建筑师郑方:验算3万多种不同工况打造“冰丝带”动感屋顶

郑方,一级注册建筑师,北京市建筑设计研究院副总建筑师。中国建筑601668股吧)学会资深会员,中国建筑学会建筑师分会、体育建筑分会理事。北京2022年冬奥会国家速滑馆(冰丝带)、国家游泳中心冰壶赛场(冰立方)设计总负责人;曾主持北京2008年奥运会国家游泳中心(水立方)、国家网球中心等5个竞赛场馆设计,获中国青年科技奖、中国建筑学会青年建筑师奖等荣誉,中共中央、国务院表彰北京奥运会、残奥会先进个人。1993年本科毕业于同济大学;1996年硕士毕业于清华大学;2014年博士毕业于清华大学。

场馆设计中的每一个技术考虑,都受可持续理念的支撑,给技术的使用赋予意义。建筑不只是美好生活的场所,它还是一个凝聚当今技术力量的复杂系统;它帮我们恢复失去的统一,重建我们与自然、社会休戚与共的感觉。我始终觉得,成为一个建筑师,有幸设计这些奥运场馆,为我们和我们的孩子们生活、热爱的城市描绘壮丽的画面、辉煌的场景,是我一生的荣耀。

“如果我们短暂的一生有一些必须要做的事情,那么到体育场看比赛,一定是我全力推荐的。”建筑师郑方认为,在体育场馆观看比赛是无与伦比的体验,能够亲眼见证赛场上精妙绝伦的技巧、风驰电掣的速度和石破天惊的力量。

郑方和体育场馆的设计结缘已有20多年。初次参加体育场馆设计,是在他清华大学硕士毕业后;而他的博士毕业典礼,又正是在自己参加设计的清华大学综合体育中心举办的。

从2003年至今,郑方主持了北京奥运会、冬奥会两次奥运会7个竞赛场馆的建筑设计,“水立方”“冰丝带”,这些北京中轴线上的标志性建筑均出自郑方之手。

在郑方看来,建筑是“从无到有”的奇迹,奥运场馆则是最为复杂和最具挑战的设计。

郑方的建筑设计生涯起始于他的求学之路。1988年,郑方以优异成绩考入建筑学专业盛名卓著的同济大学。

和许多中学生一样,郑方也是在进入大学后,才真正了解到自己学的专业是什么。能绘图是对建筑师最基本的要求,上大学之前,郑方并没有接受过美术基础训练,大学老师鼓励他:“你其他科目学得都这么好,学美术也没什么难的。”

成为一名建筑师,要学习非常广博的知识,从绘图、美术、工程技术到建筑物理、建筑历史,“建筑师是一个‘杂家’,一个博学的职业。”郑方认为,设计是一个“从无到有”的过程。“从一片空场地到形成建筑,其间要协调很多专业,把结构、设备等协同安排到一个空间里面,这是建筑师的工作。所以建筑师需要学习各个专业的基础知识。”

在学习过程中,郑方也慢慢理解设计和创作——建筑必备的功能之外,建筑师还要有自己的信念,建筑要回答“时代的问题”。

1996年,郑方从清华大学硕士毕业,来到清华设计院工作。在这里,他跟随庄惟敏先生,参加了清华大学综合体育中心的设计。“每个体育馆占据的空间都很大,都是超级工程。”从学院到工地,他开始在设计中学习、研究技术复杂的大跨度结构,为之后设计奥运场馆这样的超级结构打下了基础。

后来,郑方师从庄惟敏攻读博士,继续在建筑领域深造。2014年毕业的时候,博士学位授予典礼刚好就在他参与设计的清华大学综合体育中心举办。

从2003年开始,郑方主持2008北京奥运会场馆的设计,与奥运结缘。他主持设计了国家游泳中心(“水立方”)、国家网球中心等5个竞赛场馆设计,并圆满完成场馆的赛后改造工作。

从2003年开始,一直到2009年,7年间他一直服务于奥运会。“2015年7月31日,听到北京申办冬奥成功的消息,我内心深处有一个特别强烈的愿望:尽我所学,服务冬奥。”郑方这样说。

如果说建造体育场馆是一个“超级工程”,那么设计奥运会的体育场馆,用郑方的话说,就是在设计“最为复杂的超级结构”。

“奥运场馆是我职业生涯中主持设计的最复杂项目,没有之一。”郑方说,从建筑学的角度来讲,建筑效果、结构、幕墙、机电、声学、温度、光环境,样样都要考虑,其中包含很多复杂的技术挑战。此外,还需要考虑让建筑实现场馆运行的复杂功能。种种因素交织在奥运场馆这样动辄上百米跨度的超级结构中,极具挑战。

把一个奥运场馆“从无到有”地设计、建造出来,建筑师要串起场馆的体育功能、赛时运营、赛后利用等各方面需求。

“我会花大量的时间,和同事们用计算机模型做研究,找到最合适的设计状态。”郑方要找到自己眼中“合适的数字模型”,即使单单从体育功能的实现来考虑,也需要建筑师反复进行论证。

每一个奥运场馆设计,郑方首先就要确保实现最高标准的场地和环境,为运动员提供最好的舞台。“对奥运会来讲,最高标准是毫无疑问的,”拿国家速滑馆“冰丝带”来说,建筑师要严格控制比赛场地的建设,包括冰场和周围的环境,温度、湿度、风速等等,来尽力实现“最快的冰”。

奥运会的参与人群多种多样,决定了奥运场馆运营的复杂性——要为观众、运动员、媒体、官员,创造最佳的使用体验。“每个主办城市在举办奥运会时,都会不断地调整场馆运行需求。目前北京冬奥会场馆的运行方案也还在不断地调整、变化当中。”郑方说。

场馆赛后如何运营,对建筑师也是一种考验。“当初设计‘水立方’时,就完全没想到会用它来举行冬奥会比赛。‘水立方’还曾举办国事活动、大型演出等,这显示了通用建筑空间在运营实践中的巨大潜力。”郑方说,场馆的团队不可能在最初时就预见它的全部使用方式。这时候,用“通用”的方式去设计,塑造一个开放的框架,为未来留有空间,是最有预见性的选择。

国家速滑馆“冰丝带”也是如此。其冰场面积约1.2万平方米,是奥林匹克公园里最大的单一室内通用空间。“在这样大的空间里,有无限的使用可能。”郑方告诉记者,比赛大厅的屋顶上,每一个节点都预留了吊钩,可以用于演出、举办活动时悬挂设备。场馆中还有很多这样的小细节,都是为赛后使用预留的考虑。

“冰丝带”的设计中充满绿色、低碳的细节。“冬奥场馆的设计更加体现了在新的时代,我们面对环境问题的态度。”在郑方看来,这既是当下时代的要求,也是面向未来的设计方法。

“‘冰丝带’的比赛大厅就像是一个冰箱,里面有一块非常大的冰。要把容纳这块冰的冰箱的容积做得小一点,这样才能省电。”因此,建筑师要尽可能地把“冰箱”做小。

“冰丝带”的冰场面积约1.2万平方米,是世界上面积最大的人工冰场之一。为了减少比赛大厅的容积,降低空调、除湿等负荷,“冰丝带”的屋顶设计成为向下弯曲的抛物面方式,这样冰上面的空间就会更小。屋顶呈现两边高、中间向下弯的形状,像一片薯片。

在结构选材上,一个向下弯曲的屋顶,是钢索受力最有效的形状。“原理很简单,一根钢索由于自身重力,会自然下垂、弯曲,用来构成弯曲的屋顶效率最高。”郑方解释。

这种双曲面马鞍形单层索网结构屋面设计,每平方米索网屋顶使用大概27公斤钢材,能够极大地节约材料,用钢量仅为传统钢结构屋面的四分之一。

2019年5月5日,国家速滑馆施工现场,郑方(左)介绍索网结构设计过程。受访者供图

钢索自由悬垂的原理虽然听起来简单,但是需要寻找力学上最有效的曲面方程,需要经过大量的计算。

“冰丝带”屋顶的形状是经过复杂的建模、数值模拟、实验和计算才确定的。既要好看,又要符合冰场内部使用空间的要求;既要使用最少的钢材,又要发挥最大的性能。郑方和结构工程师们一起去寻找这个答案,最后获得了完美的平衡点。

为了让结构可靠,工程师们把风、雨、雪、地震等各种不同的受力情况相组合,验算了3万多种不同的工况组合,完成了结构找形、优化和模拟。

郑方介绍,“冰丝带”采用了轻盈的索网结构、天然的二氧化碳制冷工艺,再加上紧凑的空间、自然通风采光、节能运行的机电系统设计,这些技术形成了一个完整的“可持续”的技术体系。

2016年7月22日,国家速滑馆的建筑概念方案国际竞赛开始。经过角逐,“冰丝带”设计方案获胜。专家们认为,“冰丝带”的建筑立面线条流畅、造型富有动感,体现了冰上运动的速度和激情。

大道至简,“简洁、好看”,这是郑方对建筑美的一种设计标准。然而,建筑师要把复杂的考虑融入到建筑设计中,并最终形成一个“简洁、好看”的建筑,这便是不简单之处。

郑方回忆,在所有参加竞赛的方案里,“冰丝带”是唯一一个完整的椭圆形。“最开始,凭着冬奥会速滑馆是国家符号的一个直觉,就觉得速滑馆应该是一个完整的椭圆形。速滑比赛又称为‘大道速滑’,我们中国人常讲大道至简,所以速滑馆作为冬奥会的代表建筑,也是国家符号,应该简洁有力、完整,可以被记忆。”

他补充,“冰丝带”,设计的创想是把坚硬的冰做成轻盈飘逸的丝带。从材料上考虑,冰应该是质地坚硬的,但经过设计的思考,冰变成了弯曲编织的丝带。这是一种刚柔并济的感觉,包含中国传统的智慧。

“建筑就是这样,它看上去很简洁,但是会有不同专业、不同维度的思考,从而让技术通过设计变得有意义。”郑方认为,工程技术能够建造复杂的建筑,但是这些技术应该以我们喜欢、有意义的方式来服务我们的生活,创造美好的空间,提升每一个人的体验。”

郑方:从“冰丝带”的草图开始,先后建立了20多个版本的完整的数字模型,幕墙、屋面的局部模型和图像研究更是不计其数。依靠科技创新的力量,采用最新的数字方法,对建筑的整体构思和每一处细节进行广泛深刻的设计思考,就是匠心精神。

郑方:设计,就是让创新的技术力量凝聚成为建筑的复杂系统。它帮我们恢复失去的统一,重建我们与自然、社会休戚与共的感觉,有一种与之分享和被强化的精神力量。

郑方:为两个奥运设计场馆,亲手为我们和我们的孩子们生活、热爱的城市描绘壮丽的画面、辉煌的场景,是我一生的荣誉。期待这些建筑所展现的理念启示和影响更多的项目,成就更多面向未来的创新技术和设计。

郑方:设计和建造的过程中,会直接面对不同人的审视和技术、经济等各种各样真实的挑战。当方案因为各种原因被修改,偏离设计初衷和核心意图的时候,就是最艰难的时候。但是,好的设计有强大的穿透力,它将克服障碍,最终实现。

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