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經(jīng)過(guò)九年施工,，港珠澳大橋終于在今天正式開(kāi)通了,。港一橋飛跨伶仃洋，連接著中國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)和人口最密集的地區(qū),，大橋全長(zhǎng)55公里,，集橋、島,、隧為一體的世界最長(zhǎng)的跨海大橋,。大橋開(kāi)通之前，從香港到澳門的交通需要花上三個(gè)小時(shí),，而現(xiàn)在只需要三十分鐘,。正式通車后，大橋?qū)?/span>為粵港澳大灣區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了強(qiáng)勁的動(dòng)力,。 想象一下,，大橋通車之后，我們清晨在珠海風(fēng)景優(yōu)美的情侶路散步,，中午在澳門大三巴買美味的豬扒包,，下午開(kāi)車經(jīng)過(guò)港珠澳大橋，欣賞了優(yōu)美的風(fēng)帆塔,、海豚塔和中國(guó)結(jié)塔,，來(lái)到人工島休息（不知道可不可以釣魚(yú)），晚上在維港邊上吃著美味的港式茶餐廳,。  在過(guò)上一天悠閑生活的同時(shí),，你有沒(méi)有想過(guò)港珠澳大橋是怎么建造出來(lái)的，這個(gè)世界級(jí)的超級(jí)工程經(jīng)歷了哪些挑戰(zhàn),。我們向你推薦紀(jì)錄片《超級(jí)工程》,，紀(jì)錄片的第一季第一集就介紹了港珠澳大橋的建設(shè)過(guò)程。你很容易在網(wǎng)絡(luò)上找到這部片的資源,。  同時(shí)《超級(jí)工程》是一部很值得STEM教育教師學(xué)習(xí)觀看的紀(jì)錄片,，這部片不僅可以幫助我們了解中國(guó)正在實(shí)施的超級(jí)工程，更可以作為一部分析工程思維的學(xué)習(xí)片,。我們嘗試將《超級(jí)工程》作為STEM課程的一部分進(jìn)行設(shè)計(jì),，幫助學(xué)生理解工程師是如何思考的。 課程目的：
準(zhǔn)備材料： 海報(bào)紙,、馬克筆、《超級(jí)工程》紀(jì)錄片 開(kāi)展方式： 可以利用兩節(jié)課的時(shí)間,，全班學(xué)生觀看紀(jì)錄片,，學(xué)生一邊提出工程所面臨的約束和挑戰(zhàn)；也可以布置成課后作業(yè),，學(xué)生在記錄單上完成任務(wù)和挑戰(zhàn)的記錄,。該課程也可以與STEM教育課程《橋世界》結(jié)合，效果更佳,。 數(shù)一數(shù),，《超級(jí)工程》中提出了港珠澳大橋建橋過(guò)程中遇到了哪些約束和挑戰(zhàn)吧。 約束和挑戰(zhàn)1：不超過(guò)10%的阻水率  伶仃洋是一個(gè)典型弱洋流海域,，每年珠江口夾雜著大量泥沙涌向海洋，大橋的橋墩就像阻擋泥沙的籬笆一樣,，超過(guò)10%的阻水率,，泥沙就可能被阻擋沉積，從而阻塞航道,，讓伶仃洋變成一個(gè)沖積平原,。 約束和挑戰(zhàn)2：伶仃洋航道通行  伶仃洋靠近香港方向有一個(gè)重要的航道伶仃洋航道，它是大型運(yùn)輸船只通行這片水域的唯一航道,。通航等級(jí)非常高,，遠(yuǎn)期考慮30萬(wàn)噸郵輪的通行。這意味著需要修建一座橋面高度超過(guò)80米,，橋塔高度超過(guò)200米的超級(jí)大橋,。 約束和挑戰(zhàn)3：香港機(jī)場(chǎng)的高度限制  伶仃洋航道附近的香港機(jī)場(chǎng)不允許周圍有超過(guò)88米的建筑物出現(xiàn)在航線上。 解決方法：海底隧道 為了解決約束條件1,、2,、3，工程師提出了一個(gè)大膽的想法,，放棄在海面修建大橋的計(jì)劃,，改為在海底修建海底隧道。  2009年,，這個(gè)方案被批準(zhǔn),，在這片海域上將修建6.7公里長(zhǎng)的海底隧道和22.9公里長(zhǎng)的跨海大橋,。 約束和挑戰(zhàn)4：橋隧連接島嶼 橋梁和隧道需要用島嶼連接，但這片海域上沒(méi)有任何可以用的島嶼,。 解決方法：修建人工島 約束和挑戰(zhàn)5：淤泥海床  經(jīng)過(guò)海床勘探,，筑島的海床上有15到20米的淤泥，只要把拋石或沉箱放上去就會(huì)滑出,。如果將淤泥移走,，將對(duì)海洋造成毀滅性的污染。 解決方法：圓鋼筒圍島計(jì)劃  用一組巨型圓鋼筒固定在海床上,，中間填土形成人工島,。 約束和挑戰(zhàn)6：人工島不宜過(guò)長(zhǎng)  在約束問(wèn)題1的限制下，人工島不宜過(guò)長(zhǎng),，這意味著無(wú)法使用成熟的盾構(gòu)技術(shù)修建隧道,。 解決方法：采用沉管隧道技術(shù)  在海床上挖出溝槽，將預(yù)制好的沉管沉放到海床中,，形成隧道,。工程師用模塊化方案解決沉管制作難題。 約束和挑戰(zhàn)7：圓鋼筒制作  沒(méi)有大型機(jī)器能夠?qū)A鋼筒一次制作成型,。工程師將每一個(gè)圓鋼筒分解成72個(gè)板單元,，一個(gè)個(gè)拼接完成。但分解的越多,，誤差就越大,，但大橋施工對(duì)圓鋼筒的誤差要求非常高。 解決方法：內(nèi)膽 工程師制作一個(gè)能夠控制圓鋼筒結(jié)構(gòu)的支架,，在內(nèi)膽的控制之下,，誤差終于降到可以控制的范圍內(nèi)。 約束和挑戰(zhàn)8：工程時(shí)間和預(yù)算 工程師必須在一年半的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)所有的沉管隧道,。模板方案能夠及時(shí)完成工程,，但購(gòu)買先進(jìn)的隧道的模板設(shè)備價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出工程預(yù)算。 解決方法： 中國(guó)工程師自行設(shè)計(jì)了自己的模板方案,。 約束和挑戰(zhàn)9：洋流對(duì)沉管隧道安裝的影響 洋流對(duì)沉管隧道的安裝有重要的影響,，可能會(huì)造成沉管隧道的鋼纜斷裂。一旦安裝過(guò)程中鋼纜斷裂,，后果不堪設(shè)想,。 解決方法：通過(guò)在大連進(jìn)行的縝密科學(xué)實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出科學(xué)的安裝方案,。 約束和挑戰(zhàn)10：氯鹽的威脅 在海洋進(jìn)行工程活動(dòng),，最大的影響是氯鹽。它能夠侵蝕到鋼筋混凝土內(nèi)部，對(duì)大橋壽命造成巨大的影響,。 解決方法：高性能混凝土技術(shù) 經(jīng)過(guò)二十年的實(shí)驗(yàn),，科學(xué)家找到了一種高性能混凝土技術(shù)，它抵抗氯鹽的能力比普通混凝土高出數(shù)倍,，保證大橋的一百二十年的使用壽命,。 約束和挑戰(zhàn)11：地震的威脅 全鋼橋梁比傳統(tǒng)混凝土橋梁輕了很多，但它必須面對(duì)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)——地震 解決方法：高阻尼橡膠材料 利用高阻尼橡膠分子之間的力消散地震的影響,，找到橡膠減震方案,。 約束和挑戰(zhàn)12：國(guó)際機(jī)場(chǎng)的影響 港珠澳大橋橫跨三個(gè)國(guó)際機(jī)場(chǎng)，最危險(xiǎn)的是離口岸最近的九洲大橋,，距離澳門機(jī)場(chǎng)僅有幾公里,，飛機(jī)起飛不到一分鐘就飛越大橋上空。航空部門要求整個(gè)大橋的建造期間不能有任何設(shè)備的高度超過(guò)122米,，而僅橋塔的設(shè)計(jì)高度就已經(jīng)達(dá)到120米,。 解決方法：新型吊裝方案 索塔預(yù)制成型后運(yùn)輸?shù)酱髽蛏希ㄟ^(guò)底部的鏈接軸進(jìn)行連接,，再通過(guò)鋼纜牽引將整座索塔從水平到90°垂直一次完成,。 約束和挑戰(zhàn)13：風(fēng)和共振 伶仃洋海域是臺(tái)風(fēng)高發(fā)地，每年超過(guò)六級(jí)以上風(fēng)速超過(guò)200天,，一旦產(chǎn)生共振后果不堪設(shè)想,。 解決方法：溢流板 通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)，工程師發(fā)現(xiàn)了橋梁的渦震現(xiàn)象,。工程師為橋梁加上了溢流板之后將40公分的振幅降到了6公分,。 約束和挑戰(zhàn)14：航道影響 伶仃洋是最繁忙的海域，每天往來(lái)船只和工程船只的交叉通行將形成巨大的麻煩,。 解決方法：更改航道 工程師和海事局合作，重新規(guī)劃航道,。這是中國(guó)最大的一次航道改變工程,。 約束和挑戰(zhàn)15：鋼筒的運(yùn)輸問(wèn)題 缸筒的運(yùn)輸是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，它正好擋住了工程船駕駛室的視線,。 解決方法：船長(zhǎng)通過(guò)船左右兩舷的觀察法,，保證了船只的安全通行。 約束和挑戰(zhàn)16：巨型鋼筒的安裝精度 鋼筒的安裝允許的誤差僅僅只有2厘米,，如何保證巨型鋼筒的準(zhǔn)確安裝,。 解決方法：GNSS數(shù)據(jù)處理中心 大橋建立了GNSS基站，通過(guò)衛(wèi)星的GNSS信號(hào),，調(diào)整鋼筒安裝時(shí)的位置,，保證安裝精度。 港珠澳大橋的主題可以與STEM教育課程《橋世界》融合,，成為《橋世界》“工程過(guò)程”章節(jié)的一部分,，點(diǎn)擊下方小程序?qū)W習(xí)橋世界課程的開(kāi)展吧,。 |
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