wù)流程協(xié)同運營管理體系，形成創(chuàng)新平臺，在滿足冬奧會場地要求的同時，實現(xiàn)賽后冬夏“冰水”雙輪驅(qū)動。

為滿足2022冬奧會冰壺比賽需求，在原有泳池上搭設(shè)4條標(biāo)準(zhǔn)冰壺賽道，包括鋼結(jié)構(gòu)支撐體系、混凝土面板和制冰系統(tǒng)及配套管線、賽場除濕系統(tǒng)。通過建立模塊化搭拆工藝、檢測標(biāo)準(zhǔn)、制冰工藝標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)國家游泳中心“冰水”功能快速轉(zhuǎn)換的成套技術(shù)，填補(bǔ)國內(nèi)場館“冰水”轉(zhuǎn)化的技術(shù)空白。

可轉(zhuǎn)換場地結(jié)構(gòu)調(diào)平動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

為確保冰面質(zhì)量與室內(nèi)環(huán)境滿足冰壺比賽要求，對溫濕度探測器布置點與布置方式的多種組合進(jìn)行模擬實驗，優(yōu)化冰面與冰壺場地環(huán)境智能控制程序。在測試比賽及實際應(yīng)用階段，測試室內(nèi)物理環(huán)境控制效果，實測驗證理論分析的合理性，有效提高檢測精度與反饋頻率，實現(xiàn)對冰面及室內(nèi)環(huán)境的精準(zhǔn)控制。

冰壺場地室內(nèi)物理環(huán)境優(yōu)化策略

施工建造以建筑信息模型（BIM）技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動通訊等信息化技術(shù)和設(shè)備，引進(jìn)智慧工地管理平臺，將項目進(jìn)度、安全管理、質(zhì)量管理、勞務(wù)管理、商務(wù)管理、黨建管理、BIM技術(shù)、可視化交底等列入平臺管控中，實現(xiàn)項目“人、機(jī)、料、法、環(huán)”全方位監(jiān)控，將”被動監(jiān)督”變?yōu)椤敝鲃颖O(jiān)控”。創(chuàng)新“智慧”管理理念，完成特定生命周期的管理，讓傳統(tǒng)的建筑工地長出“智慧大腦”，最終實現(xiàn)施工數(shù)據(jù)信息化、監(jiān)測自動化、管理智能化、遠(yuǎn)程可視化和決策大數(shù)據(jù)。

"冰立方"智慧工地管理平臺

將國家游泳中心能源管理中心、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、智能照明控制系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、綜合安防系統(tǒng)（含視頻監(jiān)控、門禁、電子巡更、周界防范）、場館票務(wù)系統(tǒng)及設(shè)備管理系統(tǒng)整合集成，建立全生命周期的管理模式，運用大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測、能源管控、設(shè)備運維管理可持續(xù), 實現(xiàn)建筑物內(nèi)設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)共享、多系統(tǒng)聯(lián)動、功能協(xié)同，實現(xiàn)場館運行能耗和碳排放的智能化管控，打造智慧場館可持續(xù)運維管理平臺。

"冰立方"智慧運維集成管理平臺

“冰立方”館內(nèi)監(jiān)測智能系統(tǒng)示意圖

從“水立方”到“冰立方”，需要建立建筑空間、體育場地、室內(nèi)環(huán)境、智慧運行等系統(tǒng)性的核心要素關(guān)聯(lián)和轉(zhuǎn)換策略，涵蓋建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、能源、智能化和工程建造、臨時設(shè)施等關(guān)鍵領(lǐng)域。國家游泳中心現(xiàn)有更衣間數(shù)量不足，難以滿足冬奧會賽事需求，新建更衣間成本高昂，且擠占場館賽后運營空間，設(shè)計團(tuán)隊創(chuàng)新性地使用集裝箱式運動員更衣間。對舊集裝箱進(jìn)行低碳環(huán)保的功能模塊化改造，通過“快閃”模式進(jìn)場安裝，滿足賽事運行時的運動員更衣間需求。賽后，集裝箱模塊可以無痕移除，還原場館運營空間，且撤出的集裝箱模塊可作為場館的客服咨詢、休息餐飲、商品售賣等公眾服務(wù)設(shè)施使用，甚至還可以通過租賃、出售集裝箱模塊實現(xiàn)場館經(jīng)濟(jì)收益。

集裝箱更衣室?摩盒科技

北京冬奧會和冬殘奧會結(jié)束后，“冰立方”冰上運動中心將永久保留，打造為集冰上賽事、大眾健身、專業(yè)培訓(xùn)、體育旅游、冰上演出、冰壺運動推廣、冬奧文化基地等多功能的綜合冰上項目平臺，預(yù)計每年接待冰上運動愛好者超過10萬人次。為做好場館的后期運營，國家游泳中心在維護(hù)冰壺場地的同時還利用南廣場地下空間建立了兩塊冰面，一塊為標(biāo)準(zhǔn)冰場、另一塊為冰壺場地，未來將作為奧林匹克中心區(qū)冰壺項目體驗基地，為大眾提供開放的平臺，為三億人參與冰雪運動提供助力。

來源：建筑結(jié)構(gòu)