国家游泳中心外观如同一个冰晶状的立方体，造型简洁现代，这个看似简单的“方盒子”是中国传统文化和现代科技共同“搭建”而成的。中国人认为，没有规矩不成方圆，按照制定出来的规矩做事，就可以获得整体的和谐统一。在中国传统文化中，“天圆地方”的设计思想催生了“水立方”，它与圆形的“鸟巢”——国家体育场相互呼应，相得益彰。方形是中国古代城市建筑最基本的形态，它体现的是中国文化中以纲常伦理为代表的社会生活规则。而这个“水立方”又能够最佳体现国家游泳中心的多功能要求，从而实现了传统文化与建筑功能的完善结合。

“冰立方”夜景©新京报

“冰立方”的绚丽外衣✦

在中国文化里，水是一种重要的自然元素，设计者将水的概念深化，不仅利用水的装饰作用，还利用其独特的微观结构，基于“泡沫”理论的设计灵感，他们为国家游泳中心包裹上了一层建筑外皮，上面布满了酷似水分子结构的几何形状，表面覆盖的3000多个ETFE膜又赋予了建筑冰晶状的外貌，使其具有独特的视觉效果和感受，轮廓和外观变得柔和，水的神韵在建筑中得到了完美的体现。ETFE膜是一种透明膜，能为场馆内带来更多的自然光。它是根据细胞排列形式和肥皂泡天然结构设计而成的，这种形态创意十分奇特。同时，ETFE膜具有高抗污，易清洗的特点，通常雨水即可清除主要污垢。作为大型比赛场馆的建筑材料用ETFE膜，更大的优势还在于它们可以加工成任何尺寸和形状，满足大跨度的需求，节省了中间支承结构。作为一种充气后使用的材料，它可以通过控制充气量的多少，对遮光度和透光性进行调节，节省能源的同时起到保温隔热作用。

国家游泳中心的墙面和屋顶都分内外三层，设计人员利用三维坐标设计了3万多个钢质构件，多个位置不同的钢质构件组成了坚圆的空间钢架结构。这些技术都是我国自主创新的科技成果，填补了世界建筑史的空白。

“冰立方”的骨骼脉络✦

国家游泳中心改造面积约50000㎡，长177m、宽177m、高31m，建筑总面积8万m2（赛时），10万m2（赛后）。场馆内部是一个六层楼建筑，平面呈正方形。赛时座位17000座，赛后永久座位6000座。国家游泳中心是典型的外柔内刚，外部只看到充气薄膜，好像弱不禁风，而支撑这些薄膜的是坚实的钢结构，里面观众看台和室内建筑物为钢筋混凝土结构。国家游泳中心的墙壁和天花板由1.2万个承重节点连接起来的网状钢管组成，这些节点均匀地分担着建筑物的重量，使其坚固得足以经受住北京最强的地震。其地下部分是钢筋混凝土结构，在浇筑混凝土的时候，在每根钢柱的位置都设置了预埋件(上部为钢块)，钢结构的钢柱与这些预埋件牢固的焊接在一起，就这样，地上部分的钢结构与地下部分的钢筋混凝土结构形成一个牢固的整体。正是靠着优越的结构形式和良好的整体性，“水立方”才拥有了“过硬的身体”，达到了抗震8级烈度的标准。

“冰立方”内景©新京报

“冰立方”馆内改造示意图

“冰立方”的变身历程✦

从“水”到“冰”，看起来就是加上“两点”这样简单。但现实却恰恰相反，冰壶场地是公认的对冰面质量要求极高的运动项目。除了对冰面光滑度和平整度的要求，对整体环境中温湿度、照明、声音传播、空气流动等都具有很高的要求。“水冰转换”实际上是一项大工程。首先，要对游泳池进行“填坑”，泳池里的水抽干以后，设计团队要根据坑底平面的荷载能力去搭建可转换架体，设计师们在试了木头、钢筋等多种材料以后，选择了目前钢结构加轻质混凝土预制板结构体系。

但是如何保证冰面在稳定牢固的同时，还能达到冬奥会比赛要求？秘密就藏在支撑冰面的可转换钢结构中。它由2600根3米高、2米长的薄壁H型钢搭建而成，每根梁柱装有柱脚，每个连接点装有可拆卸高强螺钉，确保钢架坚固结实。架体搭设完毕后，施工团队进行了荷载试验，最终试验结果显示，每平方米增加1吨的荷载，钢结构的最大变形仅有1.6毫米，符合3毫米以内的设计要求。有了骨架还不够，冰不能直接“长”在骨头上，所以制冰基础层施工也十分重要。其具体步骤是先在混凝土预制板面上铺一层PE膜，然后再铺两层挤塑保温板，保温板之上再铺一层PE膜和抗滑移层，最上面一层才是制冰管架。2019年底，“水立方”第一次完成游泳池与冰场的转换，耗时近60天；2020年12月，完成第二次转换结构的搭建，耗时20天；2021年10月1~14日，完成冰面制作，仅耗时13天。如此高效的转化速度的原理是：首先把泳池里的水抽干，然后在泳池内搭设可转换架体。在下一个制冰环节，现在的赛场旁边有两组制冷管道，一进一回形成回路，就像人体的动脉和静脉，制冰基础层上密密麻麻有序铺装的制冰排管相当于毛细血管一样与动脉静脉相连。而室外制冷机组就是“心脏”，打开制冰机组使其运行，将载冷剂通过管道循环输送至制冰场，保证赛场制冰顺利进行。

“冰立方”内的冰壶赛场©新京报

“冰立方”变身中遇到的困难✦

01

转换系统质量要求极高

冰壶运动是需要高度技巧的项目，冰场开裂、高低差、不平整、空气结露、冰面结露等均会对运动员发挥造成影响。转换结构体系超高精度质量控制要求，国内无相关工程借鉴经验，设计计算、安拆施工、运输维护要求高。

02

室内环境综合性能提升改造要求高

改造后的“冰立方”可容纳观众约4600人，游泳池上搭建冰壶基地，在奥运会历史上尚属首例。水立方为膜结构工程，场馆内部环境湿热，空气质量、节能、照明、声控等均为“冰水”转换带来难题。

03

不停业改扩建施工情况复杂

与传统施工不同，此次“水立方”改扩建过程采用“不停业”模式展开，赛时临时设施尽量采用装配式部品部件，避免施工场地与公众使用空间相互干扰。采用“智慧”手段，减少劳动力、资金、物料的损耗，解决交叉领域的技术障碍，也是本工程一大难题。

04

全过程考虑可持续运维要求

本次改造要全过程兼顾“双奥”场馆可持续运维要求，为拓展场馆的赛后使用功能，形成“双奥会”示范性可持续运营遗产，场馆需打造持续优化的业务流程协同运营管理体系，形成创新平台，在满足冬奥会场地要求的同时，实现赛后冬夏“冰水”双轮驱动。

“冰立方”变身的应对措施✦

01

针对重难点1

为满足2022冬奥会冰壶比赛需求，在原有泳池上搭设4条标准冰壶赛道，包括钢结构支撑体系、混凝土面板和制冰系统及配套管线、赛场除湿系统。通过建立模块化搭拆工艺、检测标准、制冰工艺标准，实现国家游泳中心“冰水”功能快速转换的成套技术，填补国内场馆“冰水”转化的技术空白。

可转换场地结构调平动态监测系统

02

针对重难点2

为确保冰面质量与室内环境满足冰壶比赛要求，对温湿度探测器布置点与布置方式的多种组合进行模拟实验，优化冰面与冰壶场地环境智能控制程序。在测试比赛及实际应用阶段，测试室内物理环境控制效果，实测验证理论分析的合理性，有效提高检测精度与反馈频率，实现对冰面及室内环境的精准控制。

冰壶场地室内物理环境优化策略

03

针对重难点3

施工建造以建筑信息模型（BIM）技术为基础，结合云计算、物联网、移动通讯等信息化技术和设备，引进智慧工地管理平台，将项目进度、安全管理、质量管理、劳务管理、商务管理、党建管理、BIM技术、可视化交底等列入平台管控中，实现项目“人、机、料、法、环”全方位监控，将”被动监督”变为”主动监控”。创新“智慧”管理理念，完成特定生命周期的管理，让传统的建筑工地长出“智慧大脑”，最终实现施工数据信息化、监测自动化、管理智能化、远程可视化和决策大数据。

"冰立方"智慧工地管理平台

04

针对重难点4

将国家游泳中心能源管理中心、设备监控系统、智能照明控制系统、消防系统、综合安防系统（含视频监控、门禁、电子巡更、周界防范）、场馆票务系统及设备管理系统整合集成，建立全生命周期的管理模式，运用大数据分析，实现环境监测、能源管控、设备运维管理可持续, 实现建筑物内设备设施数据共享、多系统联动、功能协同，实现场馆运行能耗和碳排放的智能化管控，打造智慧场馆可持续运维管理平台。

"冰立方"智慧运维集成管理平台

“冰立方”馆内监测智能系统示意图

绿色、节能、智能化的“冰立方”✦

集装箱更衣室©摩盒科技

冬奥会的比赛场馆与比赛项目对应表✦

北京冬奥会和冬残奥会结束后，“冰立方”冰上运动中心将永久保留，打造为集冰上赛事、大众健身、专业培训、体育旅游、冰上演出、冰壶运动推广、冬奥文化基地等多功能的综合冰上项目平台，预计每年接待冰上运动爱好者超过10万人次。为做好场馆的后期运营，国家游泳中心在维护冰壶场地的同时还利用南广场地下空间建立了两块冰面，一块为标准冰场、另一块为冰壶场地，未来将作为奥林匹克中心区冰壶项目体验基地，为大众提供开放的平台，为三亿人参与冰雪运动提供助力。

参考资料

[1] 冬奥小科普｜奥运场馆介绍--国家游泳中心. 砼音网宣部.

[2] 国家游泳中心-水立方 不为人知的大揭秘. 武汉中邦美业钢膜结构工程公司.

[3] 【北京冬奥工程建设巡礼之六】凝水成冰，玩转“蓝色魔方” ——中建一局北京国家游泳中心改造项目施工纪实. 建筑时报.

[4] 【冬奥工程巡礼第5期】国家游泳中心：世界首个实现“水冰转换”的“双奥”场馆. 施工技术.

[5] 冬奥特辑 | 最雅的冰——国家游泳中心. 北京建院.

[6] 遇“建”冬奥 | 场馆（第4期）国家游泳中心. 廊坊师范学院建筑工程学院.

[7] 罕见！“水立方”变身“冰立方”. 科技日报.

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