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FANGLIN HAOTIAN
北京冬奧會(huì)的臨時(shí)看臺(tái)和集裝箱房。受訪者供圖
冰冷的建筑到底能承受多低的溫度?在北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院教授張艷霞牽頭做的模擬試驗(yàn)里,使用新型材料搭建的結(jié)構(gòu),在-40℃條件下仍有較好的性能,而這樣的材料就被用于北京冬奧會(huì)的臨時(shí)設(shè)施中。
冬奧會(huì)賽場(chǎng)上,臨時(shí)設(shè)施量大面廣,并扮演著重要角色。據(jù)初步統(tǒng)計(jì),三大賽區(qū)的臨時(shí)看臺(tái)數(shù)量超過1.4萬座,臨時(shí)用房達(dá)3.8萬多平方米,臨時(shí)廁所2600多平方米。
“科技冬奧”臨時(shí)設(shè)施項(xiàng)目負(fù)責(zé)人張愛林教授曾在受訪時(shí)介紹,與歷屆冬奧會(huì)相比,北京冬奧會(huì)坡地賽場(chǎng)地形更復(fù)雜,臨時(shí)設(shè)施數(shù)量及規(guī)模更大,臨時(shí)支承架體搭建技術(shù)要求更高;臨時(shí)用房和廁所數(shù)量及規(guī)模大,對(duì)可持續(xù)性、零排放、低碳供熱保溫與通風(fēng)技術(shù)要求高。
然而,我國(guó)缺乏嚴(yán)寒、山地、強(qiáng)風(fēng)條件下的大規(guī)模臨時(shí)設(shè)施建設(shè)經(jīng)驗(yàn),亟須對(duì)嚴(yán)寒條件下臨時(shí)設(shè)施搭建與運(yùn)維進(jìn)行創(chuàng)新研究。
對(duì)張艷霞來說,臨時(shí)設(shè)施在北京冬奧會(huì)上的應(yīng)用,是一次絕佳的科研機(jī)會(huì),亦是一個(gè)頗具挑戰(zhàn)的技術(shù)難關(guān)。張艷霞此前一直鉆研永久建筑和鋼結(jié)構(gòu),大興機(jī)場(chǎng)的設(shè)計(jì)中就有她的手筆。但在臨時(shí)設(shè)施領(lǐng)域,她還是一個(gè)新手。
這次,根據(jù)可循環(huán)、環(huán)保、耐寒等性能要求,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)選擇了不銹鋼材料來搭建臨時(shí)建筑的架體,采用這種材料的支承架體還未在如此嚴(yán)寒的環(huán)境下驗(yàn)證過。
創(chuàng)造低溫條件是試驗(yàn)成功的關(guān)鍵因素,也是項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)遇到的第一個(gè)難題——沒有可滿足低溫條件的試驗(yàn)設(shè)備。團(tuán)隊(duì)里一位90后博士生提出,以“液氮”為主要降溫手段,營(yíng)造低溫加載環(huán)境的思路。師生共同努力,設(shè)計(jì)制作了液氮低溫箱,研制了制冷封閉性試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法,既兼顧了經(jīng)濟(jì)性,又實(shí)現(xiàn)了溫度控制與試件加載相分離的試驗(yàn)條件,順利開展了支承架體關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的低溫性能試驗(yàn)。
在此基礎(chǔ)上,張艷霞團(tuán)隊(duì)還通過模型計(jì)算,評(píng)估嚴(yán)寒、大風(fēng)和大雪耦合極端天氣下的建筑安全性能。
然而,試驗(yàn)也只是驗(yàn)證現(xiàn)實(shí)中可能出現(xiàn)的幾種常見情況,除此之外,還有很多復(fù)雜情景。比如,臨時(shí)設(shè)施相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)設(shè)的情況是,設(shè)施上的雪可以被及時(shí)清掃??删驮谌ツ甓镜囊惶?,張家口半夜下起了大雪,賽區(qū)棚房的積雪根本來不及清理,在這種特殊情況下,臨時(shí)結(jié)構(gòu)的安全問題急需評(píng)估。
在不同的賽區(qū),臨時(shí)設(shè)施面臨的考驗(yàn)也有很大差異。相比延慶賽區(qū),張家口賽區(qū)臨時(shí)設(shè)施體量大,一些架體上還有三層的臨時(shí)用房。有一次,在一場(chǎng)國(guó)際測(cè)試賽事舉辦前,一封函件從張家口發(fā)來,希望張艷霞所在項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)去做賽區(qū)臨時(shí)設(shè)施的安全評(píng)估檢測(cè),之后才能放心投入使用。
一周的時(shí)間里,張艷霞帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)檢查了奧運(yùn)餐廳、領(lǐng)隊(duì)會(huì)議室棚房、國(guó)家越野滑雪中心的臨時(shí)看臺(tái)等,并同步進(jìn)行監(jiān)測(cè)、三維激光掃描、圖紙對(duì)比、以及計(jì)算評(píng)估。張家口賽區(qū)各部門,都在等待他們將要出具的這份“體檢報(bào)告”。
“可以說,這是我在科研這條路上最大的一次挑戰(zhàn)。”張艷霞記得,在崇禮的每個(gè)晚上,她與團(tuán)隊(duì)成員都要核算到深夜兩三點(diǎn),“國(guó)際測(cè)試賽馬上就要開始了,時(shí)間急迫,任務(wù)繁重。所以當(dāng)時(shí)我的壓力非常大。”評(píng)估報(bào)告在最后一天的凌晨2點(diǎn)發(fā)出,相關(guān)方得到報(bào)告后,迅速落實(shí),最終確保了國(guó)際測(cè)試賽順利進(jìn)行。
“賽事能夠圓滿開展,那時(shí)我的幸福感也是最大的。”從大興機(jī)場(chǎng),到冬奧臨時(shí)設(shè)施,張艷霞帶著使命感完成一項(xiàng)項(xiàng)重大工程。“有幸能盡自己的所能參與到這個(gè)時(shí)代的工程建設(shè)中,我覺得自己非常幸福。”
冰天雪地的環(huán)境里,這些臨時(shí)設(shè)施不僅要耐得住嚴(yán)寒,還要給人以溫暖。
在小海坨山,山頂極限溫度可達(dá)-30℃,極限風(fēng)力可達(dá)12級(jí)。工作人員在一個(gè)個(gè)集裝箱房?jī)?nèi)辦公,如何給他們提供一個(gè)溫暖的環(huán)境?
傳統(tǒng)臨時(shí)用房的供暖方式是直接電加熱供暖,但這種方式能效低、能耗大,不夠低碳節(jié)能。2021年6月,北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院教授郝學(xué)軍接到這一任務(wù)。那時(shí)距離冬奧會(huì)開幕只有不到8個(gè)月,時(shí)間十分緊張,兩所高校和兩家企業(yè)協(xié)作高效攻關(guān),中青年教師和在校碩士研究生成為團(tuán)隊(duì)主力。
要做到綠色辦奧,團(tuán)隊(duì)給出一個(gè)理想方案:百分百使用可再生能源,實(shí)現(xiàn)零碳供暖——通過太陽能光伏、光熱一體化熱泵技術(shù),利用太陽能和空氣能,為集裝箱房提供熱源。他們還對(duì)集裝箱房圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫材料進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),通過毛細(xì)管墻面輻射的方式,營(yíng)造節(jié)能舒適的室內(nèi)環(huán)境——管網(wǎng)系統(tǒng)像房子的“血管”一樣鋪設(shè)在天花板和墻壁里,通過輻射的方式調(diào)節(jié)室溫。
一般的集裝箱房只能依靠自然通風(fēng)改善內(nèi)空氣品質(zhì),尤其在寒冷的冬天,一通風(fēng),室內(nèi)溫度就迅速下降,供暖的能耗也大幅增加。郝學(xué)軍團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種適用于冬奧低溫環(huán)境下的全溫度段熱回收新風(fēng)換氣裝置,把熱泵和全熱回收裝置配合用在新風(fēng)換氣機(jī)上,形成模塊化高效熱回收。
郝學(xué)軍介紹,熱泵輻射供暖和新風(fēng)換氣系統(tǒng)都可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。使用者可以通過溫控器設(shè)定室內(nèi)溫度,當(dāng)室溫低于設(shè)定溫度時(shí)自動(dòng)供暖,室溫能達(dá)到設(shè)定溫度時(shí),熱泵機(jī)組自動(dòng)停機(jī),新風(fēng)換氣機(jī)組也會(huì)根據(jù)設(shè)定溫度和室內(nèi)溫度自動(dòng)控制熱泵機(jī)組的熱回收啟停。
在國(guó)家高山滑雪中心競(jìng)技結(jié)束區(qū)臨時(shí)看臺(tái)媒體用房,這項(xiàng)“暖心”成果已投入使用。郝學(xué)軍團(tuán)隊(duì)也投入賽事保障工作中。白天,他們?cè)谫悎?chǎng),緊盯無線傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)示范用房室內(nèi)外溫度、濕度、二氧化碳濃度、熱泵系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和逐時(shí)耗電量等數(shù)據(jù);晚上,商討運(yùn)行狀態(tài),制定系統(tǒng)故障應(yīng)急預(yù)案,隨時(shí)準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。
郝學(xué)軍說,未來,這種技術(shù)方案還可應(yīng)用在很多應(yīng)急場(chǎng)景里,比如冬季地震、疫情下的救災(zāi)、醫(yī)療或臨時(shí)隔離用房、邊防部隊(duì)臨時(shí)營(yíng)房等,實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的低碳供暖和通風(fēng)換氣。
臨時(shí)設(shè)施有搭建效率高、賽后可周轉(zhuǎn)、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì),如果能好好利用,便是“綠色”辦奧理念的生動(dòng)實(shí)踐。
相較于永久建筑,各種設(shè)備在臨時(shí)設(shè)施內(nèi)的組合難度更大,受到的限制更多。郝學(xué)軍記得,幾個(gè)月前,由于運(yùn)輸、安裝過程中產(chǎn)生的震動(dòng),裝有制冷劑的部分管路破損,團(tuán)隊(duì)在現(xiàn)場(chǎng)連夜檢查維修才恢復(fù)了系統(tǒng)功能。“臨時(shí)設(shè)施的構(gòu)件要便于拆裝和移動(dòng),設(shè)備使用壽命也不如永久建筑,因此還要考慮經(jīng)濟(jì)性。”
科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新與改進(jìn)一直是進(jìn)行時(shí),冬奧會(huì)并非研究的終點(diǎn)。幾天前,張艷霞團(tuán)隊(duì)還在室外深夜拆裝架體,為賽后循環(huán)利用做測(cè)試。郝學(xué)軍團(tuán)隊(duì)也一直在收集計(jì)算集裝箱房?jī)?nèi)各環(huán)節(jié)碳排放的數(shù)據(jù)。項(xiàng)目在2022年年底迎來驗(yàn)收,屆時(shí),他們將在臨時(shí)設(shè)施領(lǐng)域交出一份溫暖答卷。
中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 張藝 來源:中國(guó)青年報(bào)
2022年02月10日 06 版