人工剖面賽道類場館新技術(shù)的實現(xiàn)

文/梅笑寒 張銘琦

（作者單位：梅笑寒，清華大學建筑學院；張銘琦，清華大學建筑設(shè)計研究院有限公司）

國家跳臺滑雪中心“雪如意”

北京2022年冬奧會的人工剖面賽道類場館包括國家跳臺滑雪中心、首鋼滑雪大跳臺、國家雪車雪橇中心，以及云頂滑雪公園障礙追逐、U型場地技巧、坡面障礙技巧、雪上技巧、空中技巧場地。在這些場館中產(chǎn)生的獎牌數(shù)量將占到北京2022年冬奧會獎牌總數(shù)的40%以上，我國雪上優(yōu)勢項目均屬此類。

國家跳臺滑雪中心“雪如意”位于張家口賽區(qū)，地處崇禮山區(qū)，占地約 62公頃，其競賽場館造型恰似中國傳統(tǒng)飾物“如意”，包括山上頂峰俱樂部、 山下看臺區(qū)、競賽區(qū)（HS106與HS140兩條賽道）以及綜合區(qū)等，HS140賽道垂直落差達到136.2米，場館建設(shè)施工難度極大。首鋼滑雪大跳臺“雪飛天”位于北京賽區(qū)，與首鋼工業(yè)園區(qū)改造相結(jié)合，旨在讓這座百年歷史的鋼廠回歸市民生活。國家雪車雪橇中心“雪游龍”位于延慶賽區(qū)，賽道全長1975米，垂直落差121米，設(shè)置16個角度不同、傾斜度各異的彎道，同樣具有極大的建設(shè)施工難度。

上述三座人工剖面賽道均以預先精確設(shè)定的幾何剖面形狀來控制賽道完成面，以達最佳競技效果。其辦賽精彩程度取決于賽道剖面的建造質(zhì)量，對加速、轉(zhuǎn)彎、騰空等動作的精確控制依靠對剖面曲線的設(shè)計擬合與精細建造。場館賽道或?qū)ψ匀簧襟w局部地形進行較大修整，或以人工結(jié)構(gòu)支架支撐基準面，因此在建造過程中的生態(tài)保護和場館的全季利用也是可持續(xù)發(fā)展考慮的重點。

針對上述需求，研究團隊以服務(wù)冬奧辦賽和支撐場館可持續(xù)為目標，研發(fā)了數(shù)字化設(shè)計建造運維、賽道基準面平整性檢測、噴射混凝土、觀賽熱環(huán)境保障、賽道剖面轉(zhuǎn)換、山體局部切削面生態(tài)再造、裝配式建造等技術(shù)，應(yīng)用于國家跳臺滑雪中心、首鋼滑雪大跳臺、國家雪車雪橇中心等人工剖面賽道類場館，貢獻于北京2022年冬奧會科學辦賽，并為國內(nèi)其他雪上項目場館建設(shè)提供指導和示范。

精細建造與觀賽熱環(huán)境保障

首鋼滑雪大跳臺“雪飛天”

如何將賽道曲線與場館形態(tài)結(jié)合，如何精確控制賽道曲線的建造精度，都是冬奧場館建設(shè)中需要考慮的重點。國家跳臺滑雪中心、首鋼滑雪大跳臺通過數(shù)字化設(shè)計建造技術(shù)擬合賽道剖面曲線，通過賽道基準面平整性檢測技術(shù)檢測賽道表面建設(shè)精度，同時研發(fā)觀賽熱舒適保障技術(shù)在上述兩跳臺進行測試實驗，并應(yīng)用于淶源國家跳臺滑雪科研訓練基地；國家雪車雪橇中心研發(fā)賽道噴射混凝土材料達到毫米級精度，為賽時運動員取得更好成績提供保障。

我國冬季項目的現(xiàn)狀是“冰強雪弱”，雪上項目比賽場館的設(shè)計亦是如此。北京冬奧會雪上項目場館設(shè)計建設(shè)之前，人工剖面賽道設(shè)計技術(shù)僅被少數(shù)國外企業(yè)掌控，單板大跳臺等平昌冬奧會新增項目場館設(shè)計建造國際技術(shù)標準亦不成熟。針對這一現(xiàn)狀，國家跳臺滑雪中心、首鋼滑雪大跳臺結(jié)合“如意”“飛天”等中國傳統(tǒng)元素造型，建立數(shù)字化建筑信息模型（BIM）和建造運維云平臺指導設(shè)計施工，使得符合國際標準的賽道S形曲線與我國文化元素巧妙結(jié)合。同時，通過上述場館建造，我國首次掌握符合國際標準的跳臺設(shè)計方法與建造技術(shù)，并應(yīng)用于淶源國家跳臺滑雪科研訓練基地，為國家集訓隊的訓練備戰(zhàn)提供符合奧運標準的賽道，未來更可為我國建設(shè)同類場館提供技術(shù)指導。

國家跳臺滑雪中心和首鋼滑雪大跳臺均采用人工結(jié)構(gòu)支撐基準面，后加堆雪完成賽道表面鋪設(shè)，因此其基準面與表面的平整性對于賽道的建造精度和運動員高水平發(fā)揮具有重要意義。往屆冬奧會跳臺多采用定點檢測的方式驗核賽道精度，較少連續(xù)檢測表面平整性。基于此，研究團隊研發(fā)了具有鋪層表面平整度智能分析評定功能的智能檢測車，可快速完成賽道基準面與表面平整性、線形的檢測與評定，精度達到厘米級。并基于北斗定位系統(tǒng)和5G傳輸技術(shù)，在國家跳臺滑雪中心、首鋼滑雪大跳臺、淶源國家跳臺滑雪科訓基地獲取了賽道線型與賽道雪面平整性數(shù)據(jù)，衛(wèi)星記錄數(shù)據(jù)信息達6000余次，測試效果良好，數(shù)據(jù)準確可靠。

國家雪車雪橇中心“雪游龍”

國家雪車雪橇中心是世界第17條、亞洲第3條、中國第1條雪車雪橇賽道。國家雪車雪橇中心賽道整體為空間扭曲雙曲面板殼結(jié)構(gòu)，賽道全長1975米，垂直落差121米，16個彎道角度不同、傾斜度各異，其中第11個彎道為360度回旋，施工難度極大。賽道建設(shè)前，國內(nèi)并無用于主體結(jié)構(gòu)的噴射混凝土，已有技術(shù)和材料難以達到表面平整誤差毫米級的控制要求。針對這一現(xiàn)狀，國家雪車雪橇中心創(chuàng)新研發(fā)了賽道噴射混凝土材料，該材料具有高密實度、良好的泵送性能、粘聚性能、易抹面性能等，同時耐久性良好，抗凍等級可達到F500。同時研發(fā)了曲面噴射混凝土賽道毫米級精度成型技術(shù)，成功打破國外對賽道施工技術(shù)的壟斷，幫助國家雪車雪橇中心成為國內(nèi)首條符合奧運競賽標準的雪車雪橇專業(yè)賽道。

冬奧會雪上項目多在室外場館舉行，往屆冬奧會也曾因觀賽區(qū)熱舒適度不足而受到爭議，因此觀眾觀賽的熱環(huán)境保障也是本屆冬奧會人工剖面賽道類場館設(shè)計建設(shè)的重點關(guān)注之一。通過實驗室測試及在國家跳臺滑雪中心、首鋼滑雪大跳臺等場館進行實地測試，研發(fā)了與場館站席、座席和服裝整體相結(jié)合的觀賽人員熱舒適提升措施。結(jié)合被試主觀評價，在溫度為-15℃、濕度為60%RH的低溫環(huán)境中，觀賽熱環(huán)境保障技術(shù)對于人體全身熱感覺的提升幅度可達約50%，且后續(xù)的動態(tài)交替加熱模式可以實現(xiàn)維持人員熱感覺在可接受溫度范圍內(nèi)，提升觀眾觀賽舒適度，同時兼顧能源節(jié)約。

全季利用與生態(tài)保護

除了保障場館在賽時的利用，奧運場館的可持續(xù)也是設(shè)計關(guān)注的重點。如何使冬奧場館在賽后得到有效利用，如何在施工過程中兼顧生態(tài)保護、減少碳排放，都是通過冬奧建設(shè)幫助該地區(qū)長期可持續(xù)發(fā)展所要考慮的內(nèi)容。首鋼滑雪大跳臺研發(fā)賽道剖面轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)兩個項目的賽道共享，國家跳臺滑雪中心運用山體局部切削面生態(tài)再造技術(shù)減少對山地敏感生態(tài)環(huán)境的干預，兩跳臺均采用裝配式建造技術(shù)減少材料用量，提高建設(shè)效率，有效減少建筑物化階段碳排放。

首鋼滑雪大跳臺是我國首座結(jié)合工業(yè)遺產(chǎn)再利用的冬奧會場館，也是首個滑雪大跳臺的永久性競賽設(shè)施。其賽后利用不僅關(guān)系到冬奧場館自身的可持續(xù)性，也對促進京西地區(qū)發(fā)展、延續(xù)首鋼園區(qū)工業(yè)記憶具有重要意義。首鋼滑雪大跳臺創(chuàng)造性地提出單板大跳臺（Big Air）與空中技巧（Aerials）比賽賽道共享的設(shè)計思路，并研發(fā)一種正四面體模塊及連接節(jié)點，完成世界首例跳臺賽道剖面轉(zhuǎn)換。賽時，首鋼滑雪大跳臺將舉辦北京2022年冬奧會中的單板滑雪項目；賽后，跳臺自身可轉(zhuǎn)換為空中技巧項目賽道，整個園區(qū)也將作為冬季奧林匹克體育主題公園向公眾開放，從而有效減少建設(shè)量，為該區(qū)域帶來可預見的經(jīng)濟效益與社會效益。

國家跳臺滑雪中心地處崇禮山區(qū)，生態(tài)敏感度高，往屆冬奧會也曾因選址山地而在生態(tài)可持續(xù)方面受到爭議。為減少對山地生態(tài)環(huán)境的負面影響，國家跳臺滑雪中心賽道從山體表面架起，保護地表徑流及植被超過10000平方米。其高陡邊坡開挖工程采用精細爆破成型優(yōu)化技術(shù)，突破了施工環(huán)境復雜、工期緊、成本高等難題，在崇禮地區(qū)因嚴寒氣候條件每年施工期僅有6個月的情況下，節(jié)省工期1/3。同時，該技術(shù)實現(xiàn)了局部山體切削面的成型與保護，有效控制了爆破震動對巖體的破壞和周邊環(huán)境的影響。爆后巖石塊度均勻，保障了冬奧賽區(qū)生態(tài)再造格賓支護體系的建設(shè)，使得本地原有巖體利用率達到90%，取得了顯著的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益。

山體局部切削面生態(tài)再造效果

在建造過程中盡量減少碳排放是冬奧場館回應(yīng)可持續(xù)發(fā)展目標的重要措施之一，北京冬奧會的人工剖面賽道類場館也不例外。為應(yīng)對山地地形復雜、氣候寒冷、施工周期短的特點，國家跳臺滑雪中心多處采用裝配式結(jié)構(gòu)。通過建筑信息化等手段，形成跳臺出發(fā)區(qū)、裁判塔、看臺等建（構(gòu)）筑物的預制裝配式建筑信息化技術(shù)體系，并結(jié)合云平臺進行一體化管理，實現(xiàn)了冬奧場館裝配式臨時建筑設(shè)施的高效率、高質(zhì)量安全建造，減少山地現(xiàn)場施工作業(yè)的工程量并減少建筑垃圾產(chǎn)生。

首鋼滑雪大跳臺主體結(jié)構(gòu)采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系，研發(fā)了大部件模塊化分段制作與安裝、空間異形鋼結(jié)構(gòu)精密測控等技術(shù)，在保障跳臺施工精度的同時實現(xiàn)了高效裝配化，300天完成整個場館建設(shè)，使首鋼滑雪大跳臺成為北京2022年冬奧會第一座竣工并投入使用的競賽場館。同時設(shè)計選用高強度鋼、耐候鋼以減少材料用量，有效減少碳排放。

以國家跳臺滑雪中心、首鋼滑雪大跳臺、國家雪車雪橇中心為代表的北京冬奧會人工剖面賽道類場館，研發(fā)新型噴射混凝土材料，采用數(shù)字化設(shè)計建造技術(shù)、賽道基準面平整性檢測技術(shù)、觀賽環(huán)境熱舒適保障技術(shù)等，保障場館賽道的精細建造與觀賽舒適；研發(fā)賽道剖面轉(zhuǎn)換技術(shù)、山體局部切削面生態(tài)再造技術(shù)，采用裝配式建造技術(shù)等，貢獻于場館賽道的全季利用與建設(shè)區(qū)域的生態(tài)保護。場館的精細設(shè)計建造、賽后利用與生態(tài)保護，既是北京冬奧會的辦賽要求，也是奧林匹克運動可持續(xù)發(fā)展的訴求，人工剖面賽道類場館通過上述設(shè)計策略及相關(guān)技術(shù)研發(fā)，以期回應(yīng)科學辦賽理念，貢獻于北京冬奧會的成功舉辦。