由水到冰，水立方“變形記”

剛剛過去的元旦，對于所有忙于冬奧會的人來說，這是一個重要的日子：北京冬奧會的所有場館将于2020年12月31日全部完工。

國家遊泳中心（水立方）是第一個完工的場地，也是世界上第一個使用智能技術建立遊泳池改造溜冰場的場地。現在，它有了一個新名字，冰立方。

時間可以追溯到2015年7月31日，當時2022年冬季奧運會将主辦北京。按照計劃，水立方将改造成一個"冰立方"來舉辦冰壺比賽——在中國最著名的場地，晶瑩剔透的藍色薄膜結構，招待來自世界各地的遊客，一切似乎都很完美。

出乎意料的是，這個先入為主的決定讓水立方的命運陷入了兩難境地：冬奧會冰壺比賽一直被當機在混凝土結構上，如果舉辦在水立方體上，隻能完全放棄原有的功能，在池中澆築混凝土。

結果，水立方體将不再有"水"。

一邊是中國人民的重要奧運遺産之一，有着特殊的情結，是"世界最快的遊泳池"，創造了24項世界紀錄，另一方面是冰壺場館的嚴格标準，國際奧委會的嚴格控制和"科技冬奧會，綠色冬奧會"的莊嚴承諾。

水還是冰，夏天還是冬天——這個艱難的選擇命題，擺在冬奧代表隊面前。

水立方從這裡走向何方？

"沒有水，就沒有靈魂。"

放棄遊泳池，北京國有企業國家遊泳中心總經理楊啟勇是最不可接受的。

自2004年以來，他一直在水立方工作。當時，水立方還是一塊空地，中軸線西側的"藍色地标"依然停留在剛剛赢得體育場設計的圖紙上。從一名現場工程師開始，楊啟勇經曆了場館的崛起，2008年奧運會賽事，随後是上千個日日夜夜的場館營運，無數人前來。迄今為止，Water Cube已經接待了2700萬遊客，并舉辦了1，600多場活動。

加入冬奧申辦，這個場館獨特的氣質和影響力得到了國際冬奧會和國際冰壺組織的一緻喜愛。"申辦團隊問我們打冰壺是否可以，我們在網上看了視訊，覺得冰壺、速度滑冰、冰壺運動不是太大的運動範圍，應該比較放松。楊啟勇回憶道。

現實情況卻大相徑庭。經過接手決心，我們意識到原來冰壺比賽是一個極其難以咀嚼的"硬骨頭"，場地的技術要求非常高，需要一個堅實的混凝土基礎。

這也是國際冰壺組織的明确要求。2015年底，國際冰壺組織首次通路水立方，要求将混凝土倒入遊泳池。

一旦倒入，遊泳池就會被遺棄，這意味着放棄水立方的夏季奧運會特色。

在設計總負責人、北京建築設計院副總廚鄭芳的旁白中，各種不願具體化。

"郭靖靜等人在那裡拿了金牌。他指着遠處的十米平台，"中國跳水'夢之隊'拿下了除男子10米跳台之外的所有金牌。"

遊泳池的榮耀就像昨天一樣。"2008年，運動員在這個池子裡創造了21項世界紀錄24次。菲爾普斯僅赢得了八枚金牌。"眼睛轉向另一邊，"有一個水上樂園，孩子們特别喜歡博物館甚至有一個嬰兒遊泳池。

"水是這座建築的靈魂，"鄭一再說。每個人都來這裡遊泳和玩水。你看看上面屋頂上的氣泡，多邊形的空氣枕像水分子一樣包裹着房子的鋼結構。内部和外部，從結構到功能，一切都與水有關。沒有水，房子就沒有靈魂。"

十年來，國際遊泳和跳水比賽每年都如期舉行，"當觀衆來的時候，電視就播了起來。"楊啟勇說。

除了"情感上難以接受"之外，他還有一個真正的"經濟賬戶"：水立方體占總收入的三分之一，基于夏季奧運會的光環和吸引力以及對奧運遺産的熱愛，在全國首屈一指。一旦軌道被破壞，背景裝置和機器将被棄用，代價高昂。

沒有其他方法可以澆築混凝土。每個人的不滿和沖突的準備時間流逝。

楊啟勇知道，等不及"死"了，要拯救遊泳池！

在2016年初，沖突已經存在。兩個并肩作戰多年的老朋友在遊泳池邊徘徊。與此同時，一個大膽的想法閃現了：你能在夏天遊泳，在冬天滑冰，把水立方變成兩栖艦艇嗎？

"水冰轉換"是奧運史上史無前例的做法，為破土動工提供了希望。

"難"冰

顧名思義，"水冰轉換"是在保留水功能的基礎上，實作水立方和"冰塊"的互換。

這不是飛行仙女的想法。憑借多年的施工經驗，結構工程師楊啟勇有信心在遊泳池中鋪設可拆卸的穩定支撐結構。

但是當你走到冰面上時，就沒有底部了。

在此之前，世界上隻有一個日本遊泳池在1990年代在遊泳池上鋪設了簡單的冰塊用于滑冰和娛樂，但普通滑冰和奧林匹克級冰壺比賽的娛樂性質，轉變就像雲和泥一樣困難。更令人沮喪的是，國内對冰性能的研究仍然是空白的。

冰壺比賽的"冰"是衆所周知的。

如果你曾經接觸過賽道，你會驚訝地發現它不是一個平坦，光滑的冰面，而是一塊微小的顆粒，所有顆粒的大小和不均勻度相同，共同構成了溜冰場的一半左右。冰壺在冰點處的"鵝卵石路"上快速滑行。

長45米，寬4.75米，整個厚度為4~5厘米的冰塊，其實就像一塊"切蛋糕"，制冰機按順序鋪設每一層。從底部冰到制冷管道，再到比賽冰，每塊冰，國際頂級制冰機通常需要大約10個工作日，用細水管處理純淨水數百次倒在上面，細平，噴出水霧，形成凝固點。

冰壺賽道也不是永恒的水準冰面，随着冰壺在賽道上繼續滑動，造冰機的反複冰修複，甚至室内環境的一些變化，賽道表面發生了微妙的變化。

用鄭方的話說，冰很"敏感"。

冰壺比賽要求場地濕度在30攝氏度以下，冰溫在零下8攝氏度左右，冰塊1米以上的空氣溫度在10攝氏度以内，博物館的溫度在16攝氏度以内，這些資料會直接影響冰壺和冰之間的摩擦系數。冰壺館裡到處都是燈光、錄影機和各種各樣的觀衆，他們會産生大量的熱量，并對冰層産生影響。總之，空氣溫度、濕度、氣流場分布等矩都會影響軌道的品質。

是以，在水立方中開展冰壺比賽，不僅"冰凍出标準冰"，體育場内的溫度、濕度、通風、節能等都面臨着全面的轉變。

中國項目的"不确定未來"

2016年4月，國際冰壺聯合會在瑞士巴塞爾主辦了世界男子冰壺錦标賽，邀請楊啟勇和鄭芳參觀比賽，并學習經驗。楊啟勇知道，"短兵相約"的時機已經到來。他們将水立方"水冰轉換"計劃帶到了巴塞爾。

一進門，還沒有送出提案，世界冰壺聯合會的技術代表首先給出了一頁，書上29項技術标準。這是楊啟勇和鄭芳第一次看到冰壺的世界标準，也是他們第一次意識到情況的嚴重性：相比之下，水立方幾乎不盡如人意。

第5條甚至明确指出，世界冰壺聯合會更喜歡使用具體的基層，其他選擇應尋求準許。

混凝土底座是傳統和安全的。"水冰轉換"方案設想在原來的泳池賽道上建造一個标準的冰壺場地，方法是建造一個可轉換的結構并安裝一個可拆卸的冰系統。一旦在冬季，結構被拆除，遊泳池傳回。

沒有人知道體育場創新用途的"中國計劃"是什麼。

"你隻能進去，你不能退縮，别無選擇。楊啟勇形容當時的心情，"我們拒絕澆水的具體方案，希望給機會做水冰轉化實驗。如果不能達到所有标準，則給予無條件服從。"

軍令發出，水立方暫時"逃脫了搶劫"。

"冰水兩天"

作為2008年北京奧運會的主要水上運動比賽場地，水立方總建築面積為65000~8萬平方米，地下部分建築面積不少于15000平方米，設有多個遊泳池、平台和一個占地一半的戲水公園。

從高溫高濕的泳池環境，到低溫、幹冰場的環境，可謂"冰水兩天"，其技術難度和工程複雜度遠超想象。

建構改造結構是轉型的首要問題，注重快速、穩定、高精度。

冰壺比賽對冰面的平整度要求非常高，每平方米在重量為150公斤的情況下，冰變形不能超過1毫米，據助冰師張金泉介紹："我們開發了定制可拆卸鋼結構作為冰下主體結構，為冰壺回路提供堅實的結構支撐。"

賽道下方是鋼結構支撐系統，其次是10厘米輕質混凝土預制闆和兩層5厘米隔熱層，其次是PE防潮隔離層和無紡布層，在7厘米的冰管和蜂窩支撐下，才是運動員接觸到的真正冰面。

作為最終冰面的基礎，混凝土闆兩米以内的高度差不能大于3毫米，全高差不能大于6毫米，這是裝配結構安裝誤差的極限。

在改造中，很多原本引以為傲的設計，此刻已經成為一個亟待解決的問題。例如，引人注目的"藍色氣泡立面"。

水立方的藍膜結構是光和透光，但對于"嬌小"的冰面，早晚的陽光是不友好的。據進階技術經理石玉橋介紹，他們在膜結構下覆寫了一層PVC，以水立方"拉開帷幕"，避免陽光對冰的沖擊。黑色薄膜也可以移除，直到水立方切換到夏季模式。

冰壺運動被稱為"咆哮運動"，冰壺運動員在沒有揚聲器裝置的情況下比賽，全靠喊叫，對于場地的聲音環境要求非常高，為此，團隊進行了五次模拟噪聲實驗，以達到1.8秒的混響效果。

技術專家共同努力打破僵局。

2019年，科技部會同北京、河北、北京冬奧組委，将與教育部、工業和資訊化部、國家體育總局等部門共同組建"科技型冬奧會"上司小組，協調設計冬奧會科技重點任務， 為北京冬奧會和冬殘奧會提供科技支撐。

清華大學、哈爾濱工業大學、同濟大學、中國建設局、商塘科技等志願者加入東北農業大學，包括國内頂尖科研力量齊聚一堂，在科技部的部署下，緻力于冰的内部性能和外部沖擊研究尋求突破。

其中一些，其中一些研究極地冰川，一些研究海洋冰對鑽井平台的影響，一些專門研究熱力學，研究低溫空調，是運動冰研究"掃球"。

從某種程度上說，他們正在為國内運動冰研究"開辟道路"。

在楊啟勇看來，這當然是出于體育場館建設的需要，而是延伸了更長的價值。

冰壺作為一種進口，原本在奧運榮耀戰略中，因為它更适合亞洲人參加，為了擴大中國的冰雪項目金牌而引入。十多年來，漲潮一直在那裡，平坦的山谷更多。由于該國沒有對冰的系統研究，是以沒有人向運動員提供基本和必要的冰資訊。在世界頂級賽事中，冰面的微妙變化會影響關鍵時刻的戰術選擇，而中國運動員則在"讀冰"方面表現薄弱。

相比之下，老強隊積累了很多曆史經驗，能看懂冰面做出更好的判斷。由于缺乏研究資訊，國内運動員遙不可及。

通過開創性的冰研究，一方面解決标準不均勻、冰面不完善的問題，另一方面，也可以積累資料和經驗。"如果一個運動員能夠知道當一場比賽進入第五局時，冰上會發生什麼，他絕對可以在他腦海中龐大的計算系統中選擇更好的政策。楊啟勇說，"我們投入了大量的精力進行研究，轉過身來給他們資料，成為競争對手的'幫手'。"

此外，中國難得一見的職業——高水準制冰者，也可以在這個過程中成長起來，為中國未來的制冰工作提供了"模範工作模式"。

用"聰明的大腦"來指導過渡

2019年底，水立方近60天來首次成功完成"水冰轉化"。2020年12月，第二次"水冰改造"結構順利完成，僅用十天時間就實作了"科技型冬季奧運會"重點專項目标。

大大加速的"水到冰"的背後，是智能化改造的加入。

據了解，二次改造由2600塊薄壁H型鋼和1570塊輕質混凝土預制闆組成的轉換結構，每塊（塊）鋼梁和混凝土預制闆都有自己的"數字身份"，在轉換施工中，可以準确、高效地複位每個構件。在施工過程中，通過将動作捕捉技術與施工測量技術相結合，大大提高了安裝精度。

"冰壺賽道非常平坦。去年，對混凝土闆進行了調整，勞工每平一塊闆，都要涉及八塊闆，測量非常耗時。現在配備10個高精度傳感器，實時反映高差異變化，一次調平到位。楊啟勇表示，該技術将更加成熟，"水冰轉化"也可以有效。

傳統場館變得"智能"

變化不僅發生在遊泳池中，水立方體變成了冰塊，傳統場地變成了真正智能的場地。

楊啟勇表示，"水冰轉換"要求場地背景的機械裝置、控制系統能夠随着場地功能的需要而變化，在此期間還要承接商業活動。這對智能裝置水準乃至物業管理水準提出了巨大挑戰。

為確定"冰立方"的室内環境條件符合冰壺比賽的要求，場館建立了由4000多個傳感器主導的樓宇裝置管理系統，可以監測和控制溫度、濕度、PM2.5濃度等方面的變化。在這個系統的精确控制下，冰壺賽道的冰溫達到了零下8.5攝氏度的要求，冰1.5米的高溫一直保持在10攝氏度，看台觀衆區的溫度恒定在16到18攝氏度，真正做到"同一房間不同的日子"。

在圍繞溜冰場的觀衆平台下方，您可以看到一條直徑1米的藍色"布袋"條。這種"布管"是一種除濕空氣輸送系統，除濕系統處理的低溫低濕度空氣通過它，被均勻地吹過現場。

地下，隐藏在一個60平方米的控制室裡，牆面屏是水立方智能樓宇營運管理平台，實時顯示制冰系統、除濕系統、能源系統、票務系統等操作場地裝置系統智能控制。視覺能量控制還可以有效地控制場館的能耗和碳排放。

石玉橋說，到冬奧會期間，觀衆将能夠通過人臉識别進出場館，并順利走過新的四個智能引導螢幕。

"我們不是在賭博。

回想一下"幻想"方案，硬碰硬的測試，到第一次測試成功，"政策基本認可"，達到冬奧标準"運動員無怨言"。"我們不是在賭博。一路上，楊啟勇說，"'水冰轉化'從現實的角度來看，離不開中國科技力量的支撐。現在，我們不僅完成了曾經"不可能"的任務，而且将來會更加精彩。"

2020年11月27日，水立方冰壺場地的翻新工程順利完成。完成了第二次"水冰轉換"的冰壺場地正在向公衆開放，同時場地的冰和電氣和機械系統的運作仍在繼續進行測試和調試。

在鄭芳看來，如果在2008年我們通過"設計場館"來展示科技創新的成果，那麼在2022年，我們将用"場館改造"繼續書寫這個中國科技創新的故事。

他記得，2018年9月，國際奧委會副會長兼北京冬奧會協調委員會主席小薩馬蘭奇來到水立方，為水立方的改造做動畫，興高采烈地看着，說："北京正在以一種聰明的方式舉辦奧運會。

現在，他們已經兌現了自己的承諾。

2022年2月，多達4，600名觀衆将坐在冰立方中，這是一個美麗的曲線，将在2008年夏天延續水立方的榮耀。

來源：科學日報