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时间:2022-01-11 来源: 作者:冯琪 吴苹苹 刘洋

新京报整版:人因技术、生态修复 绿色冬奥的智慧方案

位于张家口赛区的国家跳台滑雪中心“雪如意”。 清华大学建筑设计研究院简盟工作室供图

张利

清华大学建筑皇冠体育官网院长

张志翔

北京林业大学教授

测冰车正在测冰。受访者供图

让“超人”运动员使用的场馆在赛后也能为大众所用;将首钢滑雪大跳台融入天际线,延续工业遗产记忆;花费6年的时间,完成延庆赛区214万平方米生态修复工作;利用风洞实验室相关技术保障冬奥延庆赛区工程建设的安全性和经济性……北京冬奥会一直秉持绿色办赛的理念,在场馆设计与建设、赛区生态保护等方面,离不开众多高校的科技助力。

清华大学建筑皇冠体育官网团队

“人因技术”服务场馆设计

落差140米、形状与竞赛需求高度契合……冬奥会跳台滑雪项目对山形地貌有着特殊要求,位于河北省张家口市的这座山谷,是天赐之地。

这里坐落着国家跳台滑雪中心,由于其设计灵感来自中国传统饰物“如意”,因此得名“雪如意”。

北京2022年冬奥张家口赛区整体及全部场馆和北京赛区首钢场馆的规划设计工作,由清华大学建筑皇冠体育官网团队主导。清华大学建筑皇冠体育官网院长张利担任北京冬奥会张家口赛区和首钢滑雪大跳台总设计师,国家跳台滑雪中心“雪如意”和首钢滑雪大跳台就是由他主持。

2021年12月29日晚,张利教授在“人文清华”讲坛讲述了场馆设计及建设的幕后故事。

“只要我们在地表进行空间的设计改造,就面临着人对美好生活的需求。设计师依赖的数据或者人因测试的记录,并没有改变服务的对象,只是让设计师更好地、用更精准的方法去服务这些对象。”张利指出,这种方法不仅适用于像冬奥场馆这样的大型比赛设施,也适用于城市日常生活空间的改造设计。

“冰玉环”成就“2.5小时”慢行体验

记者了解到,以往冬奥会跳台场馆的跳台落差超百米,普通人无法使用,也提供不了很好的观光体验。对此,张利团队沿用了城市设计中常用到的“2.5小时慢行体验”原则。在场馆群之间,附加做了步行桥“冰玉环”,西半环总长1.7公里,距地面高7米,便于观众往返于场馆间,形成一个慢行体验。

“我们靠表情分析来记录、测试走过这条路时的心理变化,比如刚走到陡坡时心里一惊,习惯了以后欣赏周边的山谷环境就开始愉悦……”张利解释称,依靠“人因技术”,将通过穿戴设备所收集的人的生理信息、心理信息和环境空间进行耦合,就能判断出人和环境之间交互的强度;用虚拟现实模拟出可能性,再用实测数据进行反馈,就可以得到对“固定空间关系下人可能产生的驻留时间”的基准判断。

张利指出,通过眼动追踪人的注视时长,也可对结论进行验证。“依据测算,这个场馆群整体能提供约185分钟的停留时间。”

借助VR技术打造环形共享空间

“雪如意”顶端,是一个具有环状空间的顶峰俱乐部。

张利称,“雪如意”顶部空间之所以要做成环状(意即中间掏空),是因为掏空能做得轻,解决承重问题;而在哪个地方掏空,并不是凭经验拍脑袋,而是借助了人因技术。具体而言,通过虚拟现实环境来测试人们在不同地方的驻留时间,最终选择了驻留时间最长的方案。实际建成后,又在现场对9组志愿者进行测试,测试结果符合对设计方案的预期。

顶峰俱乐部还是一个可以用于共享的集会空间,A区用来观景,B区赛后可以用于休闲,办展览、演出、会议、婚礼等等。

延续工业遗产记忆,保留首钢天际线

“我在北京长大,小时候去首钢,最主要的记忆就是四个冷却塔,加上后面的西山,和前面的冷却池,形成一道天际线。”在首钢滑雪大跳台的设计中,张利面临的挑战是如何延续工业遗产的记忆,让新跳台不破坏这道天际线?

“我们借助人因技术,从东南方向开始,每5度做一个测试场景,请志愿者被试帮助判断。”张利称,过程中,测试人的皮电,以及对跳台、冷却塔和西山的注视时长等,根据测试数据确定跳台的最终方位。

“建筑设计要解决的问题、设计所依赖判断的数据,永远来自生活,来自生活中的每个人,而依赖这些数据去寻找解决问题的答案,反过来也服务于生活中的人,这就是为什么建筑必须来自我们,为了我们。”张利说道。

北京林业大学专家团队

助力赛区生态环境保护

“绿色办奥”是北京冬奥会的重要宗旨。在建设冬奥会相关设施的同时,如何保护赛区的生态环境及生物多样性,一直都是冬奥会筹备过程中的关键问题。

在“绿色办奥”背后,来自北京林业大学的专家队伍为延庆赛区的生态环境修复工作“出谋划策”。北京林业大学教授张志翔便是其中一员。

2021年7月6日,北京市重大项目办披露,北京冬奥会延庆赛区生态修复工程已于6月底完工。这是北京冬奥会建设周期最长的一项工程。6年来,生态修复团队共计完成214万平方米的生态修复工作。

“进入延庆赛区开展建设的第一支队伍”

2016年起,张志翔正式开展延庆赛区的环境保护工作。随后,北京林业大学生态与自然保护皇冠体育官网、林皇冠体育官网等相应学科教授组成“北京2022冬奥会延庆赛区生态环境保护技术与管理支撑团队”。“我们2016年进入赛区开展工作,可以说是冬奥会申办成功之后进入延庆赛区开展建设的第一支队伍。”

“延庆赛区比较特殊,它是在森林环境中建设的赛区,和北京原有的夏奥场馆不一样。”张志翔介绍,基于延庆赛区的特殊性,延庆区政府委托北京林业大学开展延庆赛区生态系统本底资源调查工作。

张志翔表示,延庆赛区所在地的森林资源虽保护得比较好,但所在地阴坡则“坡陡、土松、石砾多”,阳坡则裸露岩石多,易出现干旱的情况。这也意味着,一旦这个地方的植被遭到破坏,非常容易引起严重的水土流失。而赛区施工过程中难免会砍伐一些植被,由此带来的自然灾害隐患非常多,植被修复的难度也很大。

针对这些生态修复初期存在的难点,张志翔及团队在调查中将这些难题进行梳理,并科学规划如何解决上述问题。这为团队后续的生态修复工作提供了科学依据,也为施工单位提出了科学的建议。

从2016年8月至2017年3月,支撑团队对约10平方千米的设施建设核心区域进行了重点调查,对20平方千米的项目区综合评估调查区域进行了一般调查,对周边大约120平方千米的范围进行了踏查,并开展地质地貌、气象水文、土壤、植被、生物物种及其多样性等调查,完成了《延庆赛区生态系统本底资源调查报告》。

“这个报告对延庆赛区的建设极其关键。资源调查报告出台后,支撑了延庆赛区开工所需的环境评估,为赛区顺利开工奠定了基础。”张志翔说道。

“全手工”回收表土,促进赛区植被修复

在生态修复的过程中,恢复赛区中原有的植被类型是其中的一项重大工程。

据张志翔介绍,赛区建设完后需要对植被进行恢复。最重要的是要利用原有植物的种子进行恢复,而表土便是原生植被的种子库。对表土进行剥离、收集,建设完再把表土进行回填,可以有效避免外来物种的入侵,充分发挥原有种子库的作用,恢复原生植被。

基于此,团队建议施工单位在建设过程中对表土进行剥离,“前期进行了大量的表土剥离,把这些表土装起来运到合适的地方保存,并采取一些措施保证种子不失活。”张志翔说道。

因为山地比较陡峭,且担心机械作业会造成植被损坏,剥离表土的工作只能通过全手工的方式进行操作。延庆赛区共计剥离利用表土80000余立方米,建立表土利用示范区面积约6.5公顷,并建成了赛区表土资源实物与数据库。

此外,张志翔强调,延庆赛区的植被修复需要遵循几大原则。首先,要利用乡土植物进行植被修复。其次,修复应遵循近自然型的恢复理念,不能将植被修复公园化、花园化,导致其修复后与周围自然景观不相协调。再者,在植物恢复的过程中,要采用比较自然的种植的方式,避免植物成排成行,人工痕迹过重。同时,植被修复要进行常绿树种和落叶树种搭配,提高冬季的绿色景观。

助力国家实现“绿色冬奥”

回顾延庆赛区的生态修复的过程,张志翔分享了他印象深刻的瞬间。

2019年7月,延庆赛区下了场大暴雨。大暴雨冲起大量的泥沙,把团队制作的北京水毛茛保护示范区全部给淹没了。“当时特别难受,也很失望。”

但团队并未放弃。在冬季时对水毛茛进行重新种植。据了解,团队已完成了北京水毛茛在内的10种保护植物种子繁育与苗木管理技术研究,育苗6000余株,建立北京水毛茛保护示范区15㎡。而延庆赛区也早已完成相关流域治理,暴雨淹没示范区的情况也不复存在。

团队付出取得了丰硕的成果。张志翔所在的团队在参与延庆赛区生态修复的过程中还制定了雪道植被恢复方案、边坡植被恢复方案等。同时,团队全方位开展了珍稀濒危和保护植物及可利用树种资源的保护和利用,并建立了冬奥大树移植基地,确保夏季移植成活率达92%以上。

在张志翔看来,延庆赛区建设中的生态修复、生物多样性保护等工作,都与“绿色办奥”密切相关。他也期待能够通过延庆赛区的生态修复工作,助力国家实现“绿色冬奥”。

北航交通科学与工程皇冠体育官网柯鹏团队

“测冰神器”给出制冰答案

赛场上的“黑科技”始于人,又不止于人。为帮助冰场提高冰面质量,北京航空航天大学交通科学与工程皇冠体育官网副教授柯鹏带领团队研发了“测冰神器”。

“我国运动员水平非常高,冰面好不好他们感觉非常明显。”柯鹏回忆,在2021年3、4月份,他们冰场有一块区域谁都不愿意用,“明明并列排着的两块冰,为啥这个好,那个就不好呢?当时大家都很疑惑。”

于是,柯鹏团队研发了测试装置,从温度、厚度、硬度、摩擦系数等方面对冰面进行测试。其中一个装置就是一个小冰车,车下是冰刀,科学家将涵道风扇装到了冰车上,推动小车在冰上模拟运动员的压力条件、滑行速度和滑行过程,利用车上高精度的传感器,测试冰面的情况,从而获得具体的参数,从理论层面对制冰师提出要求。

柯鹏介绍,测冰车已经过多次优化和完善,在国内多个大型冰场实地应用。不仅能测试冰,还可以测试设备。“比如同一块冰我们可以测试不同的冰刀,同一把冰刀可以测试不同的冰。”

大数据应用也会引入其中,柯鹏透露,当测冰车获得的数据积累到一定程度,就可以不需要小冰车,借助数据库后期可通过相应指标参数,算出冰面情况。

北京交通大学土木建筑工程皇冠体育官网团队

保证赛区建设既安全又经济

不同区域的建筑,采用不同的设计风速,保证工程建设的安全性和经济性,也是科技助力冬奥建设中,科学家所做的鲜为人知的努力。

延庆赛区是北京冬奥会和冬残奥会三大赛区之一,位于北京西北部小海坨山地区。赛区共有5个场馆,包括两个竞赛场馆:国家高山滑雪中心、国家雪车雪橇中心。赛区哪里该设置挡风墙,挡风效率如何,临时设施怎样搭建能够既抗风又经济,这些都是建设中需要解决的问题。

早在2018年,北京交通大学土木建筑工程皇冠体育官网教授李波便带领团队配合延庆赛区的建设团队做场馆建设的工作。在高山滑雪中心最高处俯瞰,那些永久性的建筑物散落在山间。每个建筑物所在位置、设计风速,是李波及其团队帮助解决的。

李波介绍,团队通过延庆赛区全地形风洞试验的方式,结合历年来当地的气象数据,确定小海坨山地区不同区域的设计风速。

以国家雪车雪橇中心为例,李波介绍,雪车雪橇赛道建在南坡,太阳直射会影响场馆的能耗,需要增加遮阳棚降低能耗,解决遮阳棚的抗风参数等也是团队需要重点解决的问题。


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