北京冬奥首钢滑雪大跳台全流程可持续利用关键技术_张利.pdf

建设科技 85一 等 奖2022 年“华夏建设科学技术奖”获奖项目（一等奖）北京冬奥首钢滑雪大跳台全流程可持续利用关键技术 张利2 金洪利1 阮新伟3 谢木才3 朱育帆2 李建辉3 薄宏涛5 王兆村6 马冬豹3 杨霄4 罗刚1 田志红3 窦光璐4 崔邯龙7(1.北京首钢建设投资有限公司，北京 1 0 0 0 4 1；2.清华大学，北京 1 0 0 0 8 4；3.北京首钢建设集团有限公司，北京1 0 0 0 4 1；4.清华大学建筑设计研究院有限公司 1 0 0 0 8 4，北京；5.杭州中联筑境建筑设计有限公司，杭州 3 1 0 0 1 1；6.北京首钢国际工程技术有限公司，北京 1 0 0 0 4 3；7.河北工程大学，邯郸 0 5 6 0 3 8)摘要 聚焦竞技滑雪跳台钢结构体系和关键技术创新基础研究，紧密结合国家发展战略对冰雪竞技比赛体育设施的重大需求，通过产-学-研-用的研发模式，对跳台的选址规划、构件材料、结构建造、坡度设计、雪道检测、功能转化等进行了系统的创新，创建了工业遗产环境下新型赛道设施设计方法和技术体系，成功地完成了世界首例滑雪大跳台永久竞赛设施设计，实现了与工业遗产的完美结合；基于新型特殊性能钢材的大型构件高精度装配建造技术，实现了钢材耐腐蚀性能提升，赛道装配率100%，工期缩短近30%，赛道主体钢结构建造精度达到毫米级；赛时赛道的精准维护与控制技术，首次在国际上实现赛事运营状态下毫米级的赛道基准面控制及厘米级的赛道雪面控制；竞技类跳跃项目的赛道转换与人因分析的场馆全季利用技术，在国际上首次实现了世界杯及以上级别该类项目的赛事赛道结构48小时内转换。该项目成功应用于北京2022冬奥会首钢滑雪大跳台中心项目建设及赛后利用，积极回应了科学办赛理念与奥林匹克可持续诉求，支撑我国运动员在首钢滑雪大跳台2金成绩的取得，为北京冬奥会的顺利举行作出了突出贡献，得到了国际奥委会、国际跳台滑雪等国际组织的高度评价。关键词 滑雪跳台；工业遗产；特殊性能钢；装配建造；赛道转换；人因分析；冬奥会The key Technology of Sustainable Utilization in the Whole Process of Beijing Olympic Capital Steels ski jumpZhangLi2,JinHongLi1,RuanXinWei3,XieMuCai3,ZhuYuFan2,LiJianHui3,BoHongTao5,WangZhaoCun6,MaDongBao3,YangXiao4,LuoGang1,TianZhiHong3,DouGuangLu4,CuiGanLong7(1.Beijing Shougang Construction Investment，Beijing100041；2、Tsinghua University，Beijing100084；3.Beijing Shougang Construc-tion Group，Beijing100041；4.Tsinghua University Architectural Design and Research Institute，Beijing100084；5.Hangzhou Zhonglian Zhujing Architectural Design，Hangzhou310011；6.Beijing Shougang International Engineering Technology，Beijing100043；7.Hebei University of Engineering，Handan056038)Abstract:Focusing on the basic research of steel structure system and key technology innovation of ski jump,combining with the national development strategy and the great demand of sports facilitiesof ice and snow competition,through the r&D mode of production-learning-research-application,systematic innovations have been made in site planning,component materials,structure construction,slope design,ski run detection,function transformation,etc.,the design method and technical system of new-type track facilities under the environment of industrial heritage were established,and the design of the worlds first permanent ski jump facility was successfully completed Based on the high-precision Assembly Construction Technology of new special performance steel,the corrosion resistance of steel can be improved.The assembly rate of Racetrack is 100%DOI:10.16116/ki.jskj.2023.11.01986 建设科技特 别 关 注The Special Focus“华夏奖”专刊,the construction period is shortened by nearly 30%,and the construction precision of main steel structure of racetrack reaches millimeter level The precision maintenance and control technology of the track during the race,the first time in the world to achieve the operation of the track under the millimeter-level control and the centimeter-level control of the track snow;In the world,the track structure of the World Cup and above has been changed within 48 hours for the first time in the world.The project was successfully applied to the construction and post-competition utilization of Shougang Ski Jump Center in Beijing 2022 Winter Olympic Games,supporting our athletes in the Shougang Ski Jump 2 gold results,for the smooth holding of the Beijing Winter Olympic Games has made outstanding contributions,it is highly regarded by international organisations such as International Olympic Committee and international ski jumping.Keywords:Ski Jump;industrial heritage;special performance steel;assembly and construction;track conversion;human factors analysis;Winter Olympics首钢滑雪大跳台坐落于北京石景山首钢老工业园区北区，是北京2022冬奥会北京赛区唯一的雪上竞赛场馆，这一项目最早在2017年1月13日选址首钢工业园区后启动。在国际雪联专家的支持下，北京首钢建设投资有限公司联合清华大学、清华大学建筑设计研究院有限公司、北京首钢建设集团有限公司、北京首钢筑境国际建筑设计有限公司、北京首钢国际工程技术有限公司、河北工程大学等技术团队研发并应用了首钢滑雪大跳台全流程可持续利用关键技术。2019年11月，首钢滑雪大跳台竣工验收。在北京2022冬奥会期间，首钢滑雪大跳台成功举办了男子、女子单板滑雪大跳台与自由式滑雪大跳台项目，共产生4枚金牌，中国运动员谷爱凌、苏翊鸣分别在此夺得1枚金牌。在北京冬奥会、冬残奥会总结表彰大会上，首钢滑雪大跳台“雪飞天”在总书记讲话中得到肯定，是“造福人民的优质资产”之一。1 主要创新成果1.1 创新成果一：基于人因分析的永久滑雪大跳台竞赛设施设计创新（1）首创了世界第一个永久跳台赛道设计，支撑了运动员竞技水平的提升。此技术旨在确定世界首个永久跳台赛道的技术规格（见图1），以解决以往临时赛道尺寸偏小、运动员发挥受到限制的问题。此技术包括赛道剖面曲线和FOP各区域几何规格两个方面。相较于上一届平昌冬奥会的滑雪大跳台赛道剖面曲线，首钢赛道剖面曲线的出发区高度增加15.5m，起跳区高度增加7m，赛道总长度增加60m。首钢赛道剖面曲线的规格更高，面向该项运动的未来发展（见表1、表2）。（2）首创世界第一个结合工业遗产的奥运场馆赛事组织设计，支撑了运动员、教练员、裁判员、转播工作者等利益相关方的赛时体验的提升。此技术旨在利用人因分析，适应性结合工业遗产形成的客观条件，实现奥运场馆首次与工业遗产零距离衔表1 首钢赛道与平昌赛道竞赛剖面曲线对比表出发区高度(m)起跳区高度(m)赛道长度(m)首钢赛道53.117.0190平昌赛道37.610.1130差值+15.5+7+60表 2 首钢赛道与平昌赛道FOP规格对比表出发区起跳区落地区结束区长(m)宽(m)长(m)宽(m)长(m)宽(m)长(m)宽(m)首钢17.61087.619-2344.823-304030平昌6.4678.710-1437.4203020差值+11.2+4+8.9+9+7.4+3+10+10图1 国际雪联FIS赛道认证书 接的突破，并有效提升各利益相关方的赛时体验。此技术关注对滑雪大跳台项目赛时体验至关重要的运动员出发区视域、裁判塔界面设计、转播角度设置、风环境控制和赛事组织的路由布局。本项目成果竞赛设施手册 Overlay Book是奥运历史上第一个与工业遗产结合的奥运竞赛设施手册，是此类设施赛事组织的新标准。建设科技 87一 等 奖课题组借助深度学习技术，对比赛期间运动员在出发区准备阶段的头部姿势进行逐帧识别和估计，结合360 影像，实现了运动员第一人称视角的重建。相比于平昌滑雪大跳台，运动员在首钢滑雪大跳台出发区的视角更多地集中在水平正前方，眺望远处的工业和城市景观（见图2）。项目塑造的开阔视域和多层次景观帮助运动员在出发前更好地调整状态。本项目首创封闭式裁判塔设计，并选用曲面玻璃界面设计，一改过去临时赛道露天的裁判条件，在提升裁判员赛时安全性与舒适度同时，最大限度优化裁判观赛视野，避免结构可能带来的视野死角（见图3）。图 2 运动员出发前头部姿势估计与第一人称视角重建图 3 裁判第一人称视角下裁判塔界面设计比较（右为曲面玻璃）图 4 转播镜头分析与场景设计 本项目基于大跳台赛事转播的特点，优化了机位布置和镜头设计（见图4）。项目将首钢园区标志性的工业遗产冷却塔作为赛时运动员空中动作的背景。在竞赛设施设计阶段，项目基于运动员飞行轨迹和冷却塔位置，反推相应机位的空间位置，在相应设施上预留机位所需空间；通过镜头视角在冷却塔上的投影，帮助确定了冷却塔上标志性的会徽位置。该机位捕捉的运动员飞跃瞬间是比赛转播中的高频镜头，成功成为本届冬奥会在社交媒体上的重要标识之一。本项目结合工业遗产可持续再利用，形成奥林匹克赛事组织的前院区与后院区。技术难点包括两个方面：其一，协调组织工业遗产场地的原有布局与奥运赛事组织的布局要求；其二，协调工业遗产建筑的原有构造与奥运配套设施的功能要求。本项目利用制氧厂旧厂房进行改造形成前院区，用于服务观众。本项目利用冷却塔下和其北部旧电厂改造的酒店（香格里拉酒店）形成后院区，用于服务赛事工作人员。通过采用轻量的临时构造，将奥运配套设施灵活地置入工业遗产建筑的固定结构中。（3）基于人因分析技术的比赛场馆和空间设计创新。项目创造性地在设计阶段引入客观人因测度，采用实证数据分析大跳台的标识性效果，为关键设计决策提供循证支持。这是这一技术在全球奥运项目中的首次应用1（见图5）。课题组面向大跳台设计决策需求，研发了相应的人因模拟与预测技术，以更加精准地判断大跳台构成的新天际线对未来使用人群的吸引力。图5 不同方位角场景中被试的注视时长分布及平均皮电反应变化1.2 创新成果二：赛道结构震动控制与高精度建造技术（1）基于新型耐火耐候钢的钢结构体系及微震动控制技术。项目研发基于永久钢结构体系的微震动控制技术。以往跳台采用的临时性密铺结构体系具有两方面缺陷：其一，临时结构的位移形变大，不坑震动，对运动员造成干扰；其二，密铺的临时支撑结构完全占用跳台下的空间，造成空间无效占用，降低赛事组织的效率。88 建设科技特 别 关 注The Special Focus“华夏奖”专刊经测算，施加运动员冲击荷载后首钢大跳台Z向位移增量为63m，临时性跳台Z向位移增量为758m，临时性跳台模型是永久大跳台模型12.03倍；首钢大跳台X向位移增量为2m，临时性跳台X向位移增量为567m，临时性跳台模型是永久大跳台模型283.5倍。与以往跳台临时支撑结构体系相比，首钢滑雪大跳台抗震动性能更强，可以给运动员带来更舒适的竞赛体验。项目研发新型耐火耐候钢。在国际上首次采用TMCP工 艺 开 发 了 低Mo成 分（Mo0.30%）体 系345MPa级高性能抗震耐火耐候钢及配套连接关键技术。对比国内外耐火耐候钢材主要技术指标，与高Mo成分体系、正火+回火工艺生产相比，降低生产成本920元/t。同时，本项目研发的新型特殊性能钢材通过与高强度结构钢优化组合，使首钢滑雪大跳台节省用钢量9.75%，减少碳排量约950t。（2）大跨度异形钢结构合拢口毫米级建造技术。项目研发大部件模块化分段及模块化安装技术。采用Tekla软件建模进行深化设计，通过部件、模块的实测值与设计理论值匹配分析，获得各拼接面的误差，通过技术手段调整使实测特征值与理论部件位置达到最佳结合，保证的构件的制造精度和模块的安装精度。通过部件模块化设计、工厂标准化制作、现场模块化拼装，保证工程实体质量。整个结构共划分成15个大模块吊装，大大减少了吊装工作量，并确保单个模块最多12个接口一次性准确安装就位。（3）跳台赛道基准面曲线毫米级成型及控制技术。图6 赛道钢桁架胎架项目研发数字化坐标转换技术。基于三维信息模型全过程数字化方法，通过建立空间弯扭结构深化设计软件及参数化节点库，将空间结构原位关键点坐标转换到变位坐标施工胎架上。用全站仪、经纬仪、水准仪对胎具点位及高程定位，胎架搭设完成后提交验收，保证胎架牢固可靠（见图6），有效降低作业高度，降低施工难度。同时与BIM信息平台相结合，采用数控加工，在零件组装过程中在保证预拱度要求的前提下减小焊接变形对结构线型的影响，实现构件状态在线管控。分区同步分级卸载技术。设计4个卸载区，16个卸载点，采用异形支撑与数字液压组合卸载装置，形成调控曲线构件精准安装和卸载控制技术，进行分区分级同步卸载。精密测量和实时变位监测技术。采用大跨度异型钢桁架结构模块空间组装精度控制方法，通过动态纠偏措施，有效解决因模块化吊装而产生的对接误差累计值较大的施工难点，将空间三维结构准确安装到设计的空间位置的难题，使吊装始终处于受控状态。采用智能全站仪，通过三维模型给定构件定位相对坐标，对安装全过程进行数字化监测，对于精度不足的部分及时做出调整，保证施工效率。利用实时态监测和数据采集技术，创新融合工业级三维精密测量与3D激光扫描，扫描生成的实测模型与理论模型进行对比，确保赛道结构曲线建造精度（见图7）。图7 3D扫描仪进行线型平整度扫描（4）基于5G传输、北斗系统的赛道雪面毫米级实时检测技术。项目研发全钢结构滑雪跳台钢板基底滑道固雪网固定结构关键技术。此前，赛事所使用的滑雪大跳台为临时性支撑结构搭建，采用铺设钢管定型赛道基准面，上铺多层板（如，竹胶板等），钉防滑木条，铺大眼网，再铺雪层。该方法雪面稳定性较差，精度难以控制。本项目研发的固雪网固定结构关键技术有效解决以上问题，实现多层复合雪道层柔性施工技术，通过利用无纺布与聚乙烯疏水板复合结构物理导热效应，使导热系数由52.34W/(mK)降到0.20.4W/(mK)，约为钢板0时导热系数的1/1301/260，从而有效应对钢板导热对赛道雪层的负面影响（见8-12）。项目研发基于5G传输、北斗系统的赛道雪面快速检测技术。采用RTK变位监测技术对赛道雪面完成状态实时监控，利用激光测试技术评估赛道雪面平整性状态，使赛道雪面平整性的检测达到毫米级精度。此技术建设科技 89一 等 奖包含RTK后差分技术、5G传输技术、智能检测装置3项关键技术。项目所研发的实时检测技术采用激光测距法，可对赛道雪面进行连续测量，平整性波动误差均在 2mm范围内，采用RTK后差分技术可以实现赛道基准面结构的实时监测，应用5G传输系统与北斗系统结合，测量速度达5m/min，实现了赛道基准面和雪面变位实时监测误差低于2mm，实现赛道雪面线形检测误差不超过1cm的厘米级精度要求。1.3 创新成果三：赛道快速转换技术（1）大跳台与空中技巧赛道兼容剖面曲线生成技术。本项目创新研发了大跳台与空中技巧赛道兼容剖面曲线生成技术，实现起跳台与着陆破的共享，为同时满足BA比赛与AE比赛提供结构基础。在国际雪联专家乔菲茨杰拉德（Joe Fitzgerald）与大卫赛拉图（Davide Cerato）的共同认证下，首钢滑雪大跳台赛道剖面曲线为图15所示，唯一差异段在助滑区段，最大高差约3.5m，具备了赛道转换的可行性。图15 赛道转换剖面分析图（2）正四面体模块化赛道快速转换结构体系。该快速转换结构体系由模块与连接点两部分组成：基于金刚石分子式的正四面体模块，其强度、刚度符合赛道稳定性要求，同时具备各个方向的延展性；正四面体连接节点，通过节点四个面上的连接螺栓与正四面体模块四个角切角后形成的四个面相连接，使其便于空间上的延展，同时，四面体节点采用四块钢板拼接，四个面形心布置内螺纹的螺栓孔，孔径根据节点受力与相 图8 钢板基地固雪基层处理示意图 图9 固雪网拉结板固定示意 图10 固雪网拉结板模型图11 固雪网固定示意图 图12 疏水板及固雪网安装图图13 平整性测试仪试验样机制作过程图14 首钢大跳台测试现场（下转97页）建设科技 97一 等 奖低50%以上，保障了供水安全（见图8）。图8 多功能纳米混凝剂在饮用水处理中的应用4.3 多功能纳米混凝剂在污水除磷中的应用项目建立药剂生产基地所生产的纳米除磷剂，可实现高效深度除磷，同时对COD等指标也有一定去除能力，在北京、天津、山东、宁夏、深圳等多个省市工程项目应用。高效除磷药剂较传统药剂节省药剂10-50%，可实现出水稳定达标。产品为透明液体，避免杂质堵塞现场投加装置，运行稳定，且投加简单方便，不改变原有水处理设备与设施（见图9）。图9 多功能纳米混凝剂在污水除磷中的应用应的螺栓配套，整体重量大大减轻，减少对下部结构的影响（见图16）。图16 赛道转换体系搭建示意2 项目成果本项目已获得授权专利23项，其中发明专利8项，实用新型专利15项，软件著作权3项，出版学术专著3部，发表SCI、SSCI、中文核心期刊等学术论文22篇，参编标准3部，经中国建筑学会成果评价，认为项目是国际上建筑艺术与工程技术及工业遗产利用完美结合的典型范例，成果整体达到国际先进水平，其中永久性滑雪大跳台竞赛设施设计、赛道结构震动控制和高精度建造技术、赛道快速转换技术与人因分析技术等成果达到国际领先水平。（上接89页）（注：图 1国际雪联 FIS 赛道认证书由清华大学建筑设计研究院提供。表 1 首钢赛道与平昌赛道竞赛剖面曲线对比表来源清华大学。表 2 首钢赛道与平昌赛道 FOP 规格对比表来源清华大学。图 5 不同方位角场景中被试的注视时长分布及平均皮电反应变化 图片来自参考文献1 张利，朱育帆，谢祺旭，梅笑寒.人因分析在北京冬奥会首钢滑雪大跳“雪飞天”设计中的应用 J.世界建筑,2022(06):038-043。图 13平整性测试仪试验样机制作过程来源河北工程大学。图 14首钢大跳台测试现场来源河北工程大学。图片 16赛道转换体系搭建示意来源清华大学建筑设计研究院有限公司。）参考文献1 张利，朱育帆，谢祺旭，梅笑寒.人因分析在北京冬奥会首钢滑雪大跳“雪飞天”设计中的应用J.世界建筑,2022(06):038-043.CC