北京日报：不断攀登“超级工程”高峰

“钢铁凤凰”在京南展翼高飞，“冰丝带”在中轴线北延长线上彰显奥运精神，“中国天眼”在贵州山凼仰望苍穹……从北京大兴国际机场到新工体、国家速滑馆，再到2000公里外的500米口径球面射电望远镜，这些工程的设计建设，都在不断挑战国内乃至世界的“首次”。

一项项看上去难以实现的“超级工程”，经北京市建筑设计研究院有限公司超级建筑工程设计创新团队攻坚，逐一变为现实。今年，这个团队再获殊荣，被授予“国家卓越工程师团队”称号。

“工程师就是要在项目建设中，解决遇到的工程问题。而解决问题的过程，也正是技术创新的过程。”创新团队成员、北京建院总工程师朱忠义说，建筑是一个古老的行业，但在不断攀登“超级工程”高峰的过程中，建筑结构体系、设计理论方法等都在创新升级。“老前辈将技术手把手教给我们，我们再继续探索新的方法，将更有挑战的工程需求变为现实。”

朱忠义

为建筑“塑骨”

大兴机场航站楼

到大兴机场航站楼乘机的旅客，目光很难不被中央大厅内8根巨大的C形柱吸引。

这是美与力量的结合。下窄上宽的中空柱体，像是一株向上延展的植物，由3米的宽度逐渐扩展至23米，稳稳顶起了核心区面积达18万平方米、最大跨度180米的屋顶，内部的共享空间大到可以放下一座“水立方”。

赏心悦目的设计背后，是朱忠义与同事无数个日夜的奋战。在大跨度建筑中，为保障结构均匀受力，设计师通常使用闭合的圆形或矩形截面立柱实现支撑。“只用几根C形柱配合外墙，撑起如此大跨度的屋顶，关键还要采用开口截面设计，这在国内外都没有先例。”朱忠义常称自己是为建筑“塑骨”的人，他主攻的结构设计专业便是要“给建筑做骨架”，特别是围绕大跨度建筑的结构设计技术，他已钻研了近30年。然而，当大兴机场的设计需求摆在他面前时，工程的复杂程度还是远远超出了他的预料。

在最初的设计方案中，大厅内的C形柱的数量仅有6根。设计团队围绕整体结构的受力性能、承载力、稳定性、安全性等因素，进行了大量的理论分析，认为应该在跨度较大的北中心区再加设2根C形柱，以减小屋顶结构跨度。“其实当所有理论分析都做完了，我心里就有底了，但还是不敢打包票。”朱忠义说，理论验证后，相关的结构模型要进入实验室，接受各项测试。

“普通工程是不需要做这么多实验的，但大兴机场太复杂了，这些结构必须经过验证，确保安全。”朱忠义细数设计中的难点。航站楼屋顶为不规则自由曲面钢网格结构，C形柱的柱高各不相同，最高达38.5米，最矮的一根则仅有19.8米，这使得每根C形柱开口截面的形状不尽相同，受力的状态自然也是迥异。“我最担心的，是这种结构在荷载持续增加的状态下会出现弯扭失稳，就像是‘拧麻花’一样变形，失去承载能力。”

为了获取相关结构最直观的分析数据，朱忠义与北京建筑大学的科研团队合作，运用仿真模拟、地震台测试等手段，在实验室里寻找这种新结构的极限边界。从单根C形柱的受力情况，到多根立柱结合的状态，再到施加屋顶荷载后的稳定性……团队为实验制作了大大小小的构件模型，同时，他们还设计了一座航站楼的缩比模型，用于测试建筑在高烈度地震时的表现。

在实验现场，当结构承载力加大到设计荷载的两倍，结构依然稳如泰山，朱忠义激动不已：“实验数据和理论分析的结果完全吻合，说明我们的方案是正确的，也是安全的。”

从业近30年来，已有20余项大型工程的复杂钢结构和隔震设计出自朱忠义之手。而要说起他最难忘的一个建筑项目，还要数位于四川省绵阳市的九洲体育馆——当时全国拱形体育馆中跨度最大的建筑。最初的设计方案中，屋顶的跨度大而支座数量少，在前辈的指导下，朱忠义有针对性地加强了关键部位构件，提升了整体结构的安全性。

“项目的一个重要节点，是场馆拱顶的吊装对接，但当时的绵阳正值雨季，我不放心施工质量，还是决定要亲眼去看看。”顺着钢结构拱架，朱忠义跟随施工人员慢慢爬到了近40米的高度，检查焊缝是否焊好、钢梁有没有对齐。“下来之后确实有点后怕，但对工程质量的负责，就是对公共安全的负责。”

正是这座体育馆，在2008年5·12汶川地震中发挥了巨大作用。它经受住了主震和上万次余震的考验，场馆结构完好，并作为大地震中的“生命之舟”，容纳周边上万名群众避险。“老前辈的经验，帮助我提升了工程的安全性，这些经验的传承和积累，让我们团队不断有勇气挑战‘不可能’。”朱忠义说。

“编织”缓冲垫

大兴机场的建设过程中有很多个“最”：全球最大的单体航站楼、全球最大的单体隔震建筑、世界施工技术难度最高的航站楼……而在创新团队成员、北京建院副总建筑师王亦知看来，设计过程中最值得称道的，是大兴机场严格坚持了以旅客为中心的设计原则。“我们做设计的思考导向，就是要解决实际的需求和问题，其他的那些‘最’，都是从这个原则中生长出来的。”

王亦知（左二）与团队成员在工作

大兴机场航站楼的正下方并不是传统的坚实地基，而是一处巨大的轨道交通枢纽，几乎涵盖了所有的城际交通方式。 这样的设计，方便了旅客换乘，却给建筑设计带来了大量结构上的挑战。

“把机场直接放在火车站的上方，这在全世界范围内都是一个创举。 ”王亦知介绍，大兴机场的地下轨道交通总规模，与北京站的规模相当。 这座“地下车站”可不简单，除了地铁列车，还有时速高达300公里的高铁正线呼啸而过。 “高铁开进隧道时，不少乘客都能明显感觉到耳朵有些不适，这就是压力变化导致的。 而当列车从地下穿越航站楼，压力、震动等很多因素势必会对建筑造成影响，这是设计师必须解决的问题。 ”

王亦知常常被问到同一个问题： 既然技术难度这么大，为何不干脆单独再建一座车站，为什么要给自己出难题？ “首都机场距市区25公里，大兴机场则是46公里，大家的第一反应就是远。 那么，提供更便捷的轨道交通，甚至实现‘零换乘’，就是提升旅客出行体验的重要环节。 ”王亦知说，需求出题，方案解题，一张独特的设计图纸，给出了这座航站楼稳如磐石的答案。

“1152个隔震支座撑起了航站楼，你可以想象，我们是把整个建筑放在一个巨大的橡胶垫上。 ”王亦知说，这项技术原本常用于地震多发地区，用来解决地下轨道交通带来的震动问题同样有效。

新的问题又来了。 电梯、楼梯、管线……要实现轨道交通和航站楼之间的便捷换乘，以及各类管线的连通，技术团队必须在这张减震垫上“打洞”。 同时，由于航站楼的体量巨大，其自身结构的热胀冷缩，从夏季到冬季的尺度变化就会有十多厘米； 一旦遭遇地震等特殊情形，楼体的晃动幅度最大可达近1米。 因此，开孔尺寸必须留出余地。 当然，也正是由于航站楼的规模很大，这些大大小小的开孔，对整体建筑的安全不会产生影响。

大兴机场投运近5年来，选择乘坐轨道交通到大兴机场乘机的旅客占比已达40%，这远远超出了团队最初的预计。 当列车从航站楼下呼啸而过，走在楼内的旅客不会感受到一丝一毫的震动。 “未来，随着高铁发车密度的不断提升，更多的轨道线持续贯通，‘轨道上的大兴机场’将迎来越来越多的乘客。 ”

“外衣”变“皮肤”

设计团队不仅为航站楼强筋健骨，还要为这只“钢铁凤凰”做美颜。从上方俯瞰大兴机场航站楼，金色屋顶展现出流畅的美感，他们的任务，就是要将外方设计团队的概念图，转化为实实在在的建筑图纸。

一双手，我们能透过表层的皮肤看到内部的骨节，而戴上手套，骨架结构就被完全遮挡。“在常规的建筑设计中，外墙的美化更像是为建筑穿衣服，内部结构建设完成后，再给它披上一件外套即可。”但在王亦知看来，建筑也是有生命的，其结构、表皮和外观，应该是浑然天成的有机统一体。在大兴机场的建设中，设计团队的思考角度更深了一层。他们认为，建筑应该是表里如一的作品，要达到这个目标，必须将外形的设计纳入整体考量，对整体结构进行重新梳理。“更高的要求、更高的标准，才配得上‘卓越’二字。”

然而，面积高达31万平方米的航站楼屋顶，是一块充满自然韵律的连续曲面，无法通过简单的几何形体的组合形成。要让这处金色屋顶从“外套”变为“皮肤”，在建筑骨架上“生长”出来，并与建筑本体“血肉相连”，参数化设计是一个前所未有的尝试。

“传统的图纸需要工程师一笔一划地画出来，哪怕使用现代化的作图软件也是如此。”而王亦知和同事进行了新的探索，他们希望将屋顶这个复杂曲面搬到电脑中，确定外形、结构、强度等各种限定条件，再利用算法将复杂的变量，转化为一个个最合适的曲面数据。

但在2015年，建筑行业还没有一款软件能支持如此复杂、大量的计算。“缺什么，我们就造什么！”王亦知的语气坚定，团队将多款建筑设计软件的相关功能进行集成开发，让生物仿生学和计算机算法携手发力，流畅的金色屋顶该如何拆分，“一键点击”就能算出来。

这项技术，真切地为建设过程赋予了“生命”。经过计算，航站楼屋顶需要使用8.8万余块铝板、7729块采光天窗，并搭配相应的龙骨配件。不同于传统横平竖直的矩形墙面，这些组件的造型各不相同，每一块都呈现不规整的异形形态。“没有两块板子是完全一样的。”王亦知感慨，这样大的工程量，如果采用传统的设计方式，用近10张图纸指导零部件生产和建设施工，几乎是一项人力无法完成的任务。

“图纸虽然是确定的，但从图纸到加工中间有多个环节，再加上材料自身的热胀冷缩，误差始终存在。”王亦知把设计图纸比作零部件的照片，而参数化设计产出的各项数据，则是它们的基因，更立体、更全面地揭示了零部件的本质。制造厂商、施工单位都可以通过获取全面的数据，深入理解每个构件的特点，从而进行生产、装配、建造。即使出现误差，也能很快完成调整。

外围护表皮和天窗紧紧贴合在结构表面，曲线灵动，这样的自然曲线还融入了屋内吊顶层，使整个航站楼的“骨”与“皮”连成一个整体。在玻璃真空层内，设计团队又加装了肉眼难以看清的金属遮阳网，这些遮阳网的角度也经过精细计算，能够在“放行”可见光的同时，让紫外线“禁行”，实现采光与隔热的完美平衡。

“我们是幸运的，大兴机场的建设过程正好赶上了我国数字化技术快速发展的节点。反过来，新技术的应用也促进了全国基建行业的数字化能力，可以说是一次重要的飞跃。”王亦知感慨，大兴机场的建设，帮助几十个相关厂家提升了数字化生产能力，“有了‘从0到1’的经验，未来再做这样的建筑，面临的困难就会大大减少。”近年来，参数化设计的精度还在不断提升，更智能的算法也开始为建筑设计赋能，人工智能技术与建筑行业的融合，让设计工作变得更高效。

擦亮“视网膜”

“中国天眼”全景

建筑设计还在为我国尖端基础研究的突破贡献力量，在顶尖科学研究的征程中，大科学装置是不可或缺的利器。世界上最大、最灵敏的单口径球面射电望远镜“中国天眼”，就选址在贵州省平塘县的山凼里，这是一处天然的“灶台”，恰好能安放下这口“大锅”。而要保证“中国天眼”完成精细观测，就必须为它配备性能优异的“视网膜”——主动反射面。

朱忠义的任务，便是带领团队完成主动反射面主体支承结构设计。常规建筑建好后，通常不会发生较大的形变，而“中国天眼”需要通过反射面的变位，实现对不同目标的观测，在此过程中，索网应力变化幅度大，会导致严重的疲劳问题。直径达500米的望远镜，主体支承结构精度误差不能超过毫米级，而它所在的喀斯特洼地地形崎岖，用于支承主体结构的圈梁支承柱高度在3米至50米不等，受力状态复杂。

经过反复论证，团队设计了圈梁和柱子既能有效连接，也能自由膨胀收缩的方案。这不仅解决了复杂山区环境对结构受力的影响，还降低了索网变位过程中的应力变化幅度，“眼球”转动更加灵活。已故的“中国天眼”首席科学家南仁东，在听取方案汇报时曾兴奋地说：“这就是我心目中的方案！”

“建筑设计原本是高度依赖经验的行业，设计师的工作常常是对既有的方案进行改良升级。但我们团队抱定一个核心理念，就是要通过创新和实践，解决前人从未遇到、难以解决的问题。”王亦知举出了团队参与设计的一连串工程案例：首都机场T3航站楼是当时亚洲最大的单体建筑，它对后续全国各大枢纽机场的建设模式、建筑形态、空间模式都产生了深远影响；昆明长水机场成为国内首批取得“双碳”三星级评价认证的机场；目前，国内首个离岸式“人工岛”机场——大连新机场项目也在持续推进。

现在，有更多年轻的设计师、工程师会聚到这支创新团队中，团队规模已达数百人。在他们的努力下，“中国设计”正在走向世界，2022年卡塔尔世界杯卢塞尔体育场的主体钢结构和屋顶索膜结构，就出自他们之手。

“30年前我刚接触建筑设计时，这个行业还是一支笔、一张纸的手绘模式。现在，这些年轻的工程技术人员都是数字时代的原住民，他们对新技术、新模式的学习和应用，是未来建筑行业转型的重要力量。”王亦知说。

今年1月19日，“国家工程师奖”表彰大会在人民大会堂举行，朱忠义作为团队的代表之一，现场领取了“国家卓越工程师团队”的奖章和获奖证书。“在参与国家重大工程的过程中，团队的每名成员都得到了锻炼和发展。接下来，我们还要继续突破更多、更有难度的项目，在保障安全的前提下不断创新，让越来越多的‘超级工程’走进现实。”他坚定地说。

来源：北京日报

记者：刘苏雅