2013年歲末，中國建設(shè)科技集團(tuán)股份有限公司（以下簡稱“中國建科”）所屬中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司（以下簡稱“中國院”）開啟服務(wù)國家極地事業(yè)的十年征程；2024年年初，南極秦嶺站主體設(shè)施在羅斯海恩克斯堡島順利落成，成為我國首個(gè)面向太平洋扇區(qū)的南極考察站和開展南極考察及國際治理的關(guān)鍵科學(xué)平臺(tái)，具有重要意義與科學(xué)價(jià)值。中國院設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和創(chuàng)新的技術(shù)體系，為南極秦嶺站崛起冰原保駕護(hù)航。
南極秦嶺站（央視截圖）
三大設(shè)計(jì)理念 服務(wù)南極
南極秦嶺站的設(shè)計(jì)面向南極科學(xué)考察任務(wù)的多層次需求，充分考慮南極極端的自然條件和特殊的國際環(huán)境等特點(diǎn)，充分體現(xiàn)“科學(xué)引領(lǐng)”“文化驅(qū)動(dòng)”“環(huán)境協(xié)同”三大設(shè)計(jì)理念，打造具有國際先進(jìn)水平的南極考察站。
科學(xué)引領(lǐng)。南極秦嶺站位于南極羅斯海區(qū)域，是南極科學(xué)考察和南極國際治理的熱點(diǎn)。該地區(qū)是南極冰蓋與南大洋互動(dòng)最活躍的地帶，對(duì)全球氣候變化有重要影響。此外，南極秦嶺站所在的區(qū)域是全球最古老的海洋，對(duì)研究南極生態(tài)系統(tǒng)演化至關(guān)重要。作為研究南極各圈層相互作用的關(guān)鍵區(qū)域，南極秦嶺站對(duì)全球氣候變化極為敏感，是科學(xué)研究的理想場所。支撐著我國在該區(qū)域的海洋研究和保護(hù)工作，擔(dān)負(fù)著重要的科學(xué)使命。
南極秦嶺站的設(shè)計(jì)強(qiáng)化了南極考察科學(xué)目標(biāo)的引領(lǐng)作用，采用多圈層規(guī)劃、綜合選址、海陸一體化功能和可持續(xù)技術(shù)等方法，使其成為監(jiān)測南極冰海變化和生命活動(dòng)的先進(jìn)平臺(tái)，全天候記錄全球變化的動(dòng)態(tài)，成為極地科學(xué)裝置的前沿。
文化驅(qū)動(dòng)。南極考察是人類探索未知的壯麗征程，從自然探險(xiǎn)到科學(xué)考察與國際治理，考察站從簡單的庇護(hù)所發(fā)展為全方位支持系統(tǒng)，體現(xiàn)了全球意識(shí)、科學(xué)水平和后勤能力。南極秦嶺站的設(shè)計(jì)以“文化驅(qū)動(dòng)”為理念，展現(xiàn)其文化內(nèi)涵、組織特點(diǎn)和人文特色。南極秦嶺站的設(shè)計(jì)概念“南極星·中國結(jié)”融合了中國特色與國際話語，體現(xiàn)了南半球文化，象征南十字星。此外，15世紀(jì)鄭和下西洋時(shí)使用南十字星導(dǎo)航，南極秦嶺站的設(shè)計(jì)也體現(xiàn)了這一文化內(nèi)涵。
南極秦嶺站作為常年性南極考察平臺(tái)，由國家專業(yè)考察機(jī)構(gòu)建設(shè)和運(yùn)轉(zhuǎn)，其功能體系和組織模式展現(xiàn)了南極考察業(yè)務(wù)的組織特點(diǎn)。建筑主體集成了科研辦公、居住、餐飲等全方位要素，采用陸基立體考察平臺(tái)模式，實(shí)現(xiàn)環(huán)境控制和空間布局的高度集約化，適應(yīng)極地考察任務(wù)。
南極秦嶺站的建筑空間和界面設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)人因工程學(xué)原則，空間營造體現(xiàn)極端環(huán)境下安全、高效、友好的人文特征，幫助科學(xué)家和考察人員應(yīng)對(duì)極端環(huán)境挑戰(zhàn)。
環(huán)境協(xié)同。南極洲是地球上最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境之一，以其極端的氣候和脆弱的生態(tài)系統(tǒng)著稱。它不僅是純凈之地，也是國際科研合作的重要場所，需要遵守嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)規(guī)定。南極秦嶺站的設(shè)計(jì)考慮了南極的特殊需求和環(huán)境，采用“環(huán)境協(xié)同”理念，通過數(shù)字化優(yōu)化和風(fēng)洞試驗(yàn)，提高建筑的安全性和適應(yīng)性。同時(shí)，利用可持續(xù)技術(shù)，如可再生能源和智慧化運(yùn)行，減輕對(duì)環(huán)境的影響。
六大技術(shù)體系 保護(hù)極地
基于南極考察特點(diǎn)的規(guī)劃與選址技術(shù)。南極秦嶺站的設(shè)計(jì)基于南極全域考量，從功能規(guī)劃開始，綜合南極環(huán)境、考察水平、后勤能力及科研需求。通過研究國內(nèi)外考察站，分析規(guī)劃原則、現(xiàn)狀、潛力、定位等，建立功能發(fā)展模式。理論框架應(yīng)用于南極秦嶺站選址與規(guī)劃，綜合后勤、科研、國際合作和環(huán)保等因素，結(jié)合建站經(jīng)驗(yàn)，提煉關(guān)鍵指標(biāo)，運(yùn)用FAHP法評(píng)估權(quán)重，實(shí)現(xiàn)定性到定量的轉(zhuǎn)化，形成評(píng)價(jià)體系，得出均衡客觀的選址結(jié)果。
基于南極考察特點(diǎn)的規(guī)劃與選址技術(shù)有力支撐了以南極秦嶺站為中心、作業(yè)半徑超過300公里的多圈層全域考察模式，有效填補(bǔ)了我國在羅斯海地區(qū)的考察空白。
極端環(huán)境下的空間適宜性技術(shù)。面對(duì)羅斯海地區(qū)高寒、強(qiáng)風(fēng)等特殊環(huán)境以及高度的環(huán)境保護(hù)要求，設(shè)計(jì)采用系列空間適宜性技術(shù)，最大程度減少環(huán)境與建筑之間的相互影響。通過研究建筑模型以及開展風(fēng)洞試驗(yàn)，模擬南極環(huán)境，獲取數(shù)據(jù)以確定理想建筑形體和結(jié)構(gòu)。采用集中形態(tài)、獨(dú)立分艙、高密閉性和保溫性設(shè)計(jì)，以及預(yù)應(yīng)力巖石錨桿體系，確保建筑在極端氣候下的整體安全。南極秦嶺站內(nèi)部空間設(shè)計(jì)遵循人因工程學(xué)，創(chuàng)造安全、高效的人性化環(huán)境。公共空間面向冰川大海，內(nèi)部設(shè)計(jì)回應(yīng)探險(xiǎn)傳統(tǒng)，考慮空間組織、光線、氣流和聲學(xué)，展現(xiàn)人與自然的和諧。
偏遠(yuǎn)環(huán)境下的輕量化可持續(xù)建造技術(shù)。南極地理位置偏遠(yuǎn)，考察站面臨建設(shè)物資洲外遠(yuǎn)洋運(yùn)輸，現(xiàn)場大型機(jī)具載具種類受限，建筑結(jié)構(gòu)及構(gòu)造風(fēng)致疲勞及低溫變形，材料設(shè)施更新回收等現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。
南極秦嶺站采用主結(jié)構(gòu)、外圍護(hù)和內(nèi)模塊三級(jí)裝配化模式，適應(yīng)極端環(huán)境下建筑的全生命建造、運(yùn)維與更新。主體結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)全裝配方式，由近5萬套零件和高強(qiáng)螺栓組裝而成，其中主鋼柱采用整體加工工藝，高標(biāo)號(hào)耐候鋼可在-40℃至-60℃低溫條件下保持良好的結(jié)構(gòu)性能，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和現(xiàn)場精準(zhǔn)實(shí)施。辦公、科研、住宿等標(biāo)準(zhǔn)使用單元，采用工廠模塊化全裝修建造模式。外圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用復(fù)合保溫一體化金屬幕墻單元，節(jié)點(diǎn)可伸縮構(gòu)造具備適應(yīng)低溫變形能力。系列輕量化可持續(xù)的建造技術(shù)，極大提升考察站全生命周期的環(huán)境適應(yīng)能力，減輕遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)運(yùn)的壓力，有效降低環(huán)境負(fù)荷。
超低依賴的多能互補(bǔ)微網(wǎng)能源技術(shù)。作為獨(dú)立于天氣條件的能源，在南極使用傳統(tǒng)柴油能源具有高效、穩(wěn)定和持續(xù)的優(yōu)勢；同時(shí)也存在運(yùn)輸成本高、環(huán)境事故風(fēng)險(xiǎn)大、碳排放高等問題。
南極秦嶺站的能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于中國南極中山站及泰山站的新能源早期應(yīng)用試驗(yàn)，進(jìn)一步結(jié)合羅斯海區(qū)域日照、風(fēng)、雪等氣候特點(diǎn)，考慮冬夏轉(zhuǎn)換和晝夜轉(zhuǎn)換工況需求，協(xié)同建筑節(jié)能改進(jìn)、建筑氣密性提升、能源保障、可再生能源利用的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，形成可再生能源和傳統(tǒng)能源相結(jié)合、多能互補(bǔ)的微電網(wǎng)能源系統(tǒng)。包括太陽能、風(fēng)能、氫能和柴油在內(nèi)的混合動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)，采用智慧化集成能源管理系統(tǒng)，在保障站區(qū)能源安全穩(wěn)定的前提下，最大程度利用氫燃料電池、耐低溫固態(tài)電池等高效儲(chǔ)能系統(tǒng)，可再生能源使用比例預(yù)計(jì)超過60%，最大限度地減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴及空氣污染物的排放。超低依賴的多能互補(bǔ)微網(wǎng)能源技術(shù)使南極秦嶺站成為一座綠色低碳的常年考察站。
能源系統(tǒng)示意圖
極端條件下的水資源利用技術(shù)。南極儲(chǔ)藏了全球70%以上的淡水資源，由于低溫酷寒，卻成為最干旱的大陸。考察站主要的水源來自海水淡化、湖水凈化以及融冰融雪等方式，水的輸送、淡化、凈化及處理等需要消耗能源并符合嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，且運(yùn)行過程中存在低溫、強(qiáng)風(fēng)、海冰等因素影響。
南極秦嶺站的水資源利用充分考慮了地形和洋流條件，采用適應(yīng)多種工況的海水、融雪等采集和處理方式。取水口采用近岸深井方式，避免海冰侵?jǐn)_影響，實(shí)驗(yàn)用海洋原水相對(duì)獨(dú)立采集與處理，生活用淡化系統(tǒng)采用多層級(jí)過濾與反滲透工藝，存用結(jié)合，保障用水的潔凈與安全；生活污水采用膜生物處理系統(tǒng)，配以一體化膜生物反應(yīng)器降解處理，達(dá)到南極排放標(biāo)準(zhǔn)。極端條件下的水資源利用技術(shù)系統(tǒng)整合多態(tài)水資源，分類處理污廢，形成可靠環(huán)保的水循環(huán)系統(tǒng)。
水系統(tǒng)示意圖
南極考察無人化智慧化運(yùn)維技術(shù)。作為偏遠(yuǎn)環(huán)境下的考察設(shè)施，南極秦嶺站配置衛(wèi)星通信、短波通訊與導(dǎo)航等多層級(jí)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)考察活動(dòng)的中遠(yuǎn)程通信、數(shù)據(jù)管理及遠(yuǎn)程同步。
科學(xué)觀測方面，設(shè)置自動(dòng)檢測、數(shù)據(jù)采集等專用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)羅斯海環(huán)境的長期觀監(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(yù)處理分析實(shí)驗(yàn)，并逐步實(shí)現(xiàn)極地觀監(jiān)測的無人化、智慧化。站區(qū)運(yùn)行方面，采用智慧科考運(yùn)營監(jiān)控指揮系統(tǒng)，智慧消防火眼超級(jí)預(yù)警系統(tǒng)，智慧站區(qū)保障系統(tǒng)，集成能源管理系統(tǒng)，可視化監(jiān)控與無線物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等。野外考察活動(dòng)、自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)及考察站運(yùn)行數(shù)據(jù)匯集于主體建筑頂層的指揮中心，形成智慧考察站的態(tài)勢感知及快速響應(yīng)和指揮調(diào)度能力。
央企擔(dān)當(dāng) 責(zé)無旁貸
南極秦嶺站作為我國最新一代極地考察站，充分借鑒吸收了國內(nèi)外的設(shè)計(jì)與建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)造性提出融合南極環(huán)境特點(diǎn)和科學(xué)考察需求的三大前瞻設(shè)計(jì)理念，系統(tǒng)性地集成跨專業(yè)跨學(xué)科的六大創(chuàng)新技術(shù)，助力更好地認(rèn)識(shí)南極、保護(hù)南極、利用南極，為極端環(huán)境下的考察設(shè)施注入文化特色與科技力量，也為未來極地考察設(shè)施建設(shè)積累寶貴經(jīng)驗(yàn)，為中國人逐夢星辰大海貢獻(xiàn)專業(yè)力量。
俯瞰南極秦嶺站（祝賀 攝）
中國建科始終堅(jiān)持黨的領(lǐng)導(dǎo)，秉承“傳承中華文化、打造中國設(shè)計(jì)、促進(jìn)科技進(jìn)步、引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展”的企業(yè)使命，以南極秦嶺站建設(shè)為契機(jī)，積極探索不同氣候條件下的創(chuàng)新建筑技術(shù)，在擔(dān)當(dāng)實(shí)干中銳意進(jìn)取，在攻堅(jiān)克難中開拓創(chuàng)新，更好踐行建設(shè)科技領(lǐng)域“國家隊(duì)”的職責(zé)使命。
