承辦冰上比賽項目，是國家游泳中心“水立方”的首次。從高溫、高濕的“水立方”變成低溫、低濕的冰上項目“冰立方”，并不是將室內溫度降低到結冰那么簡單。“在不破壞原有建筑結構的基礎上，我們和北京市建筑設計院、清華大學等多家國內頂尖的建筑設計研究機構聯手，按照‘水冰轉換，雙輪驅動’的策略，開展了結構、溫度、濕度、照明、聲學等方面的攻關和改造，使‘水立方’實現‘冰場—泳池’復合型‘雙奧場館’循環利用。”參與改造項目的哈工大土木工程學院教授張文元說。
“水立方”變身“冰立方”凝聚了哈工大多個團隊的研究成果。為了在水面上安裝可拆卸冰面，張文元團隊創造性地提出了冰水轉換賽場的結構方案、設計詳圖、性能指標和評價體系；為了減少微小震動對冰壺運行軌跡的影響，土木工程學院副教授丁勇帶領團隊設計了結構安全健康監測，實現對冰面影響因素的全過程監控。而為了保證室內溫度恒定，給“水立方”頂棚安上“窗簾”的是哈工大建筑學院教授陸詩亮團隊。
中國首例 世界獨有
冰城科研團隊“水冰轉換”助力冬奧
冬奧會上，“冰立方”受到各方關注。“它的內部環境是等差溫度，身處場館的不同位置，溫度會有不同：冰面的溫度要保證在-5℃以下，提高冰的硬度來保障比賽要求；1.2米以上則使溫度控制在5℃以上；到觀眾席的位置，則要保證溫度在10℃-12℃以上，使觀眾有最佳的觀賞體驗。”陸詩亮說，我們團隊設計的天幕是保障室內環境等差恒溫的“幕后英雄”。
國家游泳中心水立方內部實景圖
“水立方”最初設計的房頂為半透明式，這樣能更好地將自然光引進館中，增加室內亮度。但是如果改成冰上項目，半透明的房頂會導致冰面溫度發生劇烈變化，影響比賽效果。“我們在棚頂中間，研究安裝一層遮擋物，將自然光線遮擋掉，通俗地說就是給它拉上一層可移動‘窗簾’。”陸詩亮說。
陸詩亮20多年一直專注于冰上體育建筑領域，從設計、生產到科研，其所在團隊在全國體育場館設計領域一直走在前頭，曾設計過大連體育中心，亞洲杯大連比賽中心，十三屆十四屆全國冬運會冰上場館等國內重大體育比賽賽場，積累了豐富的設計經驗。
水立方改造后外景圖
正是因為在冰雪體育建筑方面的成就，2019年，受冬奧組委會委托，對“水立方”進行整體環境改造，邀請到了陸詩亮團隊。“這個改造項目難度巨大，組委會對如何將游泳館高溫高濕的環境變成冰壺場低溫低濕環境精準控制沒有把握，于是邀請了我們和北京建筑設計院、清華大學等國內頂尖的多家建筑設計機構參與。”陸詩亮說，在進行改造之前，團隊首先進行了實地調研頂棚遮光問題。大家知道，“水立方”原屋頂采用的是白色ETFE膜，我們的任務就是找到一個合適的材料進行遮擋。經過團隊反復模擬，最終選擇一種厚約0.26毫米的PVC膜材，這種材料又薄又輕，美觀不突兀，既能起到遮擋作用，又能對室內溫度濕度進行調節。
材料選定了，其次就是在哪放、如何放的問題。“‘水立方’上方頂棚有6—7米高的層高，這6—7米的距離之間夾著兩層頂棚膜，中間是金屬結構。我們就是利用兩層膜之間的金屬結構空間鋪設一層遮擋物。”陸詩亮說，這層膜并不是一張平整的大網，而是由幾百塊“小窗戶”組成，需要安裝人員一塊一塊整齊精準地排列好。
實施過程對科研團隊來說也充滿挑戰。研究人員需要站在幾十米高的頂棚爬高測量、安裝測試儀器。經過半年多的努力，2021年年中該部分改造項目全部完成。經過科學監測，改造后實現制冰節能20%—30%，滿足冰上大型比賽要求。
“遮擋物安裝完畢后，真的就像給窗戶拉上了窗簾，場館的溫度明顯下降，并且有效降低熱輻射對制冰系統運轉的負荷。”陸詩亮說，這種改造模式不僅是中國首例，在世界上也是獨一無二。
一館多用 頂尖科技
“水立方”模式將推向全國
“這種改造的好處是冬奧會過后，場館還能恢復成原來的樣子，不改變原場館使用功能。”陸詩亮說，未來“水立方”將實現雙輪驅動，即既可以舉辦國際級別游泳賽事，也能夠舉辦大型冰上賽事。
一館多用，尤其是從水上項目到冰上項目的大幅度改造，這在過去是從來沒有過的。而且，2022年冬奧會每一座場館的新建、改建，都凝聚了來自全國各地科研團隊的最新科技成果。一個“水立方”改造項目，實際上凝結了目前中國最頂尖的科技成果。改造成功后，如果能把“水立方”模式加以推廣，就能讓全國體育場館受惠，迅速走上科技節能之路。
正是基于這一初衷，受科技部委托，陸詩亮團隊又和同濟大學、北京市建筑設計院聯合進行體育場館可持續運維的研究。陸詩亮先后派遣二三十名博士、碩士、博導等科研人員分別趕赴黑龍江、北京、新疆、內蒙古、福建、四川等省區市15個冰上項目場館進行數據收集工作。
科研人員在安裝表面熱電偶，用來測量增設遮陽膜后的頂棚表面溫度
研究人員在收集數據時發現，各個場館在運營時管理千差萬別。比如，有的場館將冰面溫度控制在-5℃至-7℃之間，而有的場館將溫度控制在-6℃至-9℃，不同溫度每小時耗電量是不一樣的，溫度高低直接影響冰面硬度。
“過去，場館運營管理沒有一個統一模式，管理團隊有的也不夠專業，管理模式多是粗放式的。”陸詩亮說，研究人員收集場館的幾乎所有數據，每一個場館收集的數據多達200多項，比如場館空間、高度、能耗、管理人員、運營成本、場館開閉時間等。回來后整理到數據庫中再進行提取、建模、分析等后續工作。
接下來，團隊還計劃收集10—15個場館數據，計劃在半年內全部完成數據庫建設。“經過整理人員的進一步整理歸納和研究，可以看到各個場館的運行狀況，以及其控制的主導因素，最后總結歸納成十幾個至二十幾個板塊，這些核心板塊成為控制一個體育場館的關鍵。”陸詩亮說，這些要素控制好，就能為體育場館建設提供充足的借鑒和指導。未來這些數據最后會整理成文字、策略，對外分享。
因為受制于行業壁壘、商業秘密等因素影響，體育場館數據庫建設之前無論是在國內，還是在國外都是從未進行過的。此次陸詩亮團隊通過各種方式突破行業壁壘，相當于給全國體育場館亮家底、排位次。讓那些管理不善的體育場館管理人員向高效運營場館借鑒學習。
“以哈爾濱為例，哈爾濱有許多體育運動場館，但許多場館的功能都是單一的，游泳館只能游泳，冰球館只能打冰球，如果“水立方”模式可以復制，那么就解決了體育場館單一使用功能的問題，使一個體育場館可以一館多用，而且通過大數據實現低碳環保可持續管理運營。”陸詩亮說，比如，過去制一塊冰需要2度電，而通過科學規劃管理，可能只用1度電就夠了，使管理成本大大降低。甚至在科學精準計算的前提下，還可以舉辦多種大眾冰水融合娛樂活動。
政策扶持 科學管理
加速擁抱體育產業多元化時代
20多年來，陸詩亮一直專注體育場館設計、運營，陸詩亮親眼見證了中國體育產業翻天覆地的變化，同時也看到了中國體育場館多元化時代的到來。“過去中國體育場館很少，一座城市可能只有一個體育館。設計難度也很大，因為需要滿足大跨度、大空間的設計要求，需要多專業互相配合。”陸詩亮說，不僅如此，過去中國人均體育場地僅1.05平方米左右，可以說大部分人基本沒有健身鍛煉的場所。現在上升到人均2平方米，但這個數字跟國外相比，還是太少了。跟我們鄰國日本相比，他們人均體育場地達到17平方米，是我們國家的8倍多。
在冰立方頂棚兩層鋼結構氣枕間敷設遮擋膜
陸詩亮說，最近這些年，國家大力支持體育產業發展，尤其是各地體育場館建設。如今各地體育場館建設呈高速發展的趨勢，建設數量和規模是之前的四五倍之多。“從模式到技術，再到理念，體育產業發生了巨大的變化，我們的目的就是使體育建筑真正走向民間”。陸詩亮說，以前的體育場館是高高在上的，只在專業比賽時才開放。當然，當時的考慮是運營成本高，一旦開放，支出太多，一個小時幾百幾千的費用。現在我們主張的可持續運營模式，就是盡量降低運營成本，打1個小時球，可能二三十塊運營成本就夠了。也就是說，從過去粗放型的運營管理到如今精細化、科學化運營管理，讓更多人受惠。
如今，體育場館的分類更加專業、清晰、細化。城市綜合體、專業場館和社區健身休閑場所、全民健身中心、專業足球場地等都針對不同的運動人群。“比如，過去足球場一般是足球和田徑混合，僅2021年全國各地出現了八九座專業足球場，這是過去從來沒有過的。”陸詩亮說，專業足球場對觀眾來說更加友好，觀看更清晰，感受更直觀，同時也跟國際模式接軌。
體育場館多元化不僅體現在體育場館分類更加精細，更體現在它的邊界也在無限延伸。“它可以是一個復合多元的綜合體，它既可以用于體育運動，也可以用于餐飲娛樂，甚至可以購物，滿足不同消費需求。”陸詩亮說，像網球、馬術等高端運動場地也在層出不窮，而且價格也開始親民，幾百塊錢能體驗一下。觀眾的觀賞體驗更佳、更舒適，溫濕度適宜，服務更加到位，觀眾看冰上比賽不會凍得瑟瑟發抖。
“在國家政策的大力扶持下，中國體育產業會迎來高速發展期。讓體育健身融入到每個人的生活中。”
