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第九届侨界贡献奖人物风采录(十五)
刘庆宽:中国的“听风者”
2023年04月10日14:38  来源:中国侨联

刘庆宽,石家庄铁道大学土木工程学院教授,日本京都大学工学博士,现任石家庄铁道大学风工程研究中心主任,河北省风工程和风能利用工程技术创新中心主任,河北省侨联侨界专家委员会副主任委员兼秘书长,河北省政协委员,河北省科协常委。并担任中国钢结构协会钢结构质量安全检测鉴定专业委员会常务理事,中国土木工程学会桥梁与结构工程分会理事,住房和城乡建设部防灾研究中心专家委员会委员。获得“有突出贡献中青年专家”“教育部新世纪优秀人才”等称号。

“呼风唤雨”做科研

刘庆宽教授2007年1月回国,筹建了国内外首座回直流可变双试验段大气边界层风洞实验室,组建了风工程研究中心,主持国家及省部级科研课题十余项,完成三百余项大跨度桥梁、超高层建筑和大跨度空间结构、风力机和工业空气动力学、北京冬奥会场馆和赛场等防风抗风专项研究,发表SCI/EI论文102篇,授权专利13项,出版专著4部,编写国家及行业规范4部,获得河北省科技进步奖一等奖2项(主持),河北省科技进步奖二等奖1项(排名第三)。

85%的全球自然灾害经济损失是由风灾及次生灾害造成的。尤其是一些标志性工程和建筑,如大跨度桥梁、超高层建筑和大跨度空间结构,简称“长高大”结构,受风影响的作用明显,经常发生广受社会关注的严重风致振动和风毁事故。

刘庆宽教授组建起风洞实验室和团队以来,已经针对国内外300多项大型工程进行了专项的抗风研究并将成果应用在工程建设中,从北方的哈尔滨大剧院到南方的三亚海棠湾大桥,从东方的上海宝钢大型船坞到新疆的克拉玛依—塔城铁路的防风雪措施,再到塞浦路斯、土耳其、印度、孟加拉、越南、马来西亚等国外的“长高大”工程,都圆满完成了抗风专项研究。同时通过优化设计,仅部分工程就节省 7 亿多元的建设成本,经济效益显著。

团队相关的研究成果被专家组评价为“达到国际领先水平”。

国际风工程学会主席、美国工程院院士Ahsan Kareem教授评价说,“刘庆宽教授的团队拥有令人印象深刻的研究设备,完成了高层建筑、大跨度桥梁、大型体育场馆及高耸烟囱等大量的工程结构风荷载研究。在进行广泛的风荷载研究方面,他们位居世界前列”。

与风共舞助冬奥

北京冬奥会张家口赛区云顶滑雪公园在冬季经常出现大风,因为运动员跳跃高度大、空中动作多,所以空中技巧和U型技巧两个场地上的比赛项目受风的影响十分明显,往届冬奥会曾发生过多次因大风延期或取消比赛、甚至运动员摔伤的事故,解决之策是要在这两个场地的边缘建设防风网。

然而,仅有一家欧洲公司能生产出符合国际雪联技术要求的防风网,报价高、生产周期长、合同付款条件苛刻,再加上欧洲疫情的影响,生产运输和安装的工期都无法保证。防风网的研发建设变成了一个“卡脖子”问题,摆在奥组委面前。

有着丰富风工程研究经验的刘庆宽教授临危受命,带领团队研发国产防风网。国际雪联对赛场防风网有着严格的要求,要确保赛道上比赛时风速不超过3.5m/s;要耐严寒、强度大、阻燃性能好、透光性好、视觉效果好,还要能快速张开和收回以便压雪车的通行等。很多功能要求在技术实现方法上互相矛盾,解决难度相当大。

刘庆宽教授带领团队成员分析气象数据、反复电脑模拟计算并进行了几百个小时的风洞试验,日以继夜攻坚克难,终于找到了满足功能要求的防风网参数。可是,不但在市场上找不到这样一款产品,而且也没有一家企业能生产出这样一款产品。

重任在肩,时间紧急,刘庆宽团队反复商谈。终于,南方的一家丝网编制生产厂家愿意配合,从调制原料到改造机器设备,历经千辛万苦,在常用单针床最多6针编制技术的基础上,改造成双针床12针的技术,成功编制出了符合要求的防风网。

产出成品只是完成工作的第一步。刘庆宽团队在极短的工期和严峻的现场安装条件下,设计铁塔、悬挂系统和张拉系统,克服种种难题,终于赶在2021年10月12日国际雪联场地的认证专家到来之前,高精度、高效率地完成了所有安装工作。经过测试发现,在防风效果方面,场地上可能出现的大风都能被挡至风速3.5m/s以下;在景观效果方面,防风网具有抗紫外线、长期服役不变色的特性,和采用特殊喷塑工艺处理的塔一样均呈雪白色,网上配着鲜艳的会徽,在场地白雪的映衬下视觉效果尤佳;在力学性能方面,每米宽度能承受超过1.2吨的拉力,能承受数十年一遇的大风,且在零下四十多度的严寒天气里力学性能依然如故;最关键的是,比赛时有些部位的防风网需要临时收回和张开,而这套防风网系统仅用6分钟就能实现,十分快捷和方便。

经过测算,刘庆宽团队仅用国外方案五分之一的造价和四分之一的工期,就完成了整个项目。国际雪联和国际奥委会的专家进行场地考察认证后,高兴地评价该防风网是“世界一流的防风网设计”,推荐为“今后雪上项目防风网设计建设的标准”。

不仅仅是针对防风网,该团队为首钢大跳台的设计建设也贡献了不可或缺的科技力量。为了减少风力对运动员起跳和空中动作完成时风的影响,主要要满足三项条件:一是根据建设场地的风场分布,科学合理地确定大跳台的位置和朝向;二是在不影响美观和转播的前提下,设计大跳台两侧的护栏防风网;三是作为永久结构,大跳台在使用年限内要抵御强风的作用不被破坏。刘庆宽教授带领团队在前期研究方案评审阶段一路过关斩将,从众多风工程团队中胜出,承担了该项目的全部防风抗风研究工作。以团队的研究成果为基础,大跳台如期建成并投入使用。

为了保障冬奥,团队成员们放弃整个春节同家人团聚的机会,腊月初八就进驻场地,制定详细的应急预案,备齐所有备品,每日天不亮就冒着零下二三十度严寒中的冷风到场地进行调试和维护,并且反复组织演练,确保发生突发情况也能在极短的时间内完成抢修,恢复防风网的功能。值得自豪的是,防风网自投入使用至冬奥会结束没有发生过任何问题,始终运行顺畅。

在比赛过程中,空中技巧场地和 U 型技巧场地附近分别监测到超过8m/s、15m/s的大风,该风速数倍于国际雪联的要求。在防风网的保护下,赛道上风速极低,比赛顺利进行,且中国队在空中技巧项目中获得男子和女子金牌、团体银牌、在U型场地获得女子金牌,在首钢大跳台获得男子和女子金牌,合计获得5金1银的历史最好成绩。

被誉为“单板之王”的三届冬奥会冠军美国选手肖恩怀特在预赛后评价说,“防风网太神奇了,保护我们不受大风的影响”。空中技巧金牌得主徐梦桃赛后高兴地说,建了防风网的这个场地是“世界上最好的场地”。

人民日报以“冬奥防风网,掌握核心科技”为题,报道了防风网的科技创新和同国外技术相比的优越性;光明日报以“与风共舞、助力冬奥:石家庄铁道大学‘黑科技’获奥委会点赞”为题,报道了研发过程;中央电视台先后6次报道了防风网的研发过程、科技含量以及国内外运动员的评价等。目前百度“云顶防风网”已经有超过两百万条报道和转载的搜索结果。

授业传道培养学生

在教书育人方面,刘庆宽长期坚持立德为先、职业技能教育和专业技能教育合一的三位一体教育模式,已培养3名博士研究生、48名硕士研究生。团队先后有9名研究生的学位论文获评“河北省优秀硕士学位论文”,有30多名学生在全国的学术会议上获奖。不少毕业生已经是高校优秀教师(含特聘教授、博导等)和企业的栋梁之材。基于培养成果和工作业绩,刘庆宽教授团队荣获“李保国式科技服务团队”、“新时代河北青年改革典型集体”等荣誉。

(责编:韩啸、黄瑾)
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