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中国最大南极科考站开站,怎么建出来的?

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出品|网易新闻

导语:全世界已有30多个国家在南极建立了70多座科考站,中国占了5座,面积最大的秦岭站今日正式开站。我们为什么要建造科考站?又如何建造一座科考站?

中国面积最大的南极科考站

作为世界上发现最晚、科学研究程度最低的地方,南极洲一直都吸引着无数科学家和国家。这里有极端的气候环境,与航天、航空、航海和人类生存等问题密切相关,也有大量陨石遗存和丰富的矿产、水资源,以及许许多多的未知,具有极大的科研价值。目前为止,全世界已有30多个国家在南极建立了70多座科考站,中国占了5座,第5座秦岭站今天正式开站。


图注:南极秦岭站建设中

从1985年起,中国陆续建成了长城站、中山站、昆仑站和泰山站4座科考站。分别位于

西南极乔治王岛、东南极拉斯曼丘陵和南极内陆冰盖、东南极内陆冰盖伊丽莎白公主地区,各自承担了不同的科研任务。比如第一座科考站长城站,所在的西南极乔治王岛区域生态系统活跃,适合开展亚南极生态监测和研究。而昆仑站位于南极冰盖最高点冰穹A地区,是进行冰芯钻探、开展大气科学和天文科学研究的不二之地。





第5座科考站秦岭站与此前科考站的位置完全不同,位于南极洲东部维多利亚地罗斯海沿岸的恩克斯堡岛。罗斯海是地球上受人类活动影响最少的海之一,这里保存了地球最后一块完整的海洋生态系统,海洋生物丰富、生态网完整,至少观察到10个哺乳动物物种、6个鸟类物种和95个鱼类物种,还有许多非脊椎动物物种,是研究地球系统中能量和物质交换、海洋生物和全球气候变化的理想之地。地球上最大的冰架——罗斯冰架,也在罗斯海附近。

目前为止,很多南极研究强国都在罗斯海沿岸建立了科考站。比如美国的麦克默多站、新西兰的斯科特基地、意大利的马里奥·祖切利站以及韩国的张保皋站等。为了填补罗斯海区域研究这一空白,我国从2013年南极第29次考察队就开始了选址工作,历经四个队次的筛选与勘察,从科研方向、气候条件、建设条件、海上可达性和空中可达性等多个因素,最终在2018年确定了恩克斯堡岛作为中国第五座南极考察站的站址。

恩克斯堡岛于1912年被英国水手发现,岛上一直无人居住。它西邻南森冰架,东临终年不冻的特拉诺瓦湾冰间湖,因为岛上岩石裸露,盛行超强、超干、超冷的离岸风,常常风雪交加,铺天盖地白茫茫一片,自然条件非常恶劣,所以又叫“难言岛”。难言岛长12公里、宽4公里、面积50平方公里。新建在恩克斯堡岛的中国考察站,主体建筑设计理念来自郑和下西洋导航所使用的南十字星,包括主体建筑(含海洋科学观测平台)、地球物理观测栋、高空物理观测栋、大气观测栋等独立科研设施,主要功能包括科研实验、人员住宿、物资车辆维修存放、航空支持、通讯保障等功能。秦岭站主楼分A、B、C三个区。其中中间的B区是公共区域,有餐厅、办公室等,两翼的A区和C区呈镜像对称,包括了海洋实验室等区域。上到二层,则是度夏和越冬人员宿舍。整体建筑面积5244平方米建成后将是中国南极科考站中面积最大的一个,预计可容纳度夏队员80人、越冬队员30人,分别比长城站多20人、10人。



像搭积木一样建科考站

由于南极大陆是中部隆起向四周倾斜的高原,一旦沉重的冷空气沿着南极高原光滑的表面向四周俯冲下来,便会狂风大作,形成南极内陆典型的“下降风”。秦岭站所处区域位于下降风盛行区间内,给工程建设带来很大难度,科考站的建筑和供能等多方面都跟日常状态不同,需要特殊定制。

为了对难言岛区域恶劣的天气,秦岭站必须要确保坚固。所以秦岭站主楼采用了钢结构体系,钢材为特种钢材,强度等级为Q355NH E级耐候钢,低温冲击性能-40℃。

用钢量超过了每平方米300公斤,是同类建筑的2到3倍。作为南极洲下降风最强的地区之一,新站区域已知最大风速超过43米/秒。通过结构设计,秦岭站的设计抗风能力达到65米/秒,相当于17级以上的风力。




图注:南极秦岭站主楼钢构

极地气候给施工建设带来极限挑战,800多斤的幕墙板在极风的作用下就像飘在空中的树叶,非常难以控制。为了抓住短暂的施工窗口期,科考站的建筑采用了装配式、模块化的建造体系,在国内就已经量身定做了装配式钢结构件和功能模块,运到南极现场拼装即可。而且为了保证在南极现场拼装施工顺利,秦岭站钢结构提前就在国内进行了预拼装

首先在H型钢自动组立机上将腹板和其中一块翼缘板组装成T型,然后再将T型与另一块翼缘板组装成H型,合格后转入后续各工序。中铁建工集团南极秦岭站项目工程班班长吴兆兵介绍:“整个结构九百六十多根构件,在国内都一比一全部搭上去了。通过预拼装这个环节,能够检验设计方面能不能满足要求、构件的几何尺寸有没有问题。”



材料都准备好且运输到南极后,真正的搭建就开始了。由于南极现场不具备焊接条件,秦岭站的钢结构搭建都是通过耐候性高强螺栓来完成,因为南极低温,常规的高强螺栓容易发生冷脆断,所以还采用了耐候性高强螺栓。

完成钢结构“骨骼”的搭建之后,第二步就是安装功能模块。科考站根据功能,可以划分为度夏、越冬、办公室、实验室、厕所五大类,一共84个。所有功能模块都事先在国内加工好,到了南极现场安装即可。


图注:南极秦岭站主楼模块安装

接下来就到了最后一步安装幕墙板,考察站建筑的最外层。幕墙板外面是一层不锈钢板,背面是铝型材复合板,最里面的一层有聚氨酯泡沫板,既保暖,也美观。



秦岭站的幕墙板超过1100块,因为都是模块化生产,所以对安装精度的要求非常高。中铁建工集团南极秦岭站项目幕墙板负责人李月强介绍说,必须把龙骨校正到误差5个毫米以内,手工板才能够装得进去。条件具备的情况下,每天可以安装40到50张板。


图注:南极秦岭站主楼手工板安装

极地如何维生

建筑有了,更重要的问题是,生活在科考站的科研人员们如何维持生存。

秦岭站以被动式建筑技术应对极端环境,采用可再生能源和传统能源相结合的能源系统,优先采用风能和太阳能等清洁能源,设计方案中,风能、太阳能等新能源占比超过60%。新站根据功能分区的使用特点,分别对越冬、度夏区域实行独立能源供应,根据工况状态灵活设置和调节。度夏宿舍及海洋实验室在冬季无人状态下仅维持值班温度,降低能耗。

秦岭站除了新站之外,还有很多的配套工程,它们共同形成了一套完备的建筑体系。后勤中心和主楼相连,面积超过2000平方米,未来将主要负责提供后勤保障。主要功能包括车库、未来的发电、污水处理、海水淡化以及生活设施的仓库,此外还具备整个新站的生活保障的条件以及设施。

能源站设有光伏发电还有风力发电两种方式,建成之后,新站60%的能源供应都将由新能源来完成。整个微电网系统能够实现无人值守,建10个这种10千瓦的风机,加上10个光伏阵列,光伏和风机各自每小时发电都是100度电,能够满足新站所有负载的正常供应。


图注:南极秦岭站的建设者们

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