中國「天眼」背後的設計故事:攻克多個技術難題

北京市建築設計研究院有限公司參與「天眼」的主體結構設計。

在貴州省平塘縣的深山裡，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，投向了浩瀚蒼穹。作為我國自主智慧財產權、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡，「天眼」的主體結構設計中也有北京市建築設計研究院有限公司(以下簡稱BIAD)的參與，該項目結構工程與實踐於近日獲得了北京市科學技術獎一等獎，來自北京國企的設計為「中國創造」增光添彩。

巧設計破解地形難題

記者近日來到了BIAD，一探中國「天眼」背後的設計理念和故事。

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，內置可移動變位的複雜結構索網系統。

「它的設計完全不同於一般的固定建築，『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。」該項目反射面主體支承結構設計負責人朱忠義博士介紹，「天眼」從預研到建成歷時22年，由中國科學院國家天文臺主持建造，2011年底BIAD受國家天文臺委託，承擔「天眼」反射面主體支承結構設計及反射面板與主體結構連接節點的分析工作，簡單來說，就是研究如何完美「拼接」好這些複雜且瑣碎的構件。

讓一個巨大的望遠鏡「安家」並不容易。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：這是一片地質和地貌複雜的巖溶窪地，邊界複雜，周圍環境高度落差大。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、索網和基礎受力複雜，並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」設計前擺了一個大難題。

為了啃下這塊硬骨頭，團隊日夜奮戰想對策改方案，最後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、索網受力和變形均勻，有利於望遠鏡調整角度。」朱忠義說，單單是一個測量和驗算環節，他們就進行了4個多月，為了在均勻溫度環境下作業，團隊經常在深夜裡加班加點。

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高精度是世界難題。

想做到高精度，關鍵是保障索網精度，BIAD的工程師就做到了這一點：索網精度嚴格把關，6000多根鋼索長度誤差均不超過1毫米，索網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，靈敏度更是遠遠高於後者，「天眼」反射面還可以實時調整形態，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。團隊還研究並評估了每根索30年觀測周期內的累積損傷因子，評估了每根索單元的疲勞壽命，在每個細節上反覆設計和實驗，鋼索疲勞應力遠超國內外的規範要求。

空間索網及其換索的方法、一種分體式單向滑動鉸支座、一種可大角度雙向轉動的鉸接裝置及其連接構造……在「天眼」項目設計過程中，BIAD的團隊攻克了多項業界難題，申請了十餘項國家專利。

北京設計閃亮「中國創造」

自2011年末，離北京千裡之外的「天眼」現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——讓世界看到中國製造和中國建造，也能看到有著北京設計範兒烙印的中國創造。

繼「天眼」後，BIAD還參與到了江門中微子實驗站的建設之中，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脈衝星全可動望遠鏡結構設計的驗算工作，建成後將成為世界最大的可轉動低頻望遠鏡。

據介紹，BIAD自成立60餘年來，完成了大量國內外工程實踐，其中包括「天眼」、北京新機場航站樓等諸多國家重點項目，並為建築設計領域持續輸出人才，助力國家在高精尖領域的探索。

【編輯】葉飛豔

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