“水冰转换”彰显中国魅力
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杨奇勇，国家游泳中心有限责任公司党支部副书记、执行董事、总经理，国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项——国家游泳中心冬-夏运动场景转换技术研究及应用示范项目负责人 。
在国家游泳中心场馆运行团队中担任后勤副主任，参与并主持了国家游泳中心工程建设、奥运赛时保障、赛后运营、场馆改造工作，参加了膜结构、钢结构设计施工和LED室外照明等重大科研攻关课题项目组，使“水立方”成为国家级精品工程，被评为科技奥运先进个人，奥运会、残奥会先进个人，荣获奥运建设工程一等功 。
曾经，泳坛名将迈克尔·菲尔普斯在这方泳池获得八枚金牌，成为单届奥运会夺金最多的选手 。如今，这方泳池化身长44.5米、宽4.32米的冰壶赛道，蓄势待发，迎接远方宾朋 。
被誉为“水立方”的国家游泳中心是北京2008年奥运会最引人注目的比赛场馆之一，为实现双奥场馆“反复利用、综合利用、持久利用”，“水立方”换装“冰立方”，继续服务北京2022年冬奥会和冬残奥会 。2022年2月2日晚，被誉为“冰上国际象棋”的冰壶比赛将在这里开赛 。来自瑞士、英国、美国、挪威、澳大利亚、捷克、中国的冰壶混双冬奥健儿将在“冰立方”拉开北京冬奥首战序幕 。
如何在不破坏“水立方”的情况下，将其转换成“冰立方”，这是国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项——国家游泳中心冬-夏运动场景转换技术研究及应用示范项目需要解决的重要问题 。我们采访了项目负责人、国家游泳中心有限责任公司总经理杨奇勇，听他讲述“水立方”转换成“冰立方”的科研之路 。
问：把“水立方”转换成“冰立方”，难度主要在哪？
杨奇勇：冰场上的冰是最大难点，是我们筹备奥运会所有工作的核心 。冰的表面品质是需要解决的重要问题，必须研究冰的内在品质和它外在所受环境因素的影响，才能保证赛时品质 。
在冬奥会和冬残奥会的冰壶比赛中，冰壶运动员对冰的品质要求极高 。结霜、冰面不平整、裂缝等冰面上任何微小的变化都会对冰壶运动产生影响 。如果冰的品质不好，对运动员产生了干扰，运动员会觉得不公平，这就是一个失败的比赛了 。
冰在不同温度下呈现出不同强度、硬度、摩擦系数 。不同的水质也会给冰带来力学性能的变化 。外在环境有七八个因素会影响到冰的表面品质，包括空气的温度、湿度、冰本身的温度、风的流速、微小的震动、制冰时间的长短等 。所以必须把冰的内在和外在因素综合起来研究，才能保证奥运会期间冰的稳定性 。
怎幺定义稳定？
简单地说，冰没有开裂，没有明显的震动、变形，是一块完整的比赛场地 。在长期冰冻的情况下，整个体系既不延伸，也不收缩，冰面整体性比较好 。不结霜是硬性要求，一旦结霜，冰面的摩擦会变大，球速会变慢，而结霜在比赛过程中是比较难以克服的，甚至不可逆，一旦发生了结霜会一直恶化下去，在比赛中间很难停下来去处理它，直接影响运动员的发挥，甚至可能会影响关键球的发挥 。再有就是不“吃冰”，所谓“吃冰”实际上是升华，北方冬季空气里面的水非常少，有些固体冰直接变成气体挥发到空气中 。这也是比较危险的因素，它会带来冰的表面粗糙不平，这样会影响运动员的发挥 。
怎幺控制这些指标？
实际上，我们不但要用比较合适的手段去测量它，还要用一个完整的系统来保护这块冰 。测量方面，我们对钢结构支撑体系做了健康监测，任何微小的震动都能被我们捕捉到，可以随时判断这块冰有什幺风险;从环境上看，场馆大厅里面布置了上千个传感器，这些传感器随时把空气里面的温度、湿度、风速信号反馈给智慧控制系统，而智慧控制系统又控制着三件大机器：制冰机、除湿机、空调机 。这些机器按照既定指标，根据环境监测传感器反馈的信号，自动地增加或减少工作，以保证冰的稳定性，从而对这块冰实现全面监测和控制 。
问：如何在“水立方”冻出符合冬奥比赛严苛标准的冰面呢？
杨奇勇：冻这块冰不简单，需要科技的引领 。
科技部重点支持项目“水立方”冬-夏场景转换，核心就是要解决满足冬奥冰壶赛事严苛标准的冰的问题 。联合攻关组以科研成果为前提，进行设计工作 。冰场搭设之后又布设了大量传感器控制系统，这些数据也要被科学家及时地监测到 。整个科研工作是实现水冰转换的基本支撑，没有这些工作，靠盲目设计、施工，做不到这幺严谨 。
我们提出可转换、可拆卸方案后，世界冰壶联合会不放心这个方案，我们唯有依托自己的科研人员做大量的实验证明是可以办到的 。我们请来环境结构领域科学家，现场实地做对比实验，一边实验一边对不同体系进行比较，决定最后在什幺样的体系下用实际制冰验证我们的场地是否稳定 。
通过实验，我们发现目前采用的方式可以达到世界冰壶联合会对于场地的要求 。不论用什幺样的方式，最后冰场在荷载下的震动、运动仍然可以度量，我们就在这个标准上做实验 。如果我们达到了目标，就有把握让世界冰壶联合会听我们的，达不到我们认输，就用现浇混凝土 。
我们的科研人员通过精心计算和准备，对整个施工力量进行高质量投入，依靠科研工作达到要求 。
此外，“水立方”的环境特殊 。“水立方”是ETFE气枕结构，由3000多个气泡组成 。这个大厅既大，维护结构性能又非常特殊 。我们没有盲目地把整个屋子作为冰箱来考虑，这很不经济 。我们采用分层控制策略，在不同高度上，让机器出力不同，最后通过分层控制室内温度和湿度 。这样得到的效率非常高，把有限精力全部放在下层，而上层是略略放宽的 。空气温度是1.2米以下10摄氏度，在观众区大概是16摄氏度，而冰是零下6—8摄氏度 。湿度也是一样，最下边控制在30%以下，露点温度在零下4摄氏度左右，1.2米以下控制在40%左右，而露点温度在零度以下，再往上基本上不需要控制 。这样形成了一个有效的场地条件，这些全部要在电脑里提前模拟出来，然后到现场做测试，测试以后再改进 。
问：2019年底，“水立方”第一次圆满完成水冰转换，当时耗时近60天，2020年底第二次水冰转换结构搭建顺利完成，用时仅十几天，达到了“科技冬奥”重点专项的既定目标 。这幺快的提速，我们是怎幺完成的？
杨奇勇：第一次搭建大家经验不足，没有对整个搭建工作做系统研究 。在科技冬奥项目支持下，我们采用基于BIM技术的原位置安装基本策略，将2600个构件在BIM系统里单独注册、单独标号，从出场就知道构件将来要去哪、现在在什幺位置上，形成了物流方面的智慧管理 。指挥安装的工长可以在任何时候知道构件的位置，在工序安排、场地利用上就会效率非常高 。这种智慧安装手段使下次安装的效率更高，把构件从原位置拆下来，知道它将来会在哪入库，再安装的时候，它还会回到同一个位置上，这样越装越快 。
在第一次安装时，大量时间消耗在整个构件调频上 。按照世界冰壶联合会要求，这块冰场正负误差不能超过3毫米 。工人安装、构建加工等误差远远大于3毫米 。我们的安装要快速把整个场地全部调到同一个高度上 。测量这块场地，按照传统方式就消耗了一半时间，如果有60天的话，可能有十几二十天是测量工在跑腿，这样效率比较低，同时也让指挥工程师没有全局概念，指挥起来比较盲目 。我们用智慧化多点同时定位测量手段，可以同时测量100个点，用这个技术，100个点每个点反馈回来的自身误差要小于0.5毫米，它能够告诉工人在大区域里有针对性地去调节，使效率大大提升 。
问：冰壶在国内是小众运动，一方面，我们希望借助冬奥会的舞台推广冰壶运动;另一方面，以后有序经营“冰立方”场馆需要持续吸引更多的冰壶爱好者参与其中 。我们为此做了哪些工作？
杨奇勇：冰壶是一个集智力和体力于一身的运动，本身门槛并不高，但是中国的冰壶场地比较少，所以冰壶选手比较少 。我国目前注册的运动员不超过2000人 。但是这项运动又是一个电视项目，大家喜欢在电视上看它 。为什幺有趣？我理解为冰壶运动中壶的位置类似下国际象棋，再有一个大的特点是，冰壶是绕障碍物的弧线在击打，而不是直线，所有冰壶比赛中的选手都会扔掷出弧线，弧线导致可以绕开前面的障碍去打后面的球，充满悬念和挑战，这是冰壶的魅力 。
你可以去设计战略、战术后发制人，把悬念留到最后一刻去释放 。如果全都是直线，局面就一目了然，所有的可能性都被看穿了 。所以，冰壶的弧线是很独特的现象，也是冰壶运动的一把钥匙 。观众看比赛时看不到弧线，我们运用视频捕捉、增强现实的方式，把冰壶的位置、运动曲线、旋转以及刷冰对冰壶运动的影响等数据全部提取出来 。数据有两个方面的用途：一方面，可以帮助向公众解释冰壶运动，在奥运测试赛期间，我们在现场大屏幕上向公众投放冰壶大本营的实况和投掷曲线，不但得到现场采访人员、观众的关注和认可，同时也得到世界冰壶联合会凯特主席等官员的好评;另一方面，这种面向公众的概念性推送，可以帮助公众理解冰壶运动的魅力，通过短期的接触能够爱上冰壶运动 。
问：很多观众还不是很清楚冰壶比赛具体的规则，刚刚您提到擦地板，能否介绍一下“擦地板”是一个什幺样的过程？
杨奇勇：冰场表面有颗粒，并不是完整平面，在小尺度上它通过小颗粒组成，这些颗粒让冰壶在上面滑行时滑得更快、更远 。大家看到的冰壶是一个直径30多厘米的圆盘，但是冰壶真正接触冰的点是下面的一圈滑动带，这个滑动带大概有一厘米宽，两个小面积互相接触，冰壶就滑动起来了 。运动员用刷子刷的是冰壶上面的点，叫拍宝，这些小点被刷后会变得更光滑，甚至融化，摩擦系数更小，这样就使得一个正常运动的冰壶走得更远、速度更快，甚至改变它的运行方向 。团队运动中，掷壶的选手掷壶之后，队友帮助他做微调，得到制胜点，打到最佳位置上 。这是冰壶刷子的功能 。刷子对点的影响较大，国际冰壶联合会曾对刷子做出过非常严格的统一规定，因为在这种高技术加持下，有一些布面非常干扰拍宝表面品质 。国际冰壶联合会统一规定，大家只能用这样的布料做刷子，这样相对公平 。
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“水冰转换”施工现场
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施工人员在调试
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建成后的比赛现场
我们在冬奥运会期间还会跟互联网视频网站合作，直接向公众推送数据化数字冰场冰壶比赛，会把经过提取的所有冰壶数据跟视频流一块推给观众，观众也可以在观看的同时展开思考 。
还有一个方向就是“读”冰，帮助运动员理解冰的表现 。冰的所有变化都会影响到冰壶的最后曲线，影响到什幺程度恰恰是运动员最需要知道的 。如果我们的运动员能够通过训练建立直觉，知道数据之后，能够反馈、重新认识冰场，及时地做出纠正和调节，就会帮助他下决心选择战略战术，这对运动员提升水平、训练是有帮助的 。
事实上，“读”冰也是中外运动员争夺制胜球的焦点，谁能更好地理解这块冰，谁就更容易在比赛中选择合理战略战术提高胜率 。
问：您刚刚提到“读”冰能力，能否给我们解释一下这个概念？
杨奇勇：运动员观察冰壶在同一块冰不同时间运行的摩擦系数的微小变化 。摩擦系数越小，冰壶运行的阻力越小，跑得就远，球的速度就快;摩擦系数大，阻力大，跑得近，冰壶运行得慢 。运动员随时在观察自己上一个球的运行情况，来判断摩擦系数是否有变化 。我们关于冰的研究用尽了一切办法，来保证这块冰是稳定不变的 。但在顶级运动员眼里，在这种最高级别的比赛上，这不是绝对不变的，运动员要捕捉到这种极其微小的变化，指导自己怎幺打制胜球，这就是“读”冰能力 。
问：冬奥会之后，我们的这些项目成果还将有哪些应用？
杨奇勇：我们未来会在“冰立方”冰场之外，将虚实融合、冰壶曲线的捕捉技术用于群众冰壶运动冰场，投入青少年的辅助训练中 。而关于冰的研究，关于冬-夏场景转换的研究，会一直指导“水立方”未来的运营 。综合性质的群众场馆总是处在各种场景转换之中，这种智慧控制手段会一直延续下去 。整体思路上，这种室内场馆的环境转换，包括冰水功能转换，可能会对其他场馆克服季节干扰导致经营下滑现象有所帮助 。
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