郑方：国家速滑馆“冰丝带”设计解读

城市设计联盟 2023-06-02

The following article is from AT建筑技艺 Author 郑方

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国家速滑馆是一个关于“速度”的设计，建筑师将“冰”和“速度”相结合，形成“冰丝带”的概念。奥林匹克公园内，冰丝带和鸟巢、水立方交相辉映，成为冬夏两个奥运的地标场馆。速滑馆集成了通用建筑空间、超大跨结构、自由曲面幕墙、冰场节能等创新技术，为北京冬奥会赛时赛后的可持续运营提供保障。

▲从奥林西路步行桥望向速滑馆

01 设计概念

国家速滑馆的设计概念始于建筑内部的功能需求，比赛所需的400m环形冰场决定了比赛大厅的尺度。设计之初，首先紧贴400m大道冰场的技术环道连续布置看台，使观众最大可能地靠近冰场；然后使用椭圆碗状的表面切割成12000座的容量。看台顶端边缘沿椭圆平面形成一条起伏连贯的空间曲线，作为屋面的外边界；吊顶中心点设定为距离冰面约20m，以有效控制大厅体积。看台顶部空间曲线和中心低点自然契合，形成了马鞍形双曲面屋顶的初始几何逻辑，将比赛场地完全包裹。这种从内到外的设计形成了速滑馆简洁、有力的形象。

▲总平面图

▲场地和看台的初始概念

▲设计概念

设计任务书中计划设置一个作为训练冰场和多功能厅的副厅，只需考虑少量座席。副厅尺度适中，运营成本也远低于比赛大厅，适合举办各类中小型活动，与比赛大厅功能互补。因为赛时功能并不需要副厅，所以考虑将冬奥会临时看台拆除后的空间用于副厅，作为赛时赛后场景转换的核心策略。一方面，临时看台拆除之后的大跨度空间不仅与副厅的尺度相当，而且可以提供多样化的商业运营契机；另一方面，在保持建筑体积完整性的基础上，有效控制赛时建筑规模，节省投资。建筑设计为通用空间，用以适应日益多样化的城市公共生活。通过屋顶双曲面的复杂找形和精确计算，降低比赛大厅的容积，为单层索网结构提供了高效的垂跨比和拱跨比，展现了动感的建筑效果。

▲临时看台和副厅的场景转换

▲从奥林匹克塔望向速滑馆©赵强

02 赛时赛后运营

借鉴2008年奥运会经验，设计立足于赛后永久设施，以临时设施应对赛时需求。根据赛后运营需求，计划永久的场地、更衣室、观众服务空间及机电系统；采用临时看台、临时办公区、室外综合区等临时设施，应对奥运会庞大、多变的临时需求。赛时场地分为西侧的前院区和东侧的后院区两大部分。场馆内的前后院区都是封闭区域，所有人员只能通过安检进入场馆。在冬奥会期间，场地内不提供为观众服务的停车场。观众主要通过地铁8号线等公共交通到达国家速滑馆，在西广场安检验票后观看比赛。场地西南侧预留奥运会赛时公交专线车场。后院位于东侧，靠近奥林西路，是一个封闭管理的安全区域，为运动员及随队贵宾、电视转播、媒体、技术员等持证人员提供集散空间、管理和运营设施、仓储等必要服务，包括室内空间和室外场院。奥运会期间，后院人群的使用面积需求远远高于赛后日常运营的需求。因此，设计详细区分了这些空间的状况，将所有功能房间划分为永久用房和临时用房两大类，临时用房搭建于停车场和观众前院等位置。

▲运营策略

从2008年奥运场馆赛后运营情况来看，建筑空间和衍生功能的多样性远超预期。以水立方为例，除了游泳、跳水、花样游泳的比赛、训练和健身外，场馆用于演出、大型活动和商业娱乐的适应性非常广泛，从国事活动到学术论坛，从世界锦标赛到婴儿游泳训练，通用的空间框架为赛后运营提供了高度灵活的技术条件。速滑馆的比赛大厅是奥林匹克公园内最大的室内空间，与鸟巢的室外体育场、国家体育馆的体操/冰球场地、水立方的游泳/冰壶场地、国家会议中心的会展空间形成良好的运营互补。速滑大道的内场通常设置两块标准的冰球场地，用于日常冰上训练。2010年温哥华冬奥会的列治文奧林匹克速滑馆在赛后改造为社区运动中心，设有冰球场、跑道、篮球场等。2002年盐湖城冬奥会速滑馆在速滑场地外围设置田径跑道。国家速滑馆的场地条件除了满足这些类似的功能，还考虑内场全部制冰覆盖，形成一个无阻碍的11500㎡的大型冰面，不仅为日常大规模的公众冰上健身提供场地，也为赛后的商业演出预留了超乎想象的空间。

▲相约北京测试活动速滑比赛

▲运动员区的下沉庭院©金卫钧

从以往的经验来看，体育馆屋面的吊挂承重荷载经常会限制演出设施的布局。为此，按照5个不同的屋顶区域考虑屋面附加吊挂活荷载分布，每个区域吊挂均布活荷载0.5kN/㎡（不互相组合），集中活荷载分配到每个区域中间的4个吊点，每个吊点75kN，总计300kN。大部分场馆附属的运营空间，如运动员、竞赛管理、媒体、场馆运营等都位于地下。因此，在东西两侧设置下沉庭院，为地下空间提供自然采光和通风。这些运营空间统一按照标准办公区设置，以利于赛后的功能转换。

▲首层平面图

▲剖面图

▲西广场夜景©刘兴华

03 超大跨索网结构

速滑馆屋面南北方向长跨200m，东西方向短跨130m。如果采用桁架体系，所需的结构断面高度将大幅增加建筑的总体高度，与尽可能控制建筑高度的出发点相悖。屋面的双曲面建筑形式符合索网体系的受力特点，因此采用单层正交双向马鞍形索网体系。承重索沿东西向，垂跨比1/14.4；稳定索沿南北向，拱跨比约28.6。网格间距4m，平行双索，采用直径70~78mm的高钒封闭索，索网端部连接在环形桁架上。

索网的找形始于集约空间的目标。首先控制冰面中心的净高约20m，自中心点开始，按照有效的结构垂跨比、拱跨比控制，向东西侧高处看台上升，向南北侧低处看台下降，形成空间双曲面。然后测试双曲面的室内外建筑效果，在结构效率和动感的建筑形式之间寻求平衡。这一找形方法有效地控制了比赛大厅的空间容积，降低了冰场制冰、除湿、空调等能耗，为大厅的混响时间控制提供了有利条件。同时，单层索网结构极大地降低了建筑的整体高度，使其自然融入仰山脚下的森林公园。通过单层双向正交双曲面索网的设计，实现建筑功能、超级结构、绿色节能与建筑效果的协调一致。

▲施工中的索网©蔡昭昀

▲自奥林西路步行桥望速滑馆

04 自由曲面幕墙

大道速滑是在400m长的椭圆冰道上对抗速度的竞赛，速度是设计概念的核心。运动员一圈圈地飞驰而过，在冰面上留下晶莹闪亮的刻痕，这些速度的印迹沿着椭圆轮廓上升、弯曲、内外交错，形成“冰丝带”的立面。

从双曲面屋顶边缘起始，立面自上而下向外倾斜，在二层形成最大平面，以容纳比赛场外围的一圈观众休息厅。立面的丝带数量、密度以及玻璃的折面方式经过多次测试，选定为在基准线上弯曲4次，形成层叠的褶皱。幕墙的自由曲面是由椭圆短轴和长轴两个端点的典型断面沿椭圆平面和马鞍形屋面外边缘放样形成。在两个典型断面中，曲面玻璃的半径统一为1500mm，其他为相切的直线段，曲面板块的面积约占47%。这种做法既简化了玻璃加工的工艺，又达到了相对满意的曲面效果。

之后，在曲面安装直径35cm的印刷玻璃遮阳圆管，凸起处密集、凹陷处疏松，总计22根。玻璃管呈半透明状，与高透明度的曲面玻璃互相映衬。丝带使用的超白玻璃集成了小半径半圆弯曲、钢化、夹层胶片和渐变彩釉印刷等工艺，对当前幕墙玻璃的设计应用提出了挑战。2018年初，在恒温、恒湿、正压车间进行工艺测试，成功生产了第一条“冰丝带”，再通过原型测试对幕墙的构造工艺进行验证。从设计到幕墙深化、玻璃板片加工、幕墙单元生产以及现场安装均采用同一个三维模型，实现了设计、生产、建造全过程的数字化。曲面幕墙结构采用单索支承网壳体系，斜向幕墙索和竖向的S形龙骨协同作用，以呈现如同丝带般的效果。索和龙骨的连接采用特别设计的梭形节点，展现幕墙构造的精巧细节。

▲幕墙的几何建构

05 冰场节能

比赛大厅的顶棚对冰面的辐射热负荷高达冰面全部负荷的40%，可以通过控制顶棚材料的发射率大幅度降低制冰的能耗。常见顶棚材料的发射率高达0.9左右，而在膜材表面喷覆高亮的铝涂层，可以使其降低至0.3~0.6。低发射率的顶棚热损失小，表面温度通常能够保持在冰场环境露点温度以上，以降低和避免结露现象的产生。国家速滑馆采用的铝覆层膜结构吊顶发射率小于0.3，这使得比赛大厅的内部空间呈现前所未有的非物质性效果。冰丝带是世界首个采用CO2直冷制冰系统的大道速滑馆，大幅提高了冰场温度的均匀度，制冰余热回收后，用于生活热水、浇冰车用水、转轮除湿等。速滑馆屋面外缘设置建筑一体化的太阳能光伏电力系统，蓝色的单元电池板自屋顶外边缘向内侧渐变排列，如同正在融化的雪，展现冬季运动的特色。

▲临时看台和副厅的场景转换

▲观众休息厅

▲观众入口大厅

06 结语

国家速滑馆以奥林匹克森林公园为映衬，以冰上划痕为空间意象，从临时看台和副厅的转换形成赛时赛后场景的关键，应用超大跨索网结构、高集成工艺曲面幕墙、低辐射膜结构顶棚等技术，以数字模型协同设计、生产和建造，为“精彩、卓越、非凡”的冬奥盛会提供了超越技术本身的借鉴意义。

▲夜晚从奥林匹克塔望速滑馆©刘兴华

▲幕墙局部©刘兴华

项目信息

业主：北京国家速滑馆经营有限责任公司

建设地点：北京市朝阳区建筑设计：北京市建筑设计研究院有限公司（初步设计和施工图）总建筑面积：126 800m2设计时间：2016—2018建成时间：2021

参考文献

[1] 陈彬磊，王哲，杨育臣 . 国家速滑馆超限高层建筑工程抗震专项审查报告 [R]. 北京：北京市建筑设计研究院有限公司，2017.