在貴州省平塘縣的深山里，去年9月建成啟用、有著中國“天眼”之稱的500米口徑球面射電望遠鏡目光流轉(zhuǎn)，投向了浩瀚蒼穹。作為我國自主知識產(chǎn)權(quán)、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡，“天眼”的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計中也有北京市建筑設(shè)計研究院有限公司（以下簡稱BIAD）的參與，該項目結(jié)構(gòu)工程與實踐于近日獲得了北京市科學技術(shù)獎一等獎，來自北京國企的設(shè)計為“中國創(chuàng)造”增光添彩。
巧設(shè)計破解地形難題
記者昨日來到了BIAD，一探中國“天眼”背后的設(shè)計理念和故事。
在常人看來，這是一個直徑500米、面積達30多個足球場大小的超級望遠鏡，而在工程師的圖紙上，它是46萬塊三角形單元拼接而成的球冠形主反射面，內(nèi)置可移動變位的復(fù)雜結(jié)構(gòu)索網(wǎng)系統(tǒng)。
“它的設(shè)計完全不同于一般的固定建筑，"天眼"是可主動變位的巨型球面望遠鏡，精度控制要達到毫米級別?！痹擁椖糠瓷涿嬷黧w支承結(jié)構(gòu)設(shè)計負責人朱忠義博士介紹，“天眼”從預(yù)研到建成歷時22年，由中國科學院國家天文臺主持建造，2011年底BIAD受國家天文臺委托，承擔“天眼”反射面主體支承結(jié)構(gòu)設(shè)計及反射面板與主體結(jié)構(gòu)連接節(jié)點的分析工作，簡單來說，就是研究如何完美“拼接”好這些復(fù)雜且瑣碎的構(gòu)件。
讓一個巨大的望遠鏡“安家”并不容易。當朱忠義團隊剛來到貴州考察地形時，他們還是有些愣了神：這是一片地質(zhì)和地貌復(fù)雜的巖溶洼地，邊界復(fù)雜，周圍環(huán)境高度落差大。這樣的話，支承柱高度就得在3米至50米不等，造成“天眼”的組成部分——圈梁、索網(wǎng)和基礎(chǔ)受力復(fù)雜，并且圈梁溫度作用明顯。地形和溫差不作美，在對精度要求極為苛刻的“天眼”設(shè)計前擺了一個大難題。
為了啃下這塊硬骨頭，團隊日夜奮戰(zhàn)想對策改方案，最后提出將柱子與圈梁隔開，通過一個徑向可動支座進行滑動釋放。“簡而言之，就是用一種可動的支座連接柱子和圈梁，而不是簡單地焊死，圈梁、索網(wǎng)受力和變形均勻，有利于望遠鏡調(diào)整角度。”朱忠義說，單單是一個測量和驗算環(huán)節(jié)，他們就進行了4個多月，為了在均勻溫度環(huán)境下作業(yè)，團隊經(jīng)常在深夜里加班加點。
鋼索長度誤差不超1毫米
科學界有一句行話叫做“百米極限”，說的是口徑超過百米的射電望遠鏡實現(xiàn)高精度是世界難題。
想做到高精度，關(guān)鍵是保障索網(wǎng)精度，BIAD的工程師就做到了這一點：索網(wǎng)精度嚴格把關(guān)，6000多根鋼索長度誤差均不超過1毫米，索網(wǎng)與圈梁牽固點位置精度也就有了保障。
高精度意味著高靈敏度。據(jù)介紹，“天眼”比美國Arecibo射電望遠鏡的有效接收面積擴大了2.3倍，靈敏度更是遠遠高于后者，“天眼”反射面還可以實時調(diào)整形態(tài)，成為世界上獨一份的可主動變位望遠鏡。
人長時間運動肢體會酸痛，金屬運行久了也會疲勞。團隊還研究并評估了每根索30年觀測周期內(nèi)的累積損傷因子，評估了每根索單元的疲勞壽命，在每個細節(jié)上反復(fù)設(shè)計和實驗，鋼索疲勞應(yīng)力遠超國內(nèi)外的規(guī)范要求。
空間索網(wǎng)及其換索的方法、一種分體式單向滑動鉸支座、一種可大角度雙向轉(zhuǎn)動的鉸接裝置及其連接構(gòu)造……在“天眼”項目設(shè)計過程中，BIAD的團隊攻克了多項業(yè)界難題，申請了十余項國家專利。
北京設(shè)計閃亮“中國創(chuàng)造”
自2011年末，離北京千里之外的“天眼”現(xiàn)場成了工程師張琳的第二個家。他掰著手指頭算，這五年來往返貴州15次，每次都至少一周時間，最長的一次待了半個月；工程師王哲在結(jié)婚紀念日為了“天眼”又出差，他安慰妻子說：“我們做的東西是獻給全人類科技進步的大禮。”
地處深山，雨季綿長，時常驚雷滾滾，蚊蟲橫飛，居住條件簡陋……但在張琳、王哲這些來自北京的工程師看來，能為國家的科技事業(yè)做點貢獻樂在其中。他們都有一個共同的信念——讓世界看到中國制造和中國建造，也能看到有著北京設(shè)計范兒烙印的中國創(chuàng)造。
繼“天眼”后，BIAD還參與到了江門中微子實驗站的建設(shè)之中，這是建在地下700米深、計劃2020年投入運行的世界能量精度最高、規(guī)模最大的液體閃爍體探測器；BIAD還完成了中國科學院國家天文臺120m脈沖星全可動望遠鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計的驗算工作，建成后將成為世界最大的可轉(zhuǎn)動低頻望遠鏡。
據(jù)介紹，BIAD自成立60余年來，完成了大量國內(nèi)外工程實踐，其中包括“天眼”、北京新機場航站樓等諸多國家重點項目，并為建筑設(shè)計領(lǐng)域持續(xù)輸出人才，助力國家在高精尖領(lǐng)域的探索。
