走！去南極蓋房子
馮杰
2024年11月15日 07:32
祝賀
光明日報（ 2024年11月14日 16版）南極，隱藏著哪些地球的奧秘？幾十年來，各國以科研為目標，陸續(xù)在南極大陸建立起70多個考察站，并以此為立足點，對南極地區(qū)進行更深入的研究和探索。如今，南極考察站的設計理念和建造技術持續(xù)進化，其具體形式從最初保障人員基本生活條件的帳篷或木屋，演變?yōu)橐灾沃卮罂茖W項目為目標的綜合性科研中心。南極建筑作為一種獨特的建筑類型，體現(xiàn)出人類應對極寒、強風、孤立無援等極端環(huán)境的生存智慧和技術創(chuàng)新。
我國的5座南極科考站
1985年，中國第一座南極考察站——長城站在菲爾德斯半島正式落成，五星紅旗從此飄揚在南極上空；1989年，中山站進駐南極圈；2009年，昆侖站矗立在南極冰蓋最高點；2014年，泰山站成為連接中山站和昆侖站的紐帶。2024年2月7日，秦嶺站正式開站，成為繼長城站、中山站之后我國的第三個常年站，標志著我國極地考察廣度、深度以及科研支撐能力都邁入新階段。
我國的南極考察站因區(qū)位不同，承擔著各具特色的科學使命：長城站主要開展南極環(huán)境變化與生態(tài)響應、南極生物資源調查與利用方面的考察；中山站主要承擔南極冰蓋、地質和高空物理觀測等科考活動；昆侖站和泰山站位于環(huán)境更為嚴酷的南極內(nèi)陸地區(qū)，目前只在夏季開展考察工作，其前沿考察內(nèi)容主要包括深冰芯、天文和大氣本底觀測等。
從2013年中國第29次南極考察隊開始，經(jīng)過多年篩選與勘察，秦嶺站最終選址于羅斯海西岸的恩克斯堡島。羅斯海是南太平洋深入南極洲的大型海灣，是南極地區(qū)巖石圈、冰凍圈、生物圈等典型自然地理單元集中相互作用的區(qū)域，具有極其重要的科研價值。
如今，羅斯海沿岸匯聚著諸多頗具代表性的極地考察站，如美國麥克默多站、新西蘭斯科特基地、意大利馬里奧·祖切利站、韓國張保皋站和德國岡瓦納站5個考察站先后“落子”于此。
其中，位于羅斯海南端羅斯島上的麥克默多站有200多棟建筑，號稱“南極第一城鎮(zhèn)”。該站是南極洲最大的科學研究中心，也是南極洲科學探索和后勤支持的主要樞紐和通往南極內(nèi)陸的重要門戶。站區(qū)配備了各種科研設施，為科學家們和現(xiàn)場工作人員提供支持，比如先進的實驗室，可用于地質學、生物學、氣象學和冰川學等領域的研究。生活區(qū)為研究人員、工作人員和訪客提供多元化的住宿條件，從單人間到私人公寓不等；娛樂設施如健身房、圖書館和社交區(qū)等，為考察隊員提供放松和社交的場所；站區(qū)配有設備齊全的醫(yī)院，用于處理醫(yī)療緊急情況和常規(guī)護理；交通工具包括直升機、破冰船和專業(yè)車隊，為科考隊員的出行提供便利。
秦嶺站的創(chuàng)新設計
秦嶺站所在的恩克斯堡島是南極最著名的“風口”，它還有另一個名字——“難言島”。一百多年前，英國探險家坎貝爾領導的探險隊被迫在此過冬。在遭受凍傷、饑餓和島上的強風后，6名探險隊員根據(jù)這段難以言喻的經(jīng)歷，如此為這座島嶼命名。
如今，我們對這里的極端環(huán)境有了更清晰的認知——根據(jù)曼努埃拉自動氣象站近40年的觀測數(shù)據(jù)，秦嶺站的設計風速要達到65米/秒。
設計一座能夠抵御嚴酷環(huán)境、實現(xiàn)科學目標的綜合考察站，為駐守南極的考察隊員們營造一個溫暖的家，成為秦嶺站設計師的首要任務。設計團隊從地形、洋流、風向、太陽高度角和雪影區(qū)等基本的地理、氣候要素入手，用最簡單、有力的形體空間和相應的建造方式去回應復雜的外部環(huán)境，同時借助計算流體動力學模擬、風洞與吹雪試驗，通過實體與數(shù)字化模型的多組模擬實驗優(yōu)化建筑造型與結構參數(shù)，確保建筑在強風、暴雪和低溫等極端環(huán)境中保持良好的物理性能和運行狀態(tài)。其先進性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
集約高效——秦嶺站的設計充分考慮極地高寒、強風、積雪、紫外線輻射等極端環(huán)境，主體建筑采用集中式形態(tài)，分為主樓和后勤中心兩部分，內(nèi)部功能高度集成。主樓底層架空，矗立在臨海巖壁之上，憑海臨風，對岸群山橫亙百里，一覽無余。建筑下部結構通過預應力巖石抗拔錨桿將建筑牢牢地錨固于地面;后勤中心匍匐在側，與原生基巖共同構成主樓的基座。主樓與后勤中心在內(nèi)部通過垂直交通核彼此銜接，考察隊員可以足不出戶解決生活、工作、交流等日常需求，免受戶外的強風侵襲。主樓“一體兩翼”式的空間格局緊湊高效，辦公、科研、生活等功能分區(qū)明確，整體空間利用率超過60%。
科技人文——考察站的布局綜合考慮了主導風向、地形因素及洋流走向，通過對建筑形體、結構搭建實體與數(shù)字化模型，開展多組風洞試驗，模擬風壓、風致振動、風吹雪等環(huán)境指標，確定低體形系數(shù)的建筑形體與理想結構，以滿足65米/秒的設計風速。在保證考察站功能性和安全性的同時，建筑內(nèi)部空間的處理著重關照了密閉環(huán)境中考察隊員的身體和心理健康需求：以明快的色調、溫暖的木質表面構成了建筑室內(nèi)的底色;專門設置植物溫室，使得地處極地嚴寒的考察站室內(nèi)依然充滿綠意盎然的生機；餐廳的落地窗直面海灣，隊員用餐期間可將絕佳的羅斯海沿岸風光盡收眼底。
綠色低碳——秦嶺站首次在南極大規(guī)模采用可再生能源和傳統(tǒng)能源相結合的能源系統(tǒng)，風能和太陽能等清潔能源應用比例超過60%。根據(jù)功能分區(qū)的使用特點，建筑內(nèi)部分別對越冬、度夏區(qū)域實行獨立能源供應，通過微網(wǎng)監(jiān)控和能量管理平臺等先進技術，對整個微電網(wǎng)運行參數(shù)進行監(jiān)控，實時顯示運行狀態(tài)。主樓采用模塊化設計，主要包括16組越冬宿舍單元、26組度夏宿舍單元以及42組辦公、實驗單元。模塊中所有內(nèi)裝界面、固定家具、設備及管線都在工廠預制，最大程度提高現(xiàn)場施工效率，減輕環(huán)境壓力。
智能先進——秦嶺站基于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，實現(xiàn)對考察數(shù)據(jù)的遠程管理和實時同步，設置自動檢測、數(shù)據(jù)采集等專用網(wǎng)絡系統(tǒng)，對羅斯海及周邊環(huán)境長期觀監(jiān)測，開展近岸海洋環(huán)境的在線監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸、樣品預處理分析實驗，并逐步實現(xiàn)極地考察的無人化、智慧化。安全方面，采用輕質高強的建筑技術與材料，可以抵抗零下60攝氏度的超低溫和海岸環(huán)境的強腐蝕；消防系統(tǒng)配備智慧“火眼”系統(tǒng)，實現(xiàn)火情10秒鐘內(nèi)快速識別，比傳統(tǒng)預警速度提升5倍，增強了建筑防火安全。
高效、安全、環(huán)保的現(xiàn)場建設
南極大陸通常只在每年的12月至次年2月有短暫的夏季，這段時間是物資運輸和施工作業(yè)的黃金窗口期?？疾礻牨仨氃谀习肭蛳闹羴砼R前突破海冰的封鎖，在3個月的時間里完成物資卸運、臨時生活設施建設、主體建筑鋼結構搭建、內(nèi)部功能模塊和外圍護系統(tǒng)安裝等大量工作，一旦錯過這個時間窗口，就需要等待整整一年才能再次進行施工。
中國第40次南極考察隊于2023年11月1日從上海出發(fā)，104名新站建設隊員、9500噸建設物資搭乘“雪龍2”號、“天惠”輪和南極國際航班，穿越西風帶和羅斯海密集浮冰區(qū)，于2023年12月6日到達新站建設地點?，F(xiàn)場全體隊員克服時間緊、任務重、自然環(huán)境惡劣等諸多困難，13天內(nèi)完成全部人員及建設物資轉運，52天內(nèi)完成5120平方米主體建筑，包括主樓和后勤中心2000噸鋼結構、84個功能模塊，以及9800平方米外圍護結構安裝等工作，圓滿完成既定建設任務。
為保證項目質量與進度，秦嶺站采用工廠預制—現(xiàn)場拼裝的施工工藝，即所有鋼結構、模塊和外圍護墻板等構件在國內(nèi)工廠預先制造完成，部分重要構件和復雜節(jié)點在國內(nèi)進行預拼裝，而后分別拆除、編號、打包，隨船運往南極。
盡管如此，南極極端多變的氣候還是給現(xiàn)場帶來巨大挑戰(zhàn)。開站前夕，12級颶風突襲新站，為防止已安裝的幕墻被強風破壞，考察隊當即決定對主樓迎風面進行緊急封閉。40多名建設者分成5隊，用牽引繩與吊車配合，在大風中控制幕墻板的軌跡，經(jīng)過十幾個小時的奮戰(zhàn)，終于在風暴來臨前完成了施工作業(yè)。時速120公里的颶風持續(xù)了3天，考察站毫發(fā)無損。室內(nèi)作業(yè)恢復后，隊員們拉著安全繩頂著大風，在能見度不足5米的風雪中列隊往返于工地和宿舍。
除保證秦嶺站建設的高效和安全外，環(huán)境保護也是施工中的重要環(huán)節(jié)。面對南極地區(qū)嚴苛的生態(tài)環(huán)保標準，“綠色考察”的理念貫穿考察站建設的全過程：現(xiàn)場所有建筑垃圾均采用密封、粉碎、真空、生化、高壓包裝等環(huán)保技術處理后帶出南極；所有生活、建設物資均為無甲醛無氟材料；臨時生活設施采用被動式超低能耗建筑技術，同步開展太陽能、風能等清潔能源的試點應用，有效降低施工期間的能源消耗和碳排放。
作為秦嶺站的建筑設計師之一，筆者在這里度過了一個不平凡的夏天。建站過程中的挑戰(zhàn)與感動，讓我體驗了特殊的經(jīng)歷，收獲了豐富的經(jīng)驗和技術，更深切地領悟到團隊合作的力量以及中國建設者的使命和擔當。3個月的駐站工作，不僅讓筆者深刻體會到設計藍圖在極地成為現(xiàn)實過程的艱辛，更有機會對既往設計深入總結和反思，為未來極地建筑設計的系統(tǒng)化、類型化和標準化建立更堅實的基礎。
人類對南極的探索已有一百多年的歷史，在這片神秘大陸上，人類走過的每一步都充滿了冒險的激情和前行的勇氣。正是這份職業(yè)的特殊際遇，讓我能夠沿著前人的足跡，為推動我國極地事業(yè)的發(fā)展貢獻自己的一份力量。未來，相信秦嶺站必將如“南極星”般在羅斯海的蒼穹中熠熠生輝，為人類認識極地、保護極地、利用極地作出新的更大貢獻。
（作者系中國建筑設計研究院有限公司極地建筑設計研究中心副主任、高級建筑師，國家一級注冊建筑師）