从“冰丝带”到“水立方”，从场馆结构到制冰方案，从满足赛事需要到赛后循环利用……2022北京冬奥场馆建设处处体现出科技奥运、绿色奥运的理念，也凝聚着中国科技力量。

“冰丝带”建成超大跨度索网结构

国家速滑馆“冰丝带”由22条晶莹的丝带造型曲面玻璃幕墙环绕，远观飘逸，近看宏伟。“冰丝带”的屋盖结构是超大跨度索网结构，跨度大、面积大、空间大，其建设施工与运维保障背后，中国团队贡献了重要的科技力量。

“所谓的索网结构，简单地说，就是一张由钢索编织而成的大网。这样一张大网‘扣’在了国家速滑馆的上方，形成一个马鞍形双曲面屋顶。”浙江大学建筑工程学院教授罗尧治介绍，“冰丝带”屋盖结构由49对承重索和30对稳定索编织而成，长跨198米、短跨124米，“冰丝带”也是目前世界上跨度最大的单层双向正交马鞍形索网屋面体育馆。

由于一根索网就有几吨重，只有通过合理的张拉，才能织成一张网。在索网的施工过程中，采取了“先地面拼装、再整体提升”的工序，由于场地空间限制，铺在地面等待张拉的钢索需要微微拱起。倘若没有准确的数据支撑，谁也不能轻易下令弯折动辄几吨的钢索。

“国家速滑馆屋盖跨度大、钢索多、内力协调复杂，这要求结构必须实现高精度的建造。”浙江大学建筑工程学院教授邓华介绍，团队在浙大打造了一个缩小版的“冰丝带”模型，模拟索网结构的建造全过程，并验证结构的设计性能。

浙大团队基于大量的数值仿真结果和试验测试数据，在索网的整体提升、张拉控制、施工验收和预张力监测等方面提出了系统性的方案和建议，为“冰丝带”大跨度索网屋盖结构的高精度建造提供了有力的技术支撑。

此外，团队还通过沙袋等，在张拉好的索网施加荷载。“我们在模型上吊挂不同的荷载来模拟风吹雪打的环境，验证屋顶的强度和抗形变能力。”邓华说。

为了更好摸清钢索状态，保障施工质量与安全，罗尧治团队在施工环节就安装上浙大自主开发的无线传感器，用以实时监测和力学分析，不仅在建设时发挥作用，在建成后，也依旧为“冰丝带”测量着“脉搏”与“心跳”。

“拿到数据、传输数据、处理数据，是我们开展监测分析的全过程。”浙江大学罗尧治团队成员、建筑工程学院教授许贤说，团队对速滑馆的应力、位移、加速度、温度、风压、索力六大类参数进行监测，测试点数多达千余个。

相较于传统的刚性屋面结构体系，柔性的索网屋面在满足结构功能的前提下大大减少了结构的用钢量，这样精巧的空间设计为节能环保提供了保障。

“现代空间结构技术水平是一个国家建筑科技水平的重要标志。人们不断追求更大的建筑空间，也促使我们不断研究创新，来满足工程建设的重大需求。”浙江大学建筑工程学院董石麟院士说。

“冰立方”“水立方”双轮驱动

2022年冬奥会期间，国家游泳中心“水立方”将变身“冰立方”，在泳池上搭建可拆装的冰壶赛道，承接冰壶比赛项目。

冰壶运动对冰面质量、场地环境及赛场保障有严苛的要求。国家游泳中心联合哈尔滨工业大学等组建科研团队，按照“水冰转换，双轮驱动”的策略，开展了结构、温度、湿度、照明、声学等方面的攻关和改造，实现了“冰场-泳池”复合型“双奥场馆”。

“最快可以10至20天完成装配式冰场结构的安装。”2015年以来，经过6年多的科研攻关与现场测试，哈尔滨工业大学土木工程学院教授张文元团队创造性地提出了冰水转换赛场的结构方案、设计详图、性能指标和评价体系。

张文元介绍，“水立方”变身“冰立方”分为“三步走”：首先是设计结构方案，实现在游泳池里“盖房子”;其次，将设计好的钢架构快速搭建起来，避免对泳池的损伤;最后，再将冰面快速精细调平。

“冰壶是比较‘娇气’的运动，任何微小的振动都会影响冰壶的运行轨迹。”为了保障新结构在比赛中的可靠性，哈尔滨工业大学土木工程学院副教授丁勇带领团队设计了结构安全健康监测系统，采用全面感知、智慧控制等手段，实现对冰面影响因素的全过程监控。

这个系统可以实时观测冰面结构的加速度、位移、应变、倾角等详细情况，并将数据实时传导到计算机监测系统中，方便第一时间掌握变化情况。

目前，“冰立方”结构自振频率不低于20赫兹，经过试验不会影响冰壶的运动，已在2019年全国青少年冰壶公开赛等多项赛事中成功应用。

张文元说，依托国家重点研发计划“科技冬奥”专项课题，团队已获得国家发明和实用新型专利14项，发表相关论文10余篇。

冰在阳光照射下容易融化，因此“水立方”半透明式的房顶，需要拉上一层可移动的窗帘。哈尔滨工业大学建筑学院教授陆诗亮说，为了找到合适的材料，团队反复模拟、实地试验，最终选择一种厚约0.26毫米的膜材材料，能够有效将游泳馆的高温高湿环境变成冰壶场的低温低湿环境，并降低热辐射对制冰系统运转的负荷。

值得一提的是，这层膜并非一张平整的大网，而是由几百块“小窗户”组成的。“‘水立方’的外观是水泡形结构的，设计时就临摹出每个水泡，给每块水泡的膜装上小边