建筑服务社会 BIAD打造天眼助力国家科技基础设施建设

2017-05-10 09:25 千龙网

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在2017年4月26日公布的“2016年北京市科技进步奖”获奖名单中,由中国天文台主导,北京市建筑设计研究院有限公司等单位参与设计的“500m口径球面射电望远镜超大空间结构工程创新与实践”项目(以下简称为FAST)荣获北京市科学技术奖一等奖。

由中国天文台主导,北京市建筑设计研究院有限公司等单位参与设计的“500m口径球面射电望远镜超大空间结构工程创新与实践”项目荣获“2016年北京市科技进步奖”一等奖。图为FAST远视图

千龙网北京5月10日讯 从北京工人体育馆,到国家大剧院;从正在建设中的北京新机场航站楼,到刚刚投入使用的珠海歌剧院,与共和国同龄的北京市建筑设计研究院有限公司(以下简称BIAD),持续通过建筑设计为首都北京和国家的建设发展辛勤工作,始终活跃在国家建筑设计领域的最前沿。最近,中国建筑设计领域最具价值的品牌企业,又因为一项国家重大科技基础设施,而成为社会关注的焦点。在2017年4月26日公布的“2016年北京市科技进步奖”获奖名单中,由中国天文台主导,北京市建筑设计研究院有限公司等单位参与设计的“500m口径球面射电望远镜超大空间结构工程创新与实践”项目(以下简称为FAST)荣获北京市科学技术奖一等奖。

由中国天文台主导,北京市建筑设计研究院有限公司等单位参与设计的“500m口径球面射电望远镜超大空间结构工程创新与实践”项目荣获“2016年北京市科技进步奖”一等奖。图为北京市科学技术奖一等奖奖状

由中国天文台主导,北京市建筑设计研究院有限公司等单位参与设计的“500m口径球面射电望远镜超大空间结构工程创新与实践”项目荣获“2016年北京市科技进步奖”一等奖。图为北京市科学技术奖一等奖奖状

浩瀚星空、广袤苍穹,自古以来寄托着人类的科学梦想。而由BIAD参与反射面系统主体支承结构设计的FAST则将帮助科研人员窥探星际之间互动的信息、观测暗物质、测定黑洞质量,不断将探索宇宙的梦想化为现实。

2016年9月25日,FAST 500米口径球面射电望远镜落成启用仪式上,中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平发来贺信指出,“天文学是孕育重大原创发现的前沿科学,也是推动科技进步和创新的战略制高点。500米口径球面射电望远镜被誉为‘中国天眼’,是具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。它的落成启用,对我国在科学前沿实现重大原创突破、加快创新驱动发展具有重要意义。”

近日,千龙网记者有幸走进BIAD,对话FAST相关设计团队,听他们叙说BIAD是如何通过设计将这项人类壮举一步一步变为现实。

四维度揭秘中国天眼的奥秘

FAST项目反射面主体支承结构设计负责人朱忠义博士在接受千龙网记者专访时用“尺度巨大、主动变位、超高精度、边界复杂”四个词为我们介绍了FAST反射面的四个最显著特点。

“尺度巨大”。FAST的内径500米,外径达到522米,由近46万块三角形单元拼接成球冠形主动反射面,令FAST拥有约30个足球场大小的接收面积,比美国Arecibo射电望远镜的有效接收面积扩大了2.3倍,这意味FAST的灵敏度也远超过后者,其可探测的射电源数在相同天空覆盖情况下增加约10倍。

由中国天文台主导,北京市建筑设计研究院有限公司等单位参与设计的“500m口径球面射电望远镜超大空间结构工程创新与实践”项目荣获“2016年北京市科技进步奖”一等奖。BIAD设计的具有主动变位功能的高精度索网结构

由中国天文台主导,北京市建筑设计研究院有限公司等单位参与设计的“500m口径球面射电望远镜超大空间结构工程创新与实践”项目荣获“2016年北京市科技进步奖”一等奖。BIAD设计的具有主动变位功能的高精度索网结构

“主动变位”。值得注意的是,如此巨大的反射面在寻源和跟踪过程中,还可以根据需要实时调整形态,在观测方向形成300米口径瞬时抛物面以汇聚电磁波。这也是FAST与美国Arecibo望远镜固定反射面最根本的区别。“

“超高精度”。FAST作为高精度天文仪器的重要组成系统,成型精度需达到毫米级。此次项目与以往BIAD参与设计建造的工程不同,作为观测宇宙的天文仪器,需要极高的精确度。

支承圈梁的格构柱高度在3.15m~54.265m之间变化,侧向刚度有较大差异

由中国天文台主导,北京市建筑设计研究院有限公司等单位参与设计的“500m口径球面射电望远镜超大空间结构工程创新与实践”项目荣获“2016年北京市科技进步奖”一等奖。FAST支承圈梁的格构柱高度在3.15m~54.265m之间变化

“边界复杂”。利用天然环境建造台址也是FAST在世界射电望远镜建造工程上实现一大创新突破。朱忠义博士向记者表示,FAST坐落于贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇大窝凼洼地,边界复杂,周围环境高度落差大,支承柱高度在3米至50米不等。

“FAST不是一个静态的建筑物,它是一个巨大、灵敏、可动的高精度科研设备。”设计师用最直白的语言向我们解释了FAST与此前设计的不同之处。曾经有媒体这样来形容FAST,为了听清来自宇宙的轻声“呢喃”,FAST要把覆盖30个足球场的信号,聚集在药片大小的空间里。为此,科学家们奇思妙想,用6根大跨度柔索,牵引馈源舱做高精度三维扫描运动。该设计将馈源支撑结构系统自重降至30吨。轻巧的馈源舱,既降低造价,又提高稳定性,可在百米尺度大工作空间内实现瞬时焦点,实时达到毫米级高精度定位,从而实现对天体的高精度指向跟进观测。

是设计师更是整体解决方案的提供者

作为目前世界上口径最大、最具威力的射电望远镜,FAST反射面总面积25万平方米,光反射面板就用掉2000多吨铝合金,圈梁、索网和6座支撑馈源舱的高塔用掉1万多吨钢材。想要让如此巨大的“天眼”在贵州天坑内安家,并且动起来,BIAD的设计师们可是伤透了脑筋。

朱忠义博士向记者表示,FAST所处的位置属于地质、地貌复杂的喀斯特洼地,自然边界条件可靠性较低,周围环境高度落差大,支承柱高度在3米至50米不等。为了解决复杂地形对支承结构的影响,BIAD设计团队专门设计了适应复杂地形的巨型支承结构。“由于地形限制,FAST反射面支承圈梁的格构柱高度在3.15m—54.265m之间。对此,我们设计了一个带有滑动边界圈梁,同时改善了基础、圈梁和索网的受力性能,降低了索网疲劳应力幅,有效解决了复杂地形带来的结构问题。”朱博士为记者解释说,“简而言之,就是用一种可动的支座连接柱子和圈梁,而不是简单的焊死,这样一来圈梁、索网受力和变形更加均匀,也有利于望远镜调整角度。”

由中国天文台主导,北京市建筑设计研究院有限公司等单位参与设计的“500m口径球面射电望远镜超大空间结构工程创新与实践”项目荣获“2016年北京市科技进步奖”一等奖。

由中国天文台主导,北京市建筑设计研究院有限公司等单位参与设计的“500m口径球面射电望远镜超大空间结构工程创新与实践”项目荣获“2016年北京市科技进步奖”一等奖。BIAD设计团队专门设计的带有滑动边界圈梁

据报道显示,FAST索网是世界上跨度最大、精度最高的索网结构,也是世界上第一个采用主动变位工作方式的索网体系,当时,国内外均没有可借鉴的经验或资料作为参考。对此,设计团队从“适应FAST索网的形态分析方法”、“主动变位的高应力幅索网疲劳性能”等一系列技术问题关键入手,进行了大量的计算和实验,最终为FAST量身打造的出一套具有主动变位功能的高精度索网结构。

节点盘

由中国天文台主导,北京市建筑设计研究院有限公司等单位参与设计的“500m口径球面射电望远镜超大空间结构工程创新与实践”项目荣获“2016年北京市科技进步奖”一等奖。BIAD设计了多个节点盘方案

提到索网,不得不提的就是在索网中起到“节点”作用的节点盘。据介绍, FAST是依靠索网的柔性伸缩,帮助反射面实现对焦、定位与追踪。而帮助反射面变位的2000多个液压促动器是通过伸缩实现精准定位、协同运动的。在其中,连接6670根主索的2225个节点就尤为重要。据BIAD设计团队王哲介绍,一个节点有6个自由度,但这6个自由度不是随意变动的,有些要约束,有些不用,这些运动轨迹都要满足索网的变形要求。为此,项目团队通过一些了调研、论证、实验研究、测试、技术交流,最终从多个方案中选取了我们现在看到的圆盘式方案。

由中国天文台主导,北京市建筑设计研究院有限公司等单位参与设计的“500m口径球面射电望远镜超大空间结构工程创新与实践”项目荣获“2016年北京市科技进步奖”一等奖。FAST主索节点盘特写

我们前文提到的作为直径超过500米的庞然大物,FAST却需要头发丝般毫米级的精度要求。其中用来编织索网的7000多根手臂般粗细的钢缆,每一根的加工精度都被控制在一毫米以内;最终的500米口径的天线精度是3个毫米,反射面单元的厚度只有1.3毫米。对此,BIAD团队就从高精度边界、高精度安装两个角度,对施工团队提出了要求;并从“恒温、带载制索方法,实现索力与索长的高精度闭合,索长误差要求不大于1.0mm”等角度,对相关部件的加工制造进行了要求。同时,BIAD设计团队分别对各个环节进行了驻场指导、检查,保证项目进展平稳有序进行。

在节点盘等关键性设备的研发过程中,BIAD设计团队利用数字模型,将结构、构件及节点等信息同步给加工制造和安装团队,以便相关环节可以在第一时间准确地了解部件的准确情况,及时进行加工制造。

FAST建造过程

由中国天文台主导,北京市建筑设计研究院有限公司等单位参与设计的“500m口径球面射电望远镜超大空间结构工程创新与实践”项目荣获“2016年北京市科技进步奖”一等奖。

在FAST的安装阶段,BIAD团队更是多次进驻现场,项目团队成员张琳向记者表示,从FAST开始建造,仅他一人就曾进入现场15次,在贵州的深山中度过了70多个难忘的日日夜夜。为保证圈梁上连接索网的耳板位置精度,BIAD团队进行了历时约4个月的现场测量,经过反复验算,最终确定索网的边界位置,保证了FAST的精度达到设计要求。

这样的例子在FAST的设计过程中还有很多。据BIAD项目负责人介绍,在本次FAST建造过程中,BIAD更是作为整体解决方案提供商方案的提供者,参与到项目的咨询、设计、建设以及运营等各个环节当中。

FAST全景3

由中国天文台主导,北京市建筑设计研究院有限公司等单位参与设计的“500m口径球面射电望远镜超大空间结构工程创新与实践”项目荣获“2016年北京市科技进步奖”一等奖。图为FAST全景

责任编辑:张博(QF0005)

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