劉慶寬在北京2022年冬奧會正賽期間在崇禮提供技術保障，這是技術保障任務結束后，收拾現(xiàn)場用到的工具。 柴曉兵供圖
河北日報記者 周聰聰
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風，一種空氣流動所引起的、最常見的自然現(xiàn)象之一。但提起風工程、風洞試驗，相信對很多人來說，是一個非常陌生的領域。
北京2022年冬奧會上，在張家口賽區(qū)云頂滑雪公園的自由式滑雪空中技巧和U型場地技巧兩個場地旁邊，白色高大的防風網(wǎng)吸引了全世界的目光。
“名聲大噪”的防風網(wǎng)，也令它的研發(fā)者——石家莊鐵道大學風工程研究中心主任劉慶寬，站到聚光燈下。
作為一個深耕風工程領域20多年的研究者，劉慶寬是如何與“風”結緣的？他的風工程研究，又將讓我們看到哪些鮮為人知的風的奧秘呢？
【人物名片】
劉慶寬，石家莊鐵道大學風工程研究中心主任，河北省科協(xié)常委，河北省僑聯(lián)僑界專家委員會副主任委員兼秘書長。深耕風工程研究領域20多年，帶領團隊累計完成了國內(nèi)外300多項超高層建筑、大跨度結構和大跨度橋梁的抗風專項研究，獲得多項省部級科技獎勵。
因冬奧防風網(wǎng)“廣受關注”
“貴項目作為本屆冬奧會重要的科技支撐力量……表現(xiàn)出非凡的科技責任擔當……展現(xiàn)了一線科技工作者的風采！”
7月17日，石家莊鐵道大學風工程研究中心主任劉慶寬，在朋友圈分享了一份他收到的“喜悅”——兩封來自科技部的感謝信。
信中，科技部科技冬奧領導小組對“冬奧會室外雪上項目場地防風網(wǎng)關鍵技術研究”項目組，以及作為項目組帶頭人的劉慶寬表示衷心感謝。
談到“冬奧會室外雪上項目場地防風網(wǎng)關鍵技術研究”，可能大家并不熟悉，但要說到“冬奧會防風網(wǎng)”，估計已經(jīng)無人不知、無人不曉。
將賽場的風速控制在每秒3.5米以下；厚度僅有4毫米卻能承受20噸的拉力；在防風的同時，還兼有透光、抗紫外線、阻燃、耐低溫等多項特點……
北京2022年冬奧會上，在張家口賽區(qū)云頂滑雪公園的自由式滑雪空中技巧和U型場地技巧兩個場地旁邊，白色高大的防風網(wǎng)，吸引了全世界的目光。
這項技術不僅打破了國外壟斷，還得到了國際雪聯(lián)等專家的一致認可和高度評價，正式比賽階段，肖恩·懷特等多位知名運動員也對防風網(wǎng)給出了高度評價。
“名聲大噪”的防風網(wǎng)，令劉慶寬和他的風工程團隊，站到聚光燈下。
“要不是防風網(wǎng)亮相冬奧會，不會有這么多非本領域的人知道，在河北，在石家莊鐵道大學，有我們這樣一個風工程研究中心。”劉慶寬笑著說。事實上，自2009年建成以來，劉慶寬已經(jīng)帶領他的團隊累計為300多個國內(nèi)外重大工程進行了專項研究。
從某種意義上來說，冬奧防風網(wǎng)的研發(fā)，是他們的一次“厚積薄發(fā)”。
在石家莊鐵道大學風工程研究中心的一間展覽室，擺放著許多建筑模型。模型上，密密麻麻地分布著很多寫著號碼的標記。
“這叫測壓孔，風吹過來，它能感受到風的脈動壓力。”抬起模型，只見里面是一束細粉條一樣的管線，劉慶寬解釋，每根管線都對應著一個測壓孔，測壓孔將感受到的壓力通過管線傳到傳感器上，最終傳入電腦，隨后他們便可以在電腦上進行風的受力分析。“把一些試驗模型安裝在風洞中進行測壓、測力、測振等不同種類的風洞試驗，我們能夠?qū)υ囼瀸ο蟮目癸L性能進行評價，以此為依據(jù)達到優(yōu)化設計、消除安全隱患的目的。”
自2009年組建風工程研究中心，13年里，劉慶寬已經(jīng)帶領團隊累計為國內(nèi)外300多項大跨度橋梁、超高層建筑、大跨度空間結構和工業(yè)產(chǎn)品做過這樣的風洞試驗，其中不乏洛陽市奧林匹克中心、三亞河心島橋、重慶亢谷大橋、石家莊火車站等城市地標建筑。
此外，劉慶寬帶領團隊主持國家級、省部級科研項目20余項，參編國家和行業(yè)規(guī)范5部，在國內(nèi)外學術刊物上發(fā)表SCI、EI檢索論文100多篇，在國際和全國學術會議做大會特邀報告10多次。
2013年、2021年，他們兩次獲河北省科技進步一等獎。
正因此，首鋼大跳臺、新首鋼大橋、京雄高速永定河大橋……近年來，請劉慶寬和其團隊“把脈”的橋梁和建筑越來越多。
“大家覺得風不是回事，其實它一直是回事”
“全球風災及次生災害的經(jīng)濟損失占自然災害總損失的85%，旱澇、火山、地震、海嘯等所有其他加起來，總共只占15%。”
7月14日，跟劉慶寬 一見面，他便站在風洞實驗室一張風災害展板前，介紹了這樣一組數(shù)字。
“全世界風災害最嚴重的國家中，我國排第二。”緊接著，劉慶寬又說出了一個令人震驚的數(shù)字。
風，一種空氣流動所引起的自然現(xiàn)象。
我們似乎很少將風與災害聯(lián)系在一起，更不會想到，風災害竟會在我國造成如此大的經(jīng)濟損失。
“強風對土木工程的影響，主要集中于大跨度橋梁、超高層建筑、大跨度空間結構。這三種結構，在我國的數(shù)量是很多的。”
劉慶寬介紹，從跨越能力來說，懸索橋、斜拉橋、拱橋、連續(xù)梁橋是跨度最大的四種橋型，每一種橋型的跨度最大的前十名中，有一半以上都在中國。拿超高層建筑來說，世界最高的100棟超高層建筑中，5年前就已經(jīng)有半數(shù)以上在中國建成，現(xiàn)在這個比例更高。還有一種是大跨度空間結構，像機場、體育場館、文化場館等。“這些長、高、大結構受風的影響明顯，因此，需要進行大量的抗風的研究。”
事實上，最初聽到風工程這門學科時，不僅是我們非專業(yè)的人，就連劉慶寬本人曾經(jīng)也不了解。
劉慶寬今年51歲，1990年考入石家莊鐵道大學時，國內(nèi)長、高、大建筑很少，風工程研究也少，大學課程中很少提到風工程研究。最初聽到橋梁抗風研究時，劉慶寬覺得這個專業(yè)特別小眾，心想“能跑火車、跑汽車的橋梁會怕風嗎？研究這些有什么用？”
可誰也沒想到，幾年之后，劉慶寬竟也踏入了橋梁抗風研究的行列。
2002年，劉慶寬獲得公派留學日本讀博機會，進入日本京都大學攻讀博士學位，研究方向是斜拉橋斜拉索的風雨振問題。
之所以選擇橋梁抗風，劉慶寬當時咨詢了很多老師。
劉慶寬解釋，風工程研究和國家的經(jīng)濟、土木發(fā)展密切相關。
風工程研究最早出現(xiàn)在二十世紀三四十年代的美國，當時，美國修建的舊金山大橋，全長有1300多米。二十世紀四十年代，建成僅幾個月的美國塔科馬大橋因大風引起振動并垮塌，引起專業(yè)人士的重視，逐漸發(fā)展起風工程這門學科。伴隨著歐洲在二十世紀五六十年代大規(guī)模土木建設和日本在二十世紀七八九十年代大量高樓的建設、本州四國間三條本四聯(lián)絡線上許多大跨度橋梁的修建，風工程研究發(fā)展很快，應用也越來越廣。
留學日本時，中國經(jīng)濟也已經(jīng)呈現(xiàn)出迅猛的發(fā)展勢頭，這讓劉慶寬意識到，“國內(nèi)的抗風研究一定會有很大的需求和應用。”
事實證明，這個判斷沒錯。
2007年1月14日，劉慶寬學成歸國，回到石家莊鐵道大學。很多老師也好奇劉慶寬在日本學了什么，聽說是“學的風”，大家都難以置信：“風有什么好學的？”
劉慶寬回答：“風的危害很大，甚至能把火車都吹翻了，日本已經(jīng)發(fā)生過30多個強風導致列車傾覆的事故。”他的話仍引得大家紛紛搖頭。
出人意料的是，僅僅一個多月后，當年的2月28日，從新疆烏魯木齊開往阿克蘇的一列火車，真被大風吹翻了。
在學校領導的大力支持下，2007年11月，石家莊鐵道大學風洞實驗室籌建項目正式立項。
“原來大家只是覺得風不是回事，其實它一直是回事。”在劉慶寬看來，風洞實驗室的加速推進，既有學科發(fā)展的需要，也有經(jīng)濟發(fā)展需求的推動。
風工程研究中心成果展覽室的一面墻上，貼滿了劉慶寬帶領團隊做過的抗風研究的照片，共計168張。這些照片，集聚了國內(nèi)各類大跨度橋梁、超高層建筑、藝術中心等。
“在上大學時，燕春飯店在石家莊都算是很高的樓了。”在過去的20年里，劉慶寬在自己的專業(yè)領域，一路見證著中國經(jīng)濟和土木工程的飛速發(fā)展。
“項目越多，我們就把照片打印得越小，這樣我們就能貼上無數(shù)張照片。”取下一個固定照片的紐扣磁鐵，劉慶寬笑著說，之所以選擇用紐扣磁鐵固定照片，是因為以后墻上的照片只會越來越多，這樣更加方便移動照片的位置，他相信，伴隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，照片墻的地標建筑將會越來越多。
用精準數(shù)據(jù)尋求技術突破
7月14日，石家莊鐵道大學。
趁著放暑假，位于學校西南角的一處“廠房”一樣的建筑，正在緊張地進行外圍施工。推開厚重的鐵門，只見一座像管廊一樣的綠色大型科研儀器，“盤踞”在這間巨大的“廠房”內(nèi)。
這里，便是石家莊鐵道大學風洞實驗室，而這個綠色的大家伙就是風洞。
這是國際上第一個回直流可變、雙實驗段的風洞設備。
劉慶寬解釋，該風洞的兩個拐角部分可以從主體結構上挪開，將風洞由回流的結構變成直流的結構，可以做風雨風雪風沙類的試驗。兩個拐角結構移回至主體結構上，風洞就又會變成一個回流風洞。這臺設備不僅能模擬出最大風速可達80米/秒（超過32.6米/秒就是12級風）的強風，還能模擬從毛毛雨到大暴雨的各級雨強的降雨……
這別出心裁的設計，就出自劉慶寬之手。
“當時連房子、建風洞、買設備，一共是800來萬。現(xiàn)在看起來這個簡直經(jīng)濟得不得了。”劉慶寬說，當時這也是學校單筆投資較大的一個設備項目，“所以當時在設計風洞的時候，我們就想著怎么才能又省錢，又能功能多。”
同樣是為了省錢，當時為了能找到質(zhì)量又好又便宜的鋼材，劉慶寬前后共聯(lián)系了50個賣鋼材的商家——“26個商家我們?nèi)ガF(xiàn)場看了，另外24個商家我們在網(wǎng)上了解了詳情并打電話進行仔細詢問，反復比較鋼材的類型、質(zhì)量、產(chǎn)地、庫存等各類信息。”
2009年4月，石家莊鐵道大學風洞實驗室建成。但彼時劉慶寬壓力更大了，“實驗室建成了，后續(xù)的研究能不能跟上？能不能承接到有影響力的項目？”
尤其是在國內(nèi)已經(jīng)有不少985、211大學形成了業(yè)績豐富的風工程團隊的背景下，在一個沒有風工程研究基礎和積累的大學、團隊只有一名老師加幾個碩士研究生的情況下，在國內(nèi)風研究領域闖出一番名堂，難度可想而知。
2011年結束在美國德州大學和湖南大學的博士學習，和夫人一道加入風工程研究團隊的老師劉小兵，經(jīng)歷的正是研究中心起步時的艱難歲月。
“當時學生也少，從模型制作到抗風試驗，都是劉教授自己上手。”令劉小兵印象最深的是，好不容易接到一個項目后，劉慶寬在給對方拍試驗照片時，總會把整個風洞打掃得一塵不染，“生怕拍出的照片不好看。”
不過，劉慶寬帶領團隊能取得現(xiàn)在的成績，靠的不是這些表面功夫。
“做抗風實驗，就好比是給建筑拍CT，但CT拍得準不準，受到很多因素的影響。”劉慶寬解釋，從風場模擬到模型精度，從測試點的布置到傳感器的選用，從數(shù)據(jù)采集到分析處理，許多環(huán)節(jié)的細節(jié)都會直接影響數(shù)據(jù)測量和計算的準確度，處理不好，個別情況下甚至會引起數(shù)倍的偏差。
團隊做過一個東南沿海地區(qū)的電廠大跨度煤棚鋼結構的風洞試驗項目。
最初，這個項目沒有做風洞試驗，有專家建議風洞試驗后再進行工程設計。
“我們做完后，結果顯示風荷載比原來擬采用的設計值小很多，能省下來不少建設費用。”劉慶寬說，令人沒想到的是，采用風洞試驗成果進行結構設計并建成的工程竣工后不久，當?shù)鼐陀袕娕_風經(jīng)過，而且煤棚還位于風力最強的地區(qū)。當?shù)夭簧俳Y構都不同程度地被吹壞了，但這個大跨度結構卻沒有任何損壞，相當于剛剛建成就經(jīng)歷了50年一遇大風的考驗，結果令各方都很滿意，這個工程還獲得了中國鋼結構金獎。
“我們一直特別追求數(shù)據(jù)的精準性。雷諾數(shù)效應、試驗技術等方面，在國內(nèi)的風研究團隊中我們也是很有特色的。”劉慶寬說。
但風工程研究，不僅僅是“拍CT”這么簡單。既要找到病根，又要開出藥到病除的藥方，才能完整解決問題。
斜拉橋的風雨振，一直是困擾大跨度斜拉橋的一個難題。
國內(nèi)某座大橋剛建成時，當時為了減輕振動，采取的措施是在斜拉索下端安裝阻尼器，但沒想到大橋還沒通車，斜拉索的振動便把部分阻尼器都振壞了。
“這就說明只安裝阻尼器還是不對癥，根治不了問題。”劉慶寬解釋，工程上的風問題，不僅要通過研究把病根找準，還得對癥下藥。有藥就把它配準，沒藥就要研發(fā)新藥。
針對斜拉橋的風雨振問題，近年來，國際上做了很多研究，普遍認為在斜拉索上加螺旋線對防止風雨振能起到不錯的效果。
“但螺旋線纏幾根，用多粗的螺旋線，纏繞間距多少？什么樣的參數(shù)既能控制振動，同時阻尼系數(shù)又最小？”劉慶寬解釋，控制振動意味著大橋具有安全性，阻力系數(shù)小意味著大橋具有經(jīng)濟性。而阻力系數(shù)，跟大橋的結構參數(shù)、所在位置處的氣象參數(shù)等諸多方面的因素有關。帶著這些疑問，如今，他們已經(jīng)提出了一套完整的計算方法，而這些研究成果已經(jīng)成功地應用于多座大橋。
不僅是抗風研究，近兩年來，劉慶寬正逐漸將團隊的研究領域擴展到風能利用研究領域。
“風工程研究是一個實用性非常強的學科，我們的研究最根本的目標是服務于經(jīng)濟社會發(fā)展，同時，我們也希望用技術突破，為河北的經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級和國家重大設施建設貢獻科技力量。”劉慶寬表示。
（感謝石家莊鐵道大學、河北省歸國華僑聯(lián)合會對本報道的支持協(xié)助）
■編輯手記
細節(jié)背后的師風
采訪石家莊鐵道大學風工程研究中心主任劉慶寬歸來，記者談及了一個有趣的細節(jié)：
劉慶寬對學生的要求很嚴、很細，而且涉及方方面面，“細致到什么場合穿什么衣服，怎么發(fā)郵件，怎么回短信，怎么打電話，接待客人時車上的座位怎么坐，等等。”甚至，純粹“工科背景+科研崗位”的劉慶寬專門把這些待人接物的要求和指導總結出來，編寫出版了一本書——《高校在校生實用交往技能與禮儀》。
近年來，河北日報“深讀周刊”采寫了很多高校教師，他們中，有聞名全國的專家、模范，也有名不見經(jīng)傳的普通高校教師，也聽說過各種各樣類似的“河北細節(jié)”：
以嚴格著稱的“太行新愚公”、河北農(nóng)大教授李保國，對學生的指導細致到連實驗記錄用筆都有具體規(guī)定，對論文中的標點符號也要逐一規(guī)范，很多研究生、博士生都被訓哭過。可細心的他也會悄悄地把研究生拉到一邊、指導一下年輕人的感情生活；曾任河北醫(yī)學院兒科醫(yī)學系名譽系主任的任秉鈞，困難時期被石家莊人待客的一根胡蘿卜感動而調(diào)入河北，直到古稀之年還經(jīng)常給本科生盯自習盯到晚上十點；帶領三位同事承擔全校1300多名學生的制圖課、每學期個人教學任務高達950多個課時的石家莊鐵道大學教授池建斌，即使只給一個研究生上課，也要一絲不茍地手繪圖例；從醫(yī)生崗位轉(zhuǎn)上三尺講臺的河北醫(yī)科大學醫(yī)學教育史教研室主任孫軼飛，到崗后做的第一件事是購買了全套的人教版高中教材，認認真真通讀一遍，以便搞清楚學生的背景知識是怎樣的、課應該怎么講學生才愛聽……
在這些不同年代不同學科的“細節(jié)故事”中，我們看到的是很多河北高校教師共通的一種師風——對學生細致入微的關愛。
高校教師是一種需要兼顧科研與教學的特殊職業(yè)。在現(xiàn)實生活中，我們看到，大多數(shù)高校教師，傳承了桃李不言、立德樹人的師風，從不缺乏關愛學生的具體細節(jié)和路徑。同時，毋庸諱言的是，科研已經(jīng)成為很多高校教師的主流任務，“講好一門課能折算成幾篇論文”也成為很多教師的無奈與糾結。理順教學和科研的關系，解決高校教師的后顧之憂，實現(xiàn)科研與教學的雙向促進，才是對師德師風的最好鼓勵與促進。文/河北日報記者 朱艷冰