祝 贺

《光明日报》( 2024年11月14日 16版)

参加中国第40次南极考察的“雪鹰601”在补充燃料。新华社发

执行中国第40次南极考察任务的“雪龙2”号行驶在浮冰区。新华社发

中国南极秦岭站航拍。祝贺摄/光明图片

南极,隐藏着哪些地球的奥秘?几十年来,各国以科研为目标,陆续在南极大陆建立起70多个考察站,并以此为立足点,对南极地区进行更深入的研究和探索。如今,南极考察站的设计理念和建造技术持续进化,其具体形式从最初保障人员基本生活条件的帐篷或木屋,演变为以支撑重大科学项目为目标的综合性科研中心。南极建筑作为一种独特的建筑类型,体现出人类应对极寒、强风、孤立无援等极端环境的生存智慧和技术创新。

我国的5座南极科考站

1985年,中国第一座南极考察站——长城站在菲尔德斯半岛正式落成,五星红旗从此飘扬在南极上空;1989年,中山站进驻南极圈;2009年,昆仑站矗立在南极冰盖最高点;2014年,泰山站成为连接中山站和昆仑站的纽带。2024年2月7日,秦岭站正式开站,成为继长城站、中山站之后我国的第三个常年站,标志着我国极地考察广度、深度以及科研支撑能力都迈入新阶段。

我国的南极考察站因区位不同,承担着各具特色的科学使命:长城站主要开展南极环境变化与生态响应、南极生物资源调查与利用方面的考察;中山站主要承担南极冰盖、地质和高空物理观测等科考活动;昆仑站和泰山站位于环境更为严酷的南极内陆地区,目前只在夏季开展考察工作,其前沿考察内容主要包括深冰芯、天文和大气本底观测等。

从2013年中国第29次南极考察队开始,经过多年筛选与勘察,秦岭站最终选址于罗斯海西岸的恩克斯堡岛。罗斯海是南太平洋深入南极洲的大型海湾,是南极地区岩石圈、冰冻圈、生物圈等典型自然地理单元集中相互作用的区域,具有极其重要的科研价值。

如今,罗斯海沿岸汇聚着诸多颇具代表性的极地考察站,如美国麦克默多站、新西兰斯科特基地、意大利马里奥·祖切利站、韩国张保皋站和德国冈瓦纳站5个考察站先后“落子”于此。

其中,位于罗斯海南端罗斯岛上的麦克默多站有200多栋建筑,号称“南极第一城镇”。该站是南极洲最大的科学研究中心,也是南极洲科学探索和后勤支持的主要枢纽和通往南极内陆的重要门户。站区配备了各种科研设施,为科学家们和现场工作人员提供支持,比如先进的实验室,可用于地质学、生物学、气象学和冰川学等领域的研究。生活区为研究人员、工作人员和访客提供多元化的住宿条件,从单人间到私人公寓不等;娱乐设施如健身房、图书馆和社交区等,为考察队员提供放松和社交的场所;站区配有设备齐全的医院,用于处理医疗紧急情况和常规护理;交通工具包括直升机、破冰船和专业车队,为科考队员的出行提供便利。

秦岭站的创新设计

秦岭站所在的恩克斯堡岛是南极最著名的“风口”,它还有另一个名字——“难言岛”。一百多年前,英国探险家坎贝尔领导的探险队被迫在此过冬。在遭受冻伤、饥饿和岛上的强风后,6名探险队员根据这段难以言喻的经历,如此为这座岛屿命名。

如今,我们对这里的极端环境有了更清晰的认知——根据曼努埃拉自动气象站近40年的观测数据,秦岭站的设计风速要达到65米/秒。

设计一座能够抵御严酷环境、实现科学目标的综合考察站,为驻守南极的考察队员们营造一个温暖的家,成为秦岭站设计师的首要任务。设计团队从地形、洋流、风向、太阳高度角和雪影区等基本的地理、气候要素入手,用最简单、有力的形体空间和相应的建造方式去回应复杂的外部环境,同时借助计算流体动力学模拟、风洞与吹雪试验,通过实体与数字化模型的多组模拟实验优化建筑造型与结构参数,确保建筑在强风、暴雪和低温等极端环境中保持良好的物理性能和运行状态。其先进性主要体现在以下几个方面:

集约高效——秦岭站的设计充分考虑极地高寒、强风、积雪、紫外线辐射等极端环境,主体建筑采用集中式形态,分为主楼和后勤中心两部分,内部功能高度集成。主楼底层架空,矗立在临海岩壁之上,凭海临风,对岸群山横亘百里,一览无余。建筑下部结构通过预应力岩石抗拔锚杆将建筑牢牢地锚固于地面;后勤中心匍匐在侧,与原生基岩共同构成主楼的基座。主楼与后勤中心在内部通过垂直交通核彼此衔接,考察队员可以足不出户解决生活、工作、交流等日常需求,免受户外的强风侵袭。主楼“一体两翼”式的空间格局紧凑高效,办公、科研、生活等功能分区明确,整体空间利用率超过60%。

科技人文——考察站的布局综合考虑了主导风向、地形因素及洋流走向,通过对建筑形体、结构搭建实体与数字化模型,开展多组风洞试验,模拟风压、风致振动、风吹雪等环境指标,确定低体形系数的建筑形体与理想结构,以满足65米/秒的设计风速。在保证考察站功能性和安全性的同时,建筑内部空间的处理着重关照了密闭环境中考察队员的身体和心理健康需求:以明快的色调、温暖的木质表面构成了建筑室内的底色;专门设置植物温室,使得地处极地严寒的考察站室内依然充满绿意盎然的生机;餐厅的落地窗直面海湾,队员用餐期间可将绝佳的罗斯海沿岸风光尽收眼底。

绿色低碳——秦岭站首次在南极大规模采用可再生能源和传统能源相结合的能源系统,风能和太阳能等清洁能源应用比例超过60%。根据功能分区的使用特点,建筑内部分别对越冬、度夏区域实行独立能源供应,通过微网监控和能量管理平台等先进技术,对整个微电网运行参数进行监控,实时显示运行状态。主楼采用模块化设计,主要包括16组越冬宿舍单元、26组度夏宿舍单元以及42组办公、实验单元。模块中所有内装界面、固定家具、设备及管线都在工厂预制,最大程度提高现场施工效率,减轻环境压力。

智能先进——秦岭站基于卫星通信系统,实现对考察数据的远程管理和实时同步,设置自动检测、数据采集等专用网络系统,对罗斯海及周边环境长期观监测,开展近岸海洋环境的在线监测与数据传输、样品预处理分析实验,并逐步实现极地考察的无人化、智慧化。安全方面,采用轻质高强的建筑技术与材料,可以抵抗零下60摄氏度的超低温和海岸环境的强腐蚀;消防系统配备智慧“火眼”系统,实现火情10秒钟内快速识别,比传统预警速度提升5倍,增强了建筑防火安全。

高效、安全、环保的现场建设

南极大陆通常只在每年的12月至次年2月有短暂的夏季,这段时间是物资运输和施工作业的黄金窗口期。考察队必须在南半球夏至来临前突破海冰的封锁,在3个月的时间里完成物资卸运、临时生活设施建设、主体建筑钢结构搭建、内部功能模块和外围护系统安装等大量工作,一旦错过这个时间窗口,就需要等待整整一年才能再次进行施工。

中国第40次南极考察队于2023年11月1日从上海出发,104名新站建设队员、9500吨建设物资搭乘“雪龙2”号、“天惠”轮和南极国际航班,穿越西风带和罗斯海密集浮冰区,于2023年12月6日到达新站建设地点。现场全体队员克服时间紧、任务重、自然环境恶劣等诸多困难,13天内完成全部人员及建设物资转运,52天内完成5120平方米主体建筑,包括主楼和后勤中心2000吨钢结构、84个功能模块,以及9800平方米外围护结构安装等工作,圆满完成既定建设任务。

为保证项目质量与进度,秦岭站采用工厂预制—现场拼装的施工工艺,即所有钢结构、模块和外围护墙板等构件在国内工厂预先制造完成,部分重要构件和复杂节点在国内进行预拼装,而后分别拆除、编号、打包,随船运往南极。

尽管如此,南极极端多变的气候还是给现场带来巨大挑战。开站前夕,12级飓风突袭新站,为防止已安装的幕墙被强风破坏,考察队当即决定对主楼迎风面进行紧急封闭。40多名建设者分成5队,用牵引绳与吊车配合,在大风中控制幕墙板的轨迹,经过十几个小时的奋战,终于在风暴来临前完成了施工作业。时速120公里的飓风持续了3天,考察站毫发无损。室内作业恢复后,队员们拉着安全绳顶着大风,在能见度不足5米的风雪中列队往返于工地和宿舍。

除保证秦岭站建设的高效和安全外,环境保护也是施工中的重要环节。面对南极地区严苛的生态环保标准,“绿色考察”的理念贯穿考察站建设的全过程:现场所有建筑垃圾均采用密封、粉碎、真空、生化、高压包装等环保技术处理后带出南极;所有生活、建设物资均为无甲醛无氟材料;临时生活设施采用被动式超低能耗建筑技术,同步开展太阳能、风能等清洁能源的试点应用,有效降低施工期间的能源消耗和碳排放。

作为秦岭站的建筑设计师之一,笔者在这里度过了一个不平凡的夏天。建站过程中的挑战与感动,让我体验了特殊的经历,收获了丰富的经验和技术,更深切地领悟到团队合作的力量以及中国建设者的使命和担当。3个月的驻站工作,不仅让笔者深刻体会到设计蓝图在极地成为现实过程的艰辛,更有机会对既往设计深入总结和反思,为未来极地建筑设计的系统化、类型化和标准化建立更坚实的基础。

人类对南极的探索已有一百多年的历史,在这片神秘大陆上,人类走过的每一步都充满了冒险的激情和前行的勇气。正是这份职业的特殊际遇,让我能够沿着前人的足迹,为推动我国极地事业的发展贡献自己的一份力量。未来,相信秦岭站必将如“南极星”般在罗斯海的苍穹中熠熠生辉,为人类认识极地、保护极地、利用极地作出新的更大贡献。

(作者:祝 贺,系中国建筑设计研究院有限公司极地建筑设计研究中心副主任、高级建筑师,国家一级注册建筑师)