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杭州奥体“大小莲花”设计应用获国家科学技术进步奖一等奖原来是浙大教授在“梁”上动了脑筋

时间:2023-12-05 来源:新闻中心

  原标题:杭州奥体“大小莲花”设计应用,获国家科学技术进步奖一等奖,原来是浙大教授在“梁”上动了脑筋

  又到一年一度举国荣耀的时刻。今天,2020年度国家科学技术奖励大会在北京举行,重奖为我国科学技术进步、经济社会持续健康发展、国防现代化建设作出突出贡献的科学技术人员和组织。

  十九届五中全会强调了创新在我们国家现代化建设全局的核心地位,科技再次彰显了创新的力量。这一次奖励大会上,浙江大学成果丰厚。浙江大学作为第一完成单位荣获11项国家科学技术奖励,居全国高校第一。

  其中,国家科学技术进步奖一等奖1项,国家自然科学奖二等奖2项,国家技术发明奖二等奖3项,国家科学技术进步奖二等奖5项。

  高性能龙门加工中心整机设计与制造工艺关键技术及应用(国家技术发明奖二等奖)

  浮法在线氧化物系列功能薄膜高效制备成套技术及应用(国家技术发明奖二等奖)

  氢气规模化提纯与高压储存装备关键技术及工程应用(国家科学技术进步奖二等奖)

  优势天敌昆虫控制蔬菜重大害虫的关键技术及应用(国家科学技术进步奖二等奖)

  “大小莲花”成杭州奥体建筑的最大亮点所在,经28片大花瓣和27片小花瓣的巧妙组合,整座大莲花如同会呼吸一般。它的最大亮点在于,其钢结构总用钢量比北京“鸟巢”的4.2万吨减少了1.4万吨,因此获得了全国钢结构工程最高荣誉——“中国钢结构金奖”。网球馆“小莲花”最为人所称道的是能旋转开闭的屋顶设计,也被中国工程院院士领衔的专家组评定为“世界首创”。

  这些令杭州人骄傲的设计和技术,今天揭开了最后一层面纱。在背后支撑“大小莲花”结构设计的正是现代空间结构体系创新、关键技术与工程应用技术,这项技术由浙江大学教授罗尧治团队领衔研发。

  “大莲花”是曲面形,又弯又扭,“小莲花”的开合旋转屋盖,在浙江大学罗尧治团队的实验室早几年就开展过研究,并且被大范围的应用于各项工程。它们与上海世博会的世博轴、中国天眼FAST的反射面背架等等这些大跨度、大空间、大面积为主要特征的现代空间结构应用的是同一项技术。

  在国家重大科学技术基础设施FAST项目中,团队承担了反射面背架结构加工与拼装核心任务,通过产学研攻关,解决了20万球节点、55万根杆件、4450片单元精密制造难题,实现了空间网格结构高精度的“中国制造”。

  浙江东南网架公司是FAST反射面背架的加工与拼装实施工程单位,在国内大量的空间结构中都有他们的身影,已是行业翘楚。谁能想到,在很多年以前,这家企业是以农机配件为主的乡镇企业。依托浙大科学技术创新,他们不间断地积累人才,积累技术,承担了大量空间结构的重点项目。“最开始我们技术落后,分析设计、加工制作和施工安装能力均不足,但浙大团队不怕苦不怕累,跟我们协同攻关,帮我们培训和培养技术人员,带着我们做项目。这样我们的企业就一步步发展起来了。”浙江东南网架股份有限公司常务副总经理、总工程师周观根说。

  在扶持企业的同时,团队培养的600多位空间结构高层次人才,像蒲公英一样,带着从团队学到的本领“飞”到各地,让这套技术在很多地方落地生根。这样算来,带有团队基因的空间结构工程能够说是遍布中国了。

  现代空间结构由索、杆、梁、膜等单元组成,展现出形式多样、轻质高效、造型美观、工业化程度高的特性,慢慢的变成了一个国家建筑科学技术水平的重要标志。

  我国目前已经建成的1200座大型体育场馆、240座民用机场和530座高铁站房等几乎所有的大型公共建筑不能离开空间结构技术。

  要建造屋盖,大家首先想到的就是梁,一般建筑中用钢筋混凝土的梁来撑起整个屋盖。但在大型建筑中,随着跨度的增大,梁本身重量的增加幅度超过了承载力的增加幅度,要撑起整个屋盖就非常“吃力”。

  上个世纪90年代初,深圳要新建机场,团队负责这一当时国内首个使用空间网格结构的航站楼的屋盖结构设计。深圳国际机场T1航站楼有4000平方米,这么大的空间,中间只有少量柱子支撑,能不能安全使用?任何一个人都有一个问号。

  在后来的实际设计工作中,团队碰到的一个最大的难题就是在有限的时间内需要完成大量的计算工作。“没有数据可以借鉴,必须靠我们自己,但这样大体量的工程,人工手算是很难来想象的。”为此罗尧治当起了“程序员”,通宵达旦地写代码,最终研发出了一套空间结构设计软件(MST),顺利完成了项目的计算工作。

  建筑物体量增大后,结构较为复杂,上万个构件粗细不同、长短不一,而且每一个节点的方位、角度都不完全一样,MST软件不断地迭代更新,只要输入一串参数,就能自动建模,形成结构样式。以往花一两周才能完成一千平方米的小工程设计,现在仅需要几个小时。

  直到现在,这套“30多岁”的软件仍然是应用最广的空间结构专业软件,这在日新月异的软件领域非常难得。

  过去的露天煤场,风一刮,粉尘漫天,环境污染严重。能否做一个大盖子,把煤场“盖”在下面?要想盖住整个煤场,大盖子面积太大,如何确保在风、雪、地震等复杂环境中,这个大盖子安全可靠,团队系统化地开展了三心圆柱面网壳结构的优化设计研究,对结构体系进行了创新。

  团队还科学地提出了基于基本组成单元的空间结构分类方法,研发了刚性、柔性、刚柔性系列空间结构新形式,多种新型结构及形式首次应用在北京北站、济南奥体、深圳北站等大型建筑,填补了多项国内外空白。

  在工程实践中,团队创建了索杆张力结构形态协同设计、网格结构精细化分析、可动结构分析等理论方法,创新发展了现代空间结构基础理论和设计方法。这套理论和方法解决了“世博轴”、首都国际机场T3航站楼、国家大剧院等这些空间结构工程中遇到的一个个核心难题。

  此外,团队主编了全国第一部空间网架结构技术标准,创办了我国本领域唯一的科技期刊《空间结构》。

  近十年,中国空间结构科技开始领跑世界,中国方案不断为他国所用,这其中,不少就是出自项目团队的手笔。迪拜“City of Arabia”是世界上最大的室内主题公园。这一个项目在方案论证阶段,也有重重考验。 “一开始,让对方认可是一个很痛苦的过程,但现在慢慢的变多的中国工程、中国标准走到了国外。”罗尧治说,目前团队的应用工程遍布全球31个国家和地区,累计项目逾千个。

  三十年间,团队承担了42项国家科研项目、创造了32项“第一”或“最大”的工程应用、获得了5项省部级科技一等奖和1项行业特等奖,辛勤耕耘带动了一个行业的发展与进步。

  “三十多年来,一直耕耘并热爱着空间结构事业,我始终的理念是立志成为行业科学技术创新进步的引领者和推动者。”罗尧治说,团队很幸运地与行业一同经历了从小到大、从大到强,从跟踪借鉴到自主创新的过程,“未来我们也将继续与时代、与国家需求同频共振,为空间结构的再发展贡献我们的力量。”

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