【建筑圈的结构事】解读世界最大的单口径射电望远镜的设计结构

在2017年4月26日公布的“2016年北京市科技进步奖”获奖名单中，由中国天文台主导，北京市建筑设计研究院有限公司（BIAD）等单位参与设计的国家重大科学工程——“500m口径球面射电望远镜超大空间结构工程创新与实践”项目（以下简称为FAST）荣获北京市科学技术奖一等奖。

500米口径球面射电望远镜被誉为‘中国天眼’，是具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。FAST口径500m，面积约30个足球场大小，而在工程师的图纸上，它是46万块三角形单元拼接而成的球冠形主反射面，内置可移动变位的复杂结构索网系统。

与被评为人类20世纪10大工程之首的美国300m望远镜相比，其综合性能提高约10倍。FAST将在未来20~30年保持世界领先地位。

5月9日上午，在北京院召开了以“北京国企助力国家科技进步”为主题的FAST-BIAD设计媒体采访会。北京市国资委副巡视员荀永利，市委宣传部新闻处干部杨洋，市国资委宣传工作处副处长郭尽辉、郭盛惠，宣传工作处干部贾军辉，北京市建筑设计研究院有限公司副总经理郑实，BIAD复杂结构设计院院长、副总工程师苗启松，BIAD复杂结构设计院副院长、FAST反射面主体支承结构设计负责人朱忠义及FAST设计团队代表莅临本次采访会。

苗启松

朱忠义

下面将主要内容与大家一起分享：

一、FAST项目系统构成

二、FAST反射面特点

（1）尺度巨大

FAST口径500米、面积约为美国Arecibo望远镜的2.5倍，见下方对比图。

（2）主动变位

反射面在寻源和跟踪过程中，需实时调整形态，在观测方向形成300米口径瞬时抛物面以汇聚电磁波，是与美国Arecibo望远镜固定反射面根本的区别。

（3）超高精度

作为高精度天文仪器的重要组成系统，成型精度需达到毫米级。

（4）边界复杂

位于地质、地貌复杂的喀斯特洼地，自然边界条件可靠性较低。 

三、BIAD主要参与了FAST反射面主体支承结构设计、自适应反射面板连接拓扑优化及馈源舱结构的审核。

FAST主动反射面主体支承结构由圈梁、格构柱和主动变位的索网组成。

500米口径、可主动变位的索网系统

FAST索网结构的一些关键指标远高于中外相关领域的规范要求，其直径500m，采用短程线网格划分，并采用间断设计方式，即主索之间通过节点断开。整个索网共6670根主索、2225个主索节点及下拉索。主索截面一共有16种规格，截面面积介于280~1319mm²之间。

由于场地条件限制，全部索网结构须在高空中进行拼装。索网采取主动变位的独特工作方式，即根据观测天体的方位，利用促动器控制下拉索，在500m口径反射面的不同区域形成直径为300m的抛物面，以实现天体观测。

1、设计了适应复杂地形的巨型支承结构

（1）解决了复杂地形对支承结构的影响。

支承圈梁的格构柱高度在3.15~54.265m之间变化，侧向刚度有较大差异；设计了圈梁的滑动边界，改善了基础、圈梁和索网的受力性能，降低了索网疲劳应力幅，有效解决了复杂地形带来的系列结构问题。

（2）发明了一种带链杆单向滑动铰支座。实现了理论边界条件，消除了现有支座容易卡住的问题。

2、设计了具有主动变位功能的高精度索网结构

（1）提出适应FAST索网的形态分析方法。实现零状态索网位形与球面初始态吻合；通过迭代调整下拉索初应变确定各抛物面形态；分析过程高效、简洁、直观。

（2）研究了主动变位的高应力幅索网疲劳技术指标。在FAST运行过程中，索网形成连续变化的抛物面，产生往复变位疲劳荷载，引起索网严重的疲劳问题；FAST索网应力幅高达459MPa，超过国内外规范200~250MPa的要求。

（3）合作发明了适应主动变位的轻量化索网节点。工厂制造精度高、现场安装精度高，满足高精度索网安装；满足高应力幅变位疲劳、钢索转角实时变化的要求，提高了索网疲劳性能。

（4）提出基于敏感性分析的精度控制方法。提高索网精度的关键措施包括：高精度边界：基于均匀温度场实测圈梁位形，实现索网边界±10mm的高精度定位；高精度索长：提出恒温、带载制索方法，实现索力与索长的高精度闭合，索长误差要求不大于1.0mm；高精度安装：通过销轴与关节轴承的过盈配合，消除钢索安装误差。

部分项目照片：

FAST反射面、主索、下拉索

 FAST主索节点盘

FAST馈源舱支撑塔

 FAST下拉索、促动器、反射面

 FAST圈梁、格构柱

FAST的一些关键数据

500m，FAST口径500m，是目前世界上建成及计划建造的最大口径的球面射电望远镜；

134m，从索网最高点到最低点高差134m；

168m，FAST要修建6座馈源塔，最高168m，6座塔均建在落差达百米的山崖上；

30个，整个FAST的球面面积相当于30个足球场大小；

1600m，4200t，整个钢结构圈梁长度达1600m，消耗钢材4200t，；

8895根，1300t，FAST反射面索网结构将由8895根高强度、高精度钢索连接而成，形成重达1300t的索网；

4400块，由4400块主动反射单元拼装在索网上组成反射面；

2.5倍，比美国阿雷西博望远镜反射面积大2.5倍；

22年，从1994年开始选址到建成足足花了22年时间。

FAST进展

1993年，我国天文学家提出在贵州省黔南州喀斯特洼地建造FAST的设想，并于2007年获批，总投资约6.67亿元；

2007年7月，FAST工程项目正式立项，台址确定在贵州省黔南州平塘县克度镇金科村的“大窝凼”洼地；

2011年3月正式开工建设；

2014年1月，FAST工程实现圈梁顺利合拢；

2014年7月17日，第一根主索安装，FAST工程反射面索网安装正式步入工程实施阶段；

2016年9月落成启用。