直径10米“大雪花”如何保证稳定？

清华大学美术学院党委*、教授马赛带队设计北京冬奥会火炬台

直径10米“大雪花”如何保证稳定？

2月4日，北京2022年冬奥会开幕式上，奥运之火在主火炬“大雪花”中心燃起。随后，位于国家体育场（鸟巢）、北京延庆赛区及河北张家口赛区的火炬台被依次点燃，持续燃烧至本届冬奥会和冬残奥会结束，并将成为三地的永久性雕塑。三个赛区的火炬台均由清华大学美术学院党委*、教授马赛带队设计。

一片片“小雪花”组成“大雪花”，橄榄枝周围环绕着“银丝带”，二者非匀速双向同心旋转……作为此次冬奥会的亮点之一，别出心裁的火炬台吸引众人的目光。灵动飘逸的造型背后，是艺术与科技的融合。“不仅是一个美学上的艺术品，更接近一项多学科交叉的工程。”马赛介绍，整个装置的研制过程充分体现了艺术、设计、美学与机械结构的交叉融合。

造型

从“圆形薄片”到“雪花”

2020年11月末，接到冬奥会开闭幕式团队的设计邀请，马赛立即组织工业设计系、雕塑系的教师以及10多名博士生、硕士生成立了设计团队。

马赛表示，出于保密要求，张艺谋导演起初只简单介绍了国际奥委会通过的主火炬的核心元素是直径10米的圆形薄片，希望美院团队能够从设计的角度赋予该核心图形更多的艺术美感，并在满足功能、安全的前提下，实现核心图形更多精妙、复杂的运动。

回来路上，马赛和团队成员反复讨论，这个“圆形薄片”到底是啥？多次分析、讨论之后，团队猜想，“大概率是雪花”，后来的设计也都是围绕雪花展开的。

马赛发现，直径10米的薄片在空中转动，自身重量会让其弯曲，并且只有一个支点落地，“就像跳芭蕾舞一样，人体所有重量全部都落在脚尖上，脚尖上的受力是非常大的。”

此外，“圆形薄片”还要能够三地抵御严寒、强风等，确保支撑强度和稳定性；支撑结构体量不能过粗过大，在造型上要与核心元素相得益彰……这些更为设计增加了难度。

结构

多个支撑点，保证稳定性

“涉及火炬台不单单是艺术造型的问题，还有结构、燃气功能、运动等多方面需要考虑，当体量超过一定的尺度，就演变为工程问题。”马赛说。因此，美术学院团队邀请了清华大学机械系、土木工程系教授团队通力合作。在一次次讨论后，综合考虑风载、雪压以及自重等因素，针对旋转运动支撑结构提出将上下橄榄枝条中的叶子与枝条搭接，构成双支撑结构。

“我们请土木工程系、机械系的老师来测试，考虑材料、重量、厚度等因素，用计算机来模拟测算，在不同风力下，火炬台的受力情况。通过这些数据，我们又把点位进行了加强。”马赛说。

为贴近冰雪语言，马赛将支撑结构设计成为流动起伏的“银丝带”形态。“这是对冬奥会众多赛事项目速度、激情、节奏、跃动等特征的抽象表达。”

在草拟多个模型后，马赛从中筛选出5个并提交给导演组。2021年3月，团队得知，其中一个最为“靠谱”的方案在激烈的竞争中胜出。

寓意

“雪花”将各国联系在一起

大雪花由96片小雪花组成，每一片小雪花上，都镶嵌着一个参赛国和地区的名称。这个构想是张艺谋导演提出的，以此体现奥林匹克更快、更高、更强、更团结的精神。

小雪花如何排布？如何与橄榄枝连接？如何保证强度又能减小风阻？“雪花与雪花之间一定要有某种结构进行连接，而这个连接点如果特别显眼又并不美观。”马赛介绍。

清华大学美术学院通过有限元分析以及拓扑优化等方式提出多个结构上较为合理的创意图案，并针对这些图案进行计算分析得出可能采用的材质、整个火炬的重量以及结构的合理分布。

最终，结合多项仿真模拟实验数据，马赛团队建议，小雪花的形状统一成六边形，排布采取蜂窝状的稳定结构。这样一来，无需任何其他外部结构介入，小雪花之间就可以实现紧密连接。小雪花中间空出来的形状正好也是一朵雪花的形状。

“不但实现了艺术造型与工程结构的完美融合，还体现了各个国家紧密联系在一起的寓意。”马赛说。

选材

不锈钢材质“晶莹剔透”

“大雪花”“银丝带”只是大家能够看到的地面部分。地面之下，既有实现橄榄枝大雪花和“银丝带”同心双向旋转的机械传动系统，也有一直延伸到火炬台底盘下方的氢气管线，保证火炬能够持续燃烧。

在材料选用上，考虑到大众对冬奥冰雪的感知体验以及主火炬塔将在三地永久保留等多方面的因素，最终选择了不锈钢材质，并运用8K抛光工艺。“不锈钢材料在强度、抗风雨腐蚀方面比较有优势，同时可以做出我们想要的冰雪那种晶莹剔透的感觉。”马赛说。

2008年的北京奥运会，马赛作为青年教师参与了开闭幕式的设计，和团队一起完成了“缶”“龙柱”等演出道具的设计。

时隔14年，马赛带领美术学院设计团队与清华大学机械系、土木工程系教授团队通力合作，完成了北京冬奥会场外火炬台设计。“与2008年相比，北京冬奥会同样呈现了中国传统元素，但更强调对冰雪运动本身的诠释，体现科技简约、绿色环保。这次的心态上相对放松，对奥运精神的领悟也更加深入，更为纯粹。”马赛坦言。(记者 冯琪)

来源：新京报