北京大兴国际机场、首都机场T3航站楼、国家体育馆、“中国天眼”……25年职业生涯里,北京市建筑设计研究院总工程师朱忠义负责结构设计的工程,个个大名鼎鼎。


他把自己的工作通俗地称为“给建筑做骨架”,“工程越大,责任越大”。


在朱忠义看来,建筑工程是传统行业和现代技术的融合,每一项工程都有挑战,每一次设计都是在以往工程经验的基础上完成的。


“技术发展和行业进步,就是在不断解决工程难题的过程中实现的。我喜欢去做这样的事情,所以更愿意全身心地投入这份事业。”


北京市建筑设计研究院总工程师朱忠义。摄影/新京报记者 王嘉宁


体育馆设计防连续倒塌,成震中“诺亚方舟”


从业25年来,朱忠义负责了20余项国内外大型工程的结构设计,其中不乏结构复杂、技术难度极大的航站楼、体育馆、大型会展中心。


但他最难以忘怀的,是2003年自己初出茅庐时主持设计的绵阳九洲体育馆。


朱忠义记得,当时建设九洲体育馆,是为了承办在四川绵阳举办的世界拳击锦标赛。


“当时,这个体育馆的抗震设防烈度是6度,但是考虑到它的重要性,我们就想,万一有突发情况,这个结构会不会倒塌?”朱忠义觉得,作为一座大型公共建筑,安全无疑是重中之重。


他给自己提了一个要求,要保证即便结构发生一些变形甚至开裂,整个建筑也依然安全稳定。最后,朱忠义想到了采用预防连续倒塌的设计,来对结构的关键部位进行加强。


九洲体育馆的屋顶设计为大拱形,是当时全国拱形体育馆中的跨度之最。施工期间,刚好赶上雨季,工期又非常紧张。“加快了施工速度,会不会影响质量?”朱忠义心里不放心。


“当时建设环境很艰苦,但是自己上去看一看,心里才能踏实。”在屋顶结构施工的时候,现场还没有搭建临时楼梯,朱忠义跟随施工人员,顺着中间的大拱形一段一段爬过去,检查焊缝有没有焊好、钢梁有没有对齐。


回忆起来,朱忠义觉得很庆幸,当时为九洲体育馆提出了这一设计,且严格确保了施工到位。


2008年,汶川发生“5·12”特大地震,位于绵阳的九洲体育馆在主震过后安然无恙,成为当地最大的抗震指挥和灾民安置中心。


但余震不断来袭,体育馆是否能经受住考验,朱忠义的心里也很忐忑。“当时我们迅速召开紧急会议,全面考虑各种可能出现的情况,对关键部位逐一筛查,反复验算并实时检测,提醒当地做好安全提示。”


在主震和上万次余震的考验下,最终,九洲体育馆结构表现完好,成为大震中的“诺亚方舟”,保证了上万避难群众的安全。


创新结构技术,解决“中国天眼”受力难题


在朱忠义接手的诸多高难度结构设计中,最特殊的当属“中国天眼”。


位于贵州山区的“中国天眼”,是由中国自主设计建造的500米口径球面射电望远镜(FAST),也是世界最大、最灵敏的单口径射电望远镜。


作为FAST主动反射面主体支承结构设计负责人,朱忠义要解决的难题不少。


“平时我们设计的建筑结构,要求的是稳定。但FAST完全不同,它是一个巨大的科学仪器,要满足科学观测的要求,需要一个主动变位的结构,同时精度要特别高。”朱忠义说。


另外,FAST的口径设计为500米,相当于18个标准足球场的面积。其反射面主体支承结构是一张巨型索网,其精度均方差要求只有2毫米,这样,编织索网需要的关键零件就有5万多个。


更难的是,天眼位于地质、地貌复杂的喀斯特洼地,圈梁支承柱高度在3米至50米不等,导致结构和基础受力复杂,圈梁温度作用明显。


“对我们来说,当时要解决的最大难题,就是怎么把圈梁和柱子连接起来,受力更均匀,同时能释放温度的影响,自由地膨胀收缩。另外,FAST反射面需要朝不同的方向变位。之前从来没有过这样的设计。”


朱忠义记得,为了解决这些问题,设计方案经过一年多的打磨,才最终成形。


他创造性地提出,将柱子与圈梁隔开,通过一个径向可动支座进行滑动释放,同时提出考虑结构主动变位或具有多个目标形态的索网分析方法,发明了满足力学模型的相关产品,解决复杂山区环境对结构受力的影响,同时减小索网变位过程中应力变化幅,让FAST反射面变位更加灵活。


“已故的FAST首席科学家南仁东老师,当时听到这个方案后很高兴,我至今都记得他对我们说,‘这就是我心目中的方案’。”朱忠义感慨道。


朱忠义在指导团队成员进行结构设计。摄影/新京报记者 王嘉宁


最大跨度180米,挑战“超级工程”大兴机场


作为一名主攻大跨度结构的工程师,朱忠义挑战过不少大型机场航站楼的设计。但2015年,第一次接触大兴国际机场工程时,他还是被这个独一无二的“超级工程”所震撼。


作为全球最大航站楼,大兴机场要用8根C形柱支撑起核心区18万平方米的大跨度结构,最大跨度达到180米,这样的设计在以往的机场航站楼中从未有过。


“这个空间有多大?类比一下,尺度为114米×144米的国家体育馆,放到这个航站楼里,也是很小的一部分。”朱忠义说,同时,这个巨大的钢结构,还需要在8度地震下以及高铁从航站楼穿过时依然确保安全。


当时,朱忠义带领团队做了大量的理论分析,分析整个结构的受力性能和承载力,分析整个系统的稳定性和安全性。“所有分析做完的时候,我的心里就比较有底了,但还没有经过实验验证,不敢打包票说没问题。”


之后,设计方案还要经过严谨的实验论证,才能最终投入施工。


朱忠义记得当时团队在北京建筑大学观看实验的过程,当看到承载力加到设计荷载两倍,结构还是很安全的时候,所有人都很激动。“理论分析和实验验证的结果吻合,说明我们的设计方案是正确的、设计成果是安全的。”他总算松了一口气。


2019年9月25日,北京大兴国际机场正式通航。作为一名参与者,回想起过去的1800多个日夜,朱忠义感慨万千。


“经过5年的设计施工配合,最终我们把当初的构想,几乎完全一样地展现在了大家面前。更重要的是,团队水平通过这样的超级工程得到了提升,对行业也有显著的促进作用。”


他坦言,未来,智慧城市和数字化城市会对工程设计提出更高的要求。“我们怎么让这个传统的行业和现代的技术结合得更好,是接下来需要不断探索的方向。”


人物简介


朱忠义,北京市建筑设计研究院有限公司总工程师、党支部书记,教授级高级工程师,2020年全国劳动模范。享受国务院政府特殊津贴,先后荣获国家科技进步二等奖、国家“有突出贡献中青年专家”“首都劳动奖章”等荣誉称号,当选首届中国钢结构协会“钢结构大师”。


新京报记者 吴娇颖 摄影记者 王嘉宁

编辑 刘梦婕 校对 李铭