2022年2月4日，北京2022年冬奧會開幕式上，奧運之火在主火炬“大雪花”中心燃起。随後，位于國家體育場（奧林匹克中心區）及北京延慶賽區、河北張家口賽區的火炬台被依次點燃，将持續燃燒至本屆冬奧會和冬殘奧會結束，并将成為三地的永久性雕塑。
北京2022年冬奧會火炬台夜景。清華大學美術學院供圖
96片“小雪花”組成“大雪花”，橄榄枝周圍環繞着“銀絲帶”，“大雪花”和“銀絲帶”之間非勻速雙向同心旋轉……火炬台的設計成為此次冬奧會的亮點之一。據悉，三個賽區的火炬台均由清華大學美術學院黨委書記、教授馬賽帶隊設計。
靈動飄逸的造型背後，是藝術與科技的融合。“不僅是一個美學上的藝術品，更接近一項多學科交叉的工程。”馬賽介紹，整個裝置的研制過程充分展現了藝術、設計、美學與機械結構的交叉融合。
結構穩定性成最大挑戰
2020年11月末，接到冬奧會開閉幕式團隊的設計邀請，馬賽立即組織工業設計系、雕塑系的教師以及10多名博士生、碩士生成立了設計團隊。
馬賽告訴記者，出于保密要求，張藝謀導演起初隻簡單介紹了國際奧委會通過的主火炬的核心元素是直徑10米的圓形薄片，希望美院團隊能夠從設計的角度賦予該核心圖形更多的藝術美感，同時在滿足功能、安全的前提下，實作核心圖形更多精妙、複雜的運動。
最初的方案設計中，更多是靠“想象”。“如果核心元素不清楚的話，其他元素就很難确定和展開。”在回來的路上，馬賽和團隊成員就在反複讨論，這個“圓形薄片”到底是啥？多次分析、讨論之後，團隊猜想到，“大機率是雪花”。是以，團隊後來的設計都圍繞雪花展開。
清華美院教授馬賽帶領團隊用快遞捆紮帶模拟火炬台支撐結構。清華大學美術學院供圖
他們随手拿起工作室裡的CD光牒來模拟這個“圓形薄片”，用快遞捆紮帶來模拟支撐結構。馬賽發現，當尺度超過一定的比例，就不僅僅是美學的問題，而是演變為工程方面的問題，直徑長達10米的薄片在空中轉動，其自身的重量就會讓其彎曲，并且隻有一個支點落地，“就像跳芭蕾舞一樣，人體所有重量全部都落在腳尖上，腳尖上的受力是非常大的。”
此外，還要滿足三地抵禦嚴寒、強風等不利的氣候條件，是以保證支撐強度和穩定性成為一大挑戰。同時，這些支撐結構體量不能過粗過大，在造型上要與核心元素相得益彰，不能喧賓奪主，這更為設計增加了難度。
“設計火炬台不單單是藝術造型的問題，還有結構、瓦斯功能、運動等多方面需要考慮，當體量超出一定的尺度就演變為工程問題。”馬賽說。是以，美術學院團隊邀請了清華大學機械系、土木工程系教授團隊通力合作。在一次次讨論後，綜合考慮風載、雪壓以及自重等因素，針對旋轉運動支撐結構提出以上下兩點支撐的方式，将上下橄榄枝條中的葉子與枝條搭接，構成雙支撐結構，有效地提高了橄榄枝支撐點的強度。
“我們請土木系、機械系的老師來測試，考慮材料、重量、厚度等因素，用計算機來模拟測算不同風力下火炬台的受力情況。在這些資料下，我們把點位進行了加強。”馬賽說。
為了貼近冰雪語言，馬賽将支撐結構設計成為流動起伏的“銀絲帶”形态。“這是對冬奧會衆多賽事項目速度、激情、節奏、躍動等特征的抽象表達。”“銀絲帶”與底盤相接處，設計了三個支撐點，保證結構的穩定性；團隊提出了“同心雙向旋轉”的設計方案，并通過動畫演繹了燈光效果和旋轉效果。
在草拟多個模型後，馬賽從中篩選了5個并送出給導演組。2021年3月份，團隊得知，其中一個最為“靠譜”的方案在激烈的競争中勝出。
火炬台施工過程中。清華大學美術學院供圖
借助仿真實驗确定小雪花排列方式
仔細觀察火炬台，大雪花由 96片小雪花組成，每一片小雪花上，都鑲嵌着一個參賽國的名稱。據悉，以代表每個參賽國的小雪花與四周橄榄枝拼合成大雪花的構想由張藝謀導演提出，以此展現奧林匹克更快、更高、更強、更團結的精神。
清華美院馬賽教授團隊承擔了北京2022年冬奧會三大賽區火炬台設計。清華大學美術學院供圖
雖然這一構想是确定的，但是由于參賽國的數量一開始無法确定，小雪花如何排布？如何與橄榄枝進行連接配接？如何保證強度又能減小風阻？這些問題都極具挑戰性。
馬賽告訴記者，雪花與雪花之間一定要有某種結構進行連接配接，而這個連接配接點如果特别顯眼又并不美觀，“怎麼能夠把這些小雪花和諧地排布在一起？我們反複讨論。”
記者從清華大學美術學院了解到，團隊在推敲橄榄枝藝術造型的同時，還需要考慮其結構的強度與迎風面積等問題，通過有限元分析以及拓撲優化等方式提出了多個結構上較為合理的創意圖案，并針對這些圖案進行計算分析得出可能采用的材質、整個火炬的重量以及結構的合理分布。
最終，結合多項仿真模拟實驗資料，馬賽團隊建議，小雪花的形狀統一成六邊形，排布采取蜂窩狀的穩定結構，這樣一來，無需任何其他外部結構介入，小雪花之間就可以實作緊密連接配接。而且，小雪花中間空出來的形狀也正好是一朵雪花的形狀。
“不但實作了藝術造型與工程結構的完美融合，還充分展現了各個國家緊密聯系在一起的寓意。”馬賽說。
地面以下隐藏機械傳送系統
在奧林匹克中心區火炬台直徑約20米的底座台面上，是總高約11米的“銀絲帶”和橄榄枝大雪花圖形。然而這隻是地面以上大家能夠看到的部分。
要實作橄榄枝大雪花和“銀絲帶”的同心雙向旋轉，在地面之下，還有一套複雜的機械傳動系統。“一個是順時針轉動，一個是逆時針轉動，兩個轉動方向是交錯的。雪花的軸底下有電機，絲帶坐落的底盤下也有電機，兩套電機是獨立的。”
此外，火炬台要一直燃燒，要靠氫氣燃料輸送。“遠端有一個控制室，地下鋪設有氫氣管線，一直延伸到火炬台底盤下方，保證火炬能夠持續燃燒。同時，這也為檢修裝置人員留了空間。”
在材料選用上，考慮到大衆對冬奧冰雪的感覺體驗以及主火炬塔将在三地永久保留等多方面的因素，團隊對與材質感官緊密相關的色澤、質感進行大量的材質表面實驗，最終選擇了不鏽鋼材質，并運用8K抛光工藝。
“不鏽鋼材料在強度、抗風雨腐蝕方面比較有優勢，同時可以做出我們想要的冰雪那種晶瑩剔透的感覺，能夠把周圍景物都映射進去，不鏽鋼材料本身很重，但是抛光的鏡面質感在光線下能夠産生失重的輕盈感，是很合适的一種材料。”馬賽說。
在2008年北京奧運會開幕式上，2008人擊缶而歌，這一震撼場面讓很多人印象深刻。而當年，馬賽作為青年教師參與了北京夏季奧運會開閉幕式的設計，和團隊一起完成了開幕式上“缶”“龍柱”等演出道具的設計。
時隔14年，馬賽教授帶領美術學院設計團隊與清華大學機械系、土木工程系教授團隊通力合作，完成了此次北京2022年冬奧會場外火炬台設計。
“與2008年相比，北京冬奧會同樣呈現了中國傳統元素，但更強調對冰雪運動本身的诠釋，展現科技簡約，綠色環保，這次參與奧運會設計工作，心态上相對放松，對奧運精神的領悟也更加深入，更為純粹。”馬賽說。
采寫 新京報記者 馮琪 編輯 巫慧 校對 付春愔