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一次从无到有的“十六弯”设计实践 2022冬奥国家

发布日期 :2021-01-29 06:28

  原标题:一次从无到有的“十六弯”设计实践 2022冬奥国家雪车雪橇中心 李兴钢建筑工作室

  中国北京获得2022年第24届冬季奥林匹克运动会举办权,北京也创造历史,成为第一个既举办过夏奥会又举办冬奥会的城市。在北京获得2022年冬奥会举办权后,我国发展迟缓的冰雪运动迎来了转机。随着“北冰南扩”战略的推进以及“冰雪运动发展规划(2016—2025年)”和“全国冰雪场地设施建设规划(2016—2022年)”的相继出台,“3亿人上冰雪”目标的提出使我国冰雪运动受到了前所未有的关注。

  但目前我国冰雪运动的场地/场馆及相关设施规模小、数量少、服务水平不高,与冰雪运动发达国家存在较大差距,我国冰雪运动健儿常年需要在国外租赁场地训练。因此,加快推进冰雪场地设施的建设,是办好2022年北京冬奥会、提高我国冰雪竞技水平的重要基础,是普及冰雪运动、发展冰雪产业、实现“3亿人参与冰雪运动”的基本保障。

  北京延庆赛区将举办雪车雪橇竞赛项目,该项目是北京2022冬奥会雪上项目的标志性大项之一。雪车雪橇比赛是冬奥会雪上竞赛中速度最快、危险性系数高、专业性强的项目,对竞赛场地要求严苛,场馆建设费用昂贵,后期运行和维护投入不菲,所以到目前为止,全世界总共只有16座标准雪车雪橇场馆,分布在11个国家。其中,10座位于欧洲,德国拥有4座雪车雪橇场馆,是场馆数量最多的国家,也是该竞赛项目的头号强国。美国和加拿大各有2座,日本和韩国各拥有1座(分别位于长野和平昌),其中,位于札幌的曾举行1972年冬奥会的雪车雪橇比赛赛道已被拆除。中国北京延庆赛区的国家雪车雪橇中心将成为亚洲第三座满足奥运比赛要求的雪车雪橇场馆,也是中国第一座雪车雪橇场馆。

  目前国内对于雪车雪橇工程项目的相关设计处于空白,无相关技术资料和指南支撑,缺乏可借鉴的相关经验,而国际经验的封闭性较强且定制化程度高,可参考的价值有限。为顺利完成国家雪车雪橇中心的设计与建设工作,对雪车雪橇中心场馆的设计方法及关键技术研究就此展开。

  国家雪车雪橇中心的设计与通常的设计任务不同,我们面临的是一个几乎“未知”的项目,接到设计任务后的第一反应是“雪车雪橇是怎样的运动项目?”“雪车雪橇场馆是什么样?”“雪车雪橇场馆是如何发展而来?”。

  面对脑海中的这些问题,我们收集了国内外关于雪车雪橇场馆的相关文献,在有限的文献中学习了解内容,并多次实地考察往届雪车雪橇场馆,在国际单项组织专家和场馆运营工作人员的介绍中,汲取雪车雪橇场馆相关知识,从而分析梳理各场馆的功能组织、流线规划、运行模式和技术条件要求等,起初的疑惑被逐一解开。

  国家雪车雪橇中心将承办三项冬奥会比赛项目,分别是雪车(Bobsleigh)、钢架雪车 (Skeleton)和雪橇(Luge)。相比其他的冬奥会竞赛项目,如速滑、花样滑冰、冰壶等, 我们对这三个项目知之甚少。

  我们通过研究了解到雪橇项目(Luge)起源于北欧,是一种仰卧在不装设舵板的木质雪橇上、 沿冰道滑行的运动项目。据记载,早在1480年挪威就已出现雪橇,1883年瑞士在达沃斯举行了世界上第一次雪橇比赛,1964年雪橇在第九届冬季奥运会中被列为正式比赛项目。

  雪车项目(Bobsleigh)是乘坐可操纵方向的雪橇在冰道上滑行的运动项目。该运动起源于瑞士,由雪橇发展而来,在1924年法国夏慕尼第一届冬季奥运会中被列为正式比赛项目。

  钢架雪车(Skeleton),又称为“俯式冰橇”,是运动员经助跑,头朝前脚向后俯卧在钢架雪车上,沿冰道滑行竞速的运动项目。受到加拿大人和印第安人用雪橇(Sled)运输的启发,19世纪末阿尔卑斯山附近的国家开始使用平底雪橇(Toboggan)。1882年英国士兵建造了一条从瑞士达沃斯到克洛斯特斯的平底雪橇直线年,英国人蔡尔德设计了主要由金属制成的平底雪橇(Toboggan),由于外形酷似人体的骨架,从此平底雪橇(Toboggan)改名为钢架雪车(Skeleton)。男子钢架雪车比赛曾于1928年和1948年在瑞士圣莫里茨冬奥会上举办,而后因项目危险系数较高,至此之后被取消。直到2002年美国盐湖城第19届冬奥会,钢架雪车才重新成为冬奥会的项目,至今只有 6 届冬奥会举办过钢架雪车比赛。

  我们通过对运动项目的研究,帮助理解赛道的初步设计原理和使用方式。在初期的冬奥会中,雪车雪橇的比赛场地和赛道均依靠自然地形修筑或用砖石垒筑成型,这种方式持续了很长一段时间,赛道的冰面则依赖天然冰雪的堆积与修形而成。这些在如今看似简易的构筑方式,成为了当今雪车雪橇场馆的雏形,制冰修冰技术也沿用至今。

  雪车雪橇场馆的发展是一个不断进化的过程,相较其他冬奥会场馆,如速滑馆、冰壶馆、 冰球馆由于竞赛项目发展相对稳定,场馆本身已经发展到非常成熟的阶段。而雪车雪橇运动项目随着运动员竞技水平的提高、技术条件的进步、比赛装备的不断进化,正处在迅猛发展中,场馆设计也在不断创新,使其逐步降低对自然环境和天气气候的依赖。从起初的自然地形与依靠自然条件制冷逐渐演变为完备的人工赛道成型技术与制冷系统,赛道弯道数量也由开始的不稳定逐渐趋于稳定。

  比如,1924年法国夏慕尼赛道是19个弯道,1928年瑞士圣莫里茨赛道是10个弯道,而1932年美国普莱西德湖赛道弯道数量多达26个,近年来建设的赛道弯道数量基本控制在16个左右。场馆配套用房及设施也在逐渐完善,力求不断提高三项赛事的参赛与观赛体验。

  经初步分析踏勘,国家雪车雪橇中心原有四个选址方案,分别是东西朝向的E1和E2选址,以及南北朝向的S1和S2选址。延庆赛区北坡过陡,无适当选址,经国际奥委会、国际单项组织和赛道设计顾问的现场考察,综合考虑赛道的选址要求,最终于2017年2月确定S2地块为国家雪车雪橇中心的最终选址。同时,原申奥阶段被用作雪车雪橇场馆规划方案选址的S1地块,确定为延庆冬奥村的用地。

  S2地块与高山滑雪中心、冬奥村和山地新闻中心相邻,可形成整体的赛区场馆群,赛时赛后联动设计可形成区块化发展,实现共赢共生。对于雪车雪橇场馆而言,从自然山体特征来看,S2地块相较其他选址坡度更为适合,且山体在低处有相对开阔和平坦的区域,适合在赛道最后段布置观众主广场。但是该选址也不是完美无缺的,场馆选址位于山体的南坡而非大多数场馆的北坡,相比北坡,南坡赛道的气候条件更为严苛,气候挑战问题更多。对于国家雪车雪橇中心项目的赛道而言,太阳辐射特别是直射辐射会导致部分冰面软硬不一,直接影响赛道的安全性和运动员的竞技水平,制冷能耗也会随之攀升,因此需要通过设计手段避免赛道被阳光直射。设计研究团队提出了让雪车雪橇场馆 “南坡变北坡”的设计策略,使处于南坡的雪车雪橇中心节能效率不低于北坡。我们结合赛道形状、自然地形和人工地形、遮阳屋顶、遮阳设施(遮阳帘及挡风背板)等,研发出“地形气候保护系统”(Terrain Weather Protection System,简称 “TWPS”),有效保护赛道冰面,降低气候因素对赛道的影响,确保赛事高质量进行,并最大限度降低能源消耗。

  选址的另一弊端在于S2地块位于山脊之上,山脊东西两侧均存在陡壁,场地整体地形复杂、 用地局促。针对狭促的场地条件,功能空间势必无法在平面上展开,必须利用地形高差,向三维空间发展。

  S2地块用地范围南北长约975m,东西最宽处约445m,用地范围面积约为18.69ha。场地内现状最高点绝对标高约为1 040m左右,位于北端;最低处绝对标高约为881m左右,位于南端;南北向平均坡度约为16.3%左右。场地现状用地多为林地,地质情况复杂,部分区域存在较厚湿陷性黄土土层,需进行相应地基处理后方具备建设条件。

  赛道因其所处的自然条件存在差异,对自然条件的适应方法也各不相同,因此世界上没有两条一样的赛道。赛道中心线并非我们通常意义的标识中心的、代表数据平均值的线,而是一条具有控制性的轴线,这条线在空间坐标中定义了赛道的走向。

  在赛道选址的推敲过程中,赛道中心线也在同时被设计和优化,基于第5版赛道中心线 地块被确认可行。赛道中心线的优化过程既要对运动员的竞技水平提出挑战,又要平衡多种竞赛项目在同一赛道上的难度,还要优化赛道对山体的改造程度,尽可能利用现状地形减少填挖方量。2017年5月,国际单项组织专家对赛道初步设计第6.5版中心线进行了认证和确认。

  第6.5版赛道中心线版在赛道长度、弯道数量、起始和最低点高程等方面均做了调整,变化最大的是将第5版中心线中被结束段直线赛道穿过的独具特色的螺旋弯改成了不被穿越的右转入弯的螺旋弯。此类调整是在运动的安全性、挑战性、趣味性中寻找平衡,当然,也必须具备工程建设的可行性。

  基于已确定的第6.5版赛道中心线,赛道设计师使用为赛道设计专门研发的计算软件,加载三个比赛项目各个分项的运动模拟条件,计算出一系列运动轨迹线,再以中心线为轴,定位轨迹线的偏移范围,生成赛道平面和立面控制边界,赛道的剖面形状便可随即自动生成。国际雪车联合会和国际雪橇联合会的专家通过对每个弯道图纸的理解和判断,提出修改意见,设计师对赛道设计方案进一步优化和调整,最终基于CL6.6.3版中心线月得到国际单项组织专家的确认。

  最终完成的赛道长度为1 975m,设置了16个弯道,其中第11弯道是螺旋弯。赛道设置了3个出发区,共6个出发口,其中位于螺旋弯北侧的出发口是为赛后游客体验而设置的。赛道还设有1个最低点收车区和4个不同结束位置的收车区。之所以在不同高程位置设置出发口,是为了运动员在初期能循序渐进地熟悉赛道,由简到难地完成训练,并为以后赛事项目的发展提供可能。

  赛道中心线、赛道平面、立面、剖面确定后,就可生成完整的赛道表面。经过结构工程师的受力分析,计算得出混凝土厚度。赛道采用喷射混凝土技术,内埋制冷管道。赛道外表面非制冰范围需设置保温层,赛道下部为混凝土U型槽,在U型槽中设置有支撑赛道的混凝土立柱,制冷主管敷设于U型槽内,与赛道内埋设的制冷支管相连。

  为延庆赛区国家雪车雪橇中心赛道专门研发的 一系列赛道建设技术措施,组成了地形气候保护系统(TWPS)。该系统主要用于解决南坡赛道的遮阳问题,同时还起到赛道防风、防雨雪等改善局部微气候环境的作用。

  与其他雪车雪橇赛道遮阳系统不同,TWPS系统强调了地形条件对低角度太阳辐射的遮蔽作用, 通过在赛道周边堆填出人工地形和设置可供使用的构筑物,结合赛道的屋顶遮阳、构件遮阳、赛道自身遮阳等条件,将太阳直射辐射挡在赛道外面,保证每一段赛道都不受太阳直射辐射的影响。最终实现了本项目虽然选址在南坡,但是将南坡的不利气候条件提升至接近甚至优于北坡的目标。在全球气候变暖的趋势下,如果没有从气候适应方面来管理与天气相关的风险,那么很难想象索契这样的地方能获得奥运会主办权,更难想象在2020年9月30日延庆的南坡场地上,国家雪车雪橇中心赛道能够完成制冰工作,使赛道正式投入使用。

  赛道区的遮阳顶棚为单边悬挑的钢木组合结构,结构柱位于赛道每个弯道的外侧,赛时遮阳帘完全打开,观众可毫无遮挡地观看比赛。赛道全程安装防撞挡板,保护运动员的滑行安全;赛道上方设有照明、监控摄像、计时计分牌、广播等设备;赛道一侧设有制冰给水系统和内部通讯系统,并全程布置检修马道。整个赛道区域共设置5处供观众及工作人员横穿赛道的通道,包括2处结合屋顶步道的上翻天桥(分别位于C1、C2弯交界处和C9、C10弯交界处)和1处赛道底部的下穿涵洞(位于C13弯中)部。其余2处为SPIRAL弯道处的伴随路,一条下穿赛道,由南向北进入SPIRAL弯内部,另一条沿东西向跨越赛道,与进入SPIRAL弯的伴随路相连。结合屋顶人行步道, 赛道区还在屋顶上方设置了5处观景亭,分别位于 C2、C3弯交界处、出发区C3、C5、C6、C9弯道中部。

  为对应每一版赛道设计的变化,分设在赛道不同位置的附属用房及设施也进行了调整和优化。随着我们对场馆功能、使用人群和运行模式的深入了解,从使用者的行为逻辑出发,推理空间的组织模式,甚至是用试错的方式,通过一次次的验证和修正,达到最终的布局。

  附属用房设计不仅包含与赛事直接相关的功能需求、国际单项组织的审核,还包含北京冬奥组委35个与场馆设计建设直接相关的业务领域对场馆提出的功能需求,并需要得到各个业务领域的认可。

  无论是设计方还是项目建设单位乃至冬奥组委的各个业务领域,国家雪车雪橇中心都是一个从零开始的项目,各方都是在摸索前行,这就导致附属用房的功能一直无法最终确定,甚至在运行设计阶段都存在修正的可能。

  赛道作为场馆之“轴”,将自然分化、拆解、 重塑。各部分功能空间在被加工过的自然山地上, 随“轴”而生。雪车雪橇场馆以赛道为主干,附属用房及设施如同主干上的枝叶,根据赛道功能需求均匀布置在赛道两侧。附属用房主要由3个出发区、结束区、运营及后勤综合区、训练道冰屋及团队车库、制冷机房等部分组成。出发区1、出发区 2、出发区3及结束区同赛道紧密结合,从北至南、由高至低依次布置于赛道之上,整体位于场地北侧的山脊区域。运营及后勤综合区、训练道冰屋及团队车库、制冷机房等为保障赛事运行的配套建筑, 布置在场地南侧山脚较平缓区域,紧邻赛道外侧。赛道采用氨制冷系统,制冷机房设置在便于制冷氨液回流的赛道最低点的南侧,训练道冰屋及团队车库布置于西侧,南侧紧邻松闫路。训练道冰屋北侧为运营及后勤综合区,部分悬挑于赛道之上,这也是在同类场馆中前所未见的,能为运动员带来全新的感官体验。

  场地中的道路包含纵贯南北的3号路及伴随路,这两条蜿蜒的道路如同脉络,贯穿了各个建筑、广场及赛道收发车点。伴随路紧紧依偎在赛道的西侧,为赛事的观众观赛、后勤、急救、通勤等功能提供服务。3号路位于赛道的东侧,主要负责出发区、结束区、运营及后勤综合区与外部道路的连接等,为赛事提供车行交通服务。

  在场地的南侧,还布置了观众主广场、媒体转播区以及相配套的停车场。其中观众主广场位于南侧赛道所围合的区域,并利用天然地形,形成了观众看台。媒体转播区及停车场位于赛道南侧,紧邻市政道路松闫路。

  作为北京2022年冬奥会延庆赛区的两个新竞赛场馆之一,国家雪车雪橇中心项目为国家填补了空白,场馆从设计到施工的全过程都经过国际奥委会、国际单项组织和冬奥组委的审核,其设计已达到国际同类型场馆的领先水平。国家雪车雪橇中心为冬奥会期间雪车、钢架雪车和雪橇的比赛以及冬奥会后国际单项协会组织举行的世界级比赛提供了保障,同时也为中国运动员提供了训练场地。该项目在完成奥运比赛的同时,也成为可持续发展的奥运遗产。

  中国建筑设计研究院有限公司李兴钢建筑工作室建筑师,国家雪车雪橇中心副设计主持人、建筑专业负责人。

  中国建筑设计研究院有限公司李兴钢建筑工作室建筑师,国家雪车雪橇中心建筑专业主要设计人。

  中国建筑设计研究院有限公司李兴钢建筑工作室副主任、副总建筑师,国家雪车雪橇中心副设计主持人。

  中国建筑设计研究院有限公司总建筑师,李兴钢建筑工作室主持人,国家雪车雪橇中心设计主持人。

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