綜合極端條件實驗裝置工藝施工與管理研究

謝曉峰，孫奕韜，柯 磊

“工程科學(xué)與工程創(chuàng)新”?？?/p>

綜合極端條件實驗裝置工藝施工與管理研究

謝曉峰，孫奕韜，柯 磊

（中國科學(xué)院 物理研究所，北京 100190）

綜合極端條件實驗裝置是國家“十二五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施之一，屬于大科學(xué)工程裝置范疇，項目建成之后將成為國際上首個集極低溫、超高壓、強磁場和超快光場等極端條件為一體的綜合極端條件用戶實驗裝置。因綜合極端條件實驗裝置須實現(xiàn)科研指標(biāo)的“極端性”，其基建配套也須具備更高的精密性，比如設(shè)立無磁區(qū)域、多方案減振、設(shè)備獨立接地電阻小于1歐姆、數(shù)千平米的超凈室等。對裝置建設(shè)過程中工藝施工環(huán)節(jié)的工程管理創(chuàng)新性方法進(jìn)行了經(jīng)驗總結(jié)，并對相關(guān)施工技術(shù)進(jìn)行了闡述和分析。

大科學(xué)裝置；施工管理；無磁區(qū)域；減振；獨立接地；超凈室

引言

近年來，小科學(xué)走向大裝置成為科學(xué)發(fā)展的新趨勢，公共的大科學(xué)裝置是各個科學(xué)領(lǐng)域突破的“國之重器”，在凝聚態(tài)物理科學(xué)領(lǐng)域，依托工程科學(xué)知識和方法創(chuàng)造極端實驗條件以實現(xiàn)原始創(chuàng)新，已成為科學(xué)研究發(fā)展的一種重要范式，取得了許多具有深遠(yuǎn)影響的科學(xué)突破，其中不少成果獲得了諾貝爾獎，也有大量創(chuàng)新性的研究成果得到重要的實際應(yīng)用。許多著名的研究機構(gòu)，如美國佛羅里達(dá)強磁場實驗、德國馬普量子光學(xué)研究所及核物理研究所、法國格勒諾布爾的尼爾研究所和歐洲強磁場中心、日本東京大學(xué)固體所極端條件實驗室等都擁有先進(jìn)的極端條件實驗工程設(shè)施。因此，極端條件實驗工程的整體水平直接影響著一個國家在相關(guān)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，以及與國民經(jīng)濟、國防工業(yè)息息相關(guān)的核心領(lǐng)域的競爭力[1-7]。

《國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長期規(guī)劃（2012-2030年）》的總體部署中明確指出：“建設(shè)極低溫、超快、超高壓極端條件研究設(shè)施，形成與大型同步輻射光源結(jié)合的格局，滿足研究和發(fā)現(xiàn)新物態(tài)、新現(xiàn)象、新規(guī)律和創(chuàng)造新材料的需求”。綜合極端條件實驗裝置（以下簡稱“裝置”）與北京高能同步輻射光源將作為北京綜合性國家科學(xué)中心的核心大科學(xué)工程裝置，相鄰而建，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，功效互增，為廣大用戶提供前所未有的聯(lián)合實驗手段。

目前，裝置項目的土建施工已經(jīng)完成，正在進(jìn)行科研設(shè)備的安裝調(diào)試工作。裝置項目作為國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，相比于常規(guī)的科研樓宇或研究平臺項目，具有更大的工藝施工難度，需要將代表世界頂尖水平的科研要求與基建相結(jié)合，在工程中需將滿足科研需求的特殊工藝落地。如何保證裝置施工工藝落地的質(zhì)量是大裝置建設(shè)單位非常關(guān)注的課題，其中科學(xué)原理、工程科學(xué)知識、工程技術(shù)和項目管理要融合貫通，始終貫徹“科學(xué)至上、技術(shù)先行、管理出質(zhì)量”的理念。因此，在裝置項目土建竣工驗收之際，我們作為現(xiàn)場主要管理人員對工程實施過程進(jìn)行總結(jié)和歸納，對遇到的一系列工程問題，從科學(xué)依據(jù)、設(shè)計原則、技術(shù)解決方案、管理體系四個方面進(jìn)行詳細(xì)分析研究，以期為其他類似的工程項目提供實踐參考。

1 裝置建設(shè)的科學(xué)依據(jù)

裝置項目由十八個主體實驗系統(tǒng)有機組成，每個實驗系統(tǒng)都各自在空間尺度、時間尺度及能量尺度上對測量精度有極高的指標(biāo)要求。例如掃描量子隧道電鏡（STM）和透射電子電鏡（TEM）都要求能達(dá)到納米或亞納米的空間分辨率，以期在原子的尺度上觀測物質(zhì)材料的物理性質(zhì)。也就是說，要能分辨萬分之一頭發(fā)絲直徑的空間尺度。為了達(dá)到這樣高分辨率的技術(shù)指標(biāo)，除了對測量儀器設(shè)備本身設(shè)計的極高要求外，還要求外界對測量的直接振動干擾至少要小于這一尺度的十分之一或百分之一。

同時，裝置中的大多數(shù)測量儀器設(shè)備，對能量的測量分辨率都要求達(dá)到毫電子伏甚至微電子伏的測量精度指標(biāo)。對這種極度微弱的信號進(jìn)行測量，外界環(huán)境必須“干凈和安靜”。任何環(huán)境擾動，包括溫度和壓力的微小變化、振動、電磁波等，都會以能量的形式干擾高精度的測量而使實驗研究無法進(jìn)行。再者，微觀電子態(tài)的很多形態(tài)表現(xiàn)不但信號微弱，往往還隱藏很深，無法在常規(guī)條件下對其進(jìn)行實驗觀測。只有在極端條件下，才有可能使其略顯端倪。但創(chuàng)造這些極端條件，同樣需要極端“干凈和安靜”的外界環(huán)境。因此，在本次規(guī)劃建設(shè)的綜合極端條件實驗裝置中，每一套儀器設(shè)備都綜合了極端條件，這也就要求各自所處的環(huán)境必須“干凈和安靜”。

2 裝置園區(qū)規(guī)劃設(shè)計原則

本項目規(guī)劃設(shè)計參照發(fā)達(dá)國家極端實驗條件相關(guān)實驗裝置建設(shè)的成功經(jīng)驗，以與當(dāng)前世界綜合極端條件裝置發(fā)展水平相適應(yīng)為目標(biāo)，并滿足現(xiàn)代科學(xué)研究對科研環(huán)境的總體需求（振動、電磁干擾、溫度、濕度、潔凈度等）。建筑充分體現(xiàn)了科研工程的特點，包括樓座之間的距離、樓座與市政道路的距離等做出了合理設(shè)計，并著重考慮了裝置對外界環(huán)境，尤其是精密測量對環(huán)境的特殊需求。其中電磁干擾和振動是影響精密測量的最重要的兩個方面。

（1）電、磁干擾問題：大多實驗系統(tǒng)中都涉及微弱信號檢測技術(shù)，這些測量設(shè)備需要“極干凈”的實驗空間，如極低的電磁輻射、極低的電源噪聲、極低的剩余磁場等。實驗環(huán)境的振動干擾和電磁干擾主要來源于周邊街道來往車輛造成的地面和空氣振動及燃油車輛發(fā)動機中火花塞放電打火產(chǎn)生的電磁波。尤其是放電打火產(chǎn)生的電磁波非常強，傳播距離極遠(yuǎn)。為了保證工藝需求，園區(qū)在規(guī)劃時的原則是不同的主體實驗系統(tǒng)需按區(qū)域安置在不同的實驗樓內(nèi)，樓與樓之間需保持必要的物理距離，所有實驗樓都需盡量遠(yuǎn)離外界干擾源。

（2）振動問題：裝置的實驗系統(tǒng)大多對減振提出了極高的要求，十八個主體實驗系統(tǒng)中有十一個甚至還需要獨立的設(shè)備基礎(chǔ)。因此，圖紙設(shè)計時將主要實驗系統(tǒng)安裝在實驗樓的一層，以獲得最大面積的具有獨立地基的實驗空間。

為了實驗安全性考慮，裝置項目中的低溫、真空、高壓設(shè)備必須進(jìn)行安全防爆設(shè)計，并對使用人員進(jìn)行系統(tǒng)培訓(xùn)取得相關(guān)資質(zhì)后方可操作設(shè)備。亞毫開實驗室等對磁場要求較高的系統(tǒng)空間內(nèi)部設(shè)置磁屏蔽墻構(gòu)造。

圖1 園區(qū)規(guī)劃效果圖

3 裝置特殊工藝施工內(nèi)容（工程技術(shù)方案）

裝置項目需要實現(xiàn)的工藝指標(biāo)包括：單項指標(biāo)實現(xiàn)1 mK的極低溫、300 GPa的超高壓、26 T（超導(dǎo)磁體）的強磁場和100 as的超快光場，綜合指標(biāo)實現(xiàn)10000 T/K的B/T值（磁場/溫度）、2800 T?GPa/K的B?P/T值（磁場?壓力/溫度）和60000GPa?K的P?T值（壓力?溫度）等。另外，項目還需提供多種在綜合極端條件下開展材料制備、物性表征、量子調(diào)控和超快動力學(xué)研究的研究手段，實現(xiàn)總體設(shè)計方案和綜合技術(shù)指標(biāo)達(dá)到世界一流水平的綜合極端條件用戶實驗裝置。

本項目屬于國家大科學(xué)工程，其工藝對土建工程標(biāo)準(zhǔn)也遠(yuǎn)高于普通科研樓和研究平臺項目。其中，基本建設(shè)過程中最關(guān)鍵的工藝施工內(nèi)容主要有以下幾個方面：抗電、磁干擾、獨立接地（電阻小于1Ω）、設(shè)備及建筑物的減振、工藝管線的氣密性，以及其他特殊工藝等。下文將對整個工程項目工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行經(jīng)驗總結(jié)，并對相關(guān)施工技術(shù)進(jìn)行闡述和分析。

3.1 抗電、磁干擾

3.1.1 配電站和分界室

整個園區(qū)內(nèi)最大的電磁干擾源和可能的工頻振動源就是配電站和分界室，因其強電系統(tǒng)的特性以及安全性的考慮，這兩部分被安置在遠(yuǎn)離各主體實驗樓，其中分界室到總配電室的外電源路由也是被精心選擇過的，盡量遠(yuǎn)離幾個科研樓，減少對關(guān)鍵樓棟的電磁干擾。

3.1.2 磁體的無磁環(huán)境

強磁場的實驗條件，需要一個無磁的環(huán)境，否則將會對磁體本身或者實驗室人員產(chǎn)生損害。以本項目需要實現(xiàn)的26T（超導(dǎo)磁體）的強磁場為例，如果在實驗時一定范圍內(nèi)存在磁性物質(zhì)，不僅可能造成磁體失超，導(dǎo)致實驗失效，嚴(yán)重的還會損壞磁體，導(dǎo)致磁體爆炸，甚至出現(xiàn)安全事故。為了避免這種情況的出現(xiàn)，磁體本身帶有泄爆裝置，4個閥門專門用于釋放壓力，防止磁體爆炸。在實際施工中我們發(fā)現(xiàn)了含磁性雜質(zhì)的土質(zhì)，在與相關(guān)專家溝通后，采用了金屬探測器和強磁鐵結(jié)合的方式，配備相關(guān)人力資源，最終獲得良好效果，為各子系統(tǒng)磁場產(chǎn)生設(shè)備提供了合適的實驗環(huán)境，探索出無磁環(huán)境施工的技術(shù)和方法。

無磁設(shè)備通常被安放在地面以下，每個設(shè)備的存放環(huán)境就是地表以下的基礎(chǔ)坑，又因有無磁要求，所以簡稱“無磁地坑”，無磁標(biāo)準(zhǔn)以天然磁體吸不到為準(zhǔn)。施工前，每個無磁地坑需先確定無磁范圍，從地坑坑底，以設(shè)備磁體底端的中心為圓心，向外畫圓（半徑的長度根據(jù)磁場強度計算而來），此圓形區(qū)域向上做投影，投影高度至室內(nèi)地平，整個圓柱體內(nèi)不得存有鐵磁性物質(zhì)。具體施工和無磁檢測過程如下：1）探測工具準(zhǔn)備：TS130地下金屬探測器2個，燒結(jié)釹鐵硼D30í300mm強磁鐵2個；2）基坑底部及邊坡進(jìn)行磁性探測，將磁性物質(zhì)移出坑外，需要注意的是部分鵝卵石也有很強的磁性；3）回填土：每30公分回填土探測、篩選一次，然后夯實，直至到達(dá)磁體設(shè)備基礎(chǔ)底座標(biāo)高；4）磁體設(shè)備基礎(chǔ)施工每一道工序都要進(jìn)行探測篩除，包括施工材料，如混凝土、灰砂磚和加氣塊等，只有探測合格后，才能進(jìn)行下一道工序，實踐經(jīng)驗表明灰砂磚和水泥砂漿結(jié)合可能會產(chǎn)生磁場，最好使用加氣塊來做基礎(chǔ)內(nèi)壁，此外在設(shè)備基礎(chǔ)施工階段需采用無磁性的材料，如玄武巖鋼筋或竹筋等；5）設(shè)備基礎(chǔ)完工后，外圍回填及地面施工，無磁檢測要求同步驟3；6）地面施工包括地面墊層澆筑、自流平或貼PVC地面時，也不能用鋼筋網(wǎng)片，為防止開裂，采用加厚混凝土墊層的方式；7）全部施工完成后，對磁體周圍進(jìn)行全區(qū)域探測復(fù)核。

3.1.3 獨立接地

在前沿科學(xué)研究中，科研設(shè)備的運行狀況直接影響到實驗的產(chǎn)出，而接地電阻這一因素，影響到很多科研設(shè)備（尤其是高精度科研儀器）的使用效果。在本項目中，對接地電阻要求小于1Ω的設(shè)備多達(dá)十余臺套。獨立接地的阻值能否滿足實驗要求，直接關(guān)系到項目關(guān)鍵指標(biāo)的實現(xiàn)。

圖2 無磁地坑平面圖

圖3 無磁地坑剖面圖

獨立地線要求接地電阻盡量低，但在本案例中，地勘報告顯示，近3到5年本項目所在區(qū)域地下水位埋深為地下30m，且自然土質(zhì)為級配砂石結(jié)構(gòu)，常規(guī)方案很難滿足1Ω以下的電阻要求。經(jīng)過科研人員與工程技術(shù)人員的多次研究探討，形成地線方案如下：將導(dǎo)體埋入地下，與地下水充分接觸，并采用多根并聯(lián)的方式減小接地電阻。施工時根據(jù)鉆孔過程的研判，地表20~30厘米內(nèi)為普通浮土，浮土層下至20~25米深處為大顆粒鵝卵石的級配砂石構(gòu)造，25~28米為細(xì)沙，28~35米為小顆粒級配砂石構(gòu)造，尺寸不詳，35米以下為含水量很高的膠泥構(gòu)造，此部分為接地最理想的區(qū)間。

施工過程中，由于地表以下的鵝卵石較大，且密度高，采用普通的鉆頭（直徑為8厘米）很難前進(jìn)，打碎的小石塊會坍塌并沉積在鉆桿和洞壁之間，最終導(dǎo)致鉆桿與碎石阻力過大而被卡死，且對鉆頭和鉆桿造成巨大磨損，即使更換較大口徑的合金鋼鉆頭，問題仍無法解決。為克服這個困難，項目定制了專用鉆孔設(shè)備和輔助材料，鉆頭采用直徑133毫米的弧形合金鋼鉆頭，鉆桿內(nèi)部為中空狀，用于存儲打洞過程中產(chǎn)生的碎砂石，這種鉆頭與鉆桿的組合既可持續(xù)打洞，又可以正常取出鉆頭和鉆桿，保證了工藝實施。另一個關(guān)鍵是填埋工藝，為了盡可能增大導(dǎo)體接觸面積，降低阻值，回填材料采用特制粗砂，粗砂內(nèi)混有銅絲、銅屑和鹽粒等。為了確保電阻達(dá)標(biāo)，每個設(shè)備獨立接地需用三根銅管地線并聯(lián)。采用如上方案，最終實測接地電阻都小于0.9Ω。

3.2 設(shè)備及建筑物的減振

高精度科研儀器在測量過程中，通常對振動非常敏感。以超快光場的研究為例，由于激光器對隔振的要求非常之高，雖然激光器本身帶有減振設(shè)施，但土建施工隔振效果的好壞，將直接影響到激光器光路的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響到整個實驗效果。

3.2.1 建筑物遠(yuǎn)離振源

項目的總體布局在規(guī)劃時就已經(jīng)對嚴(yán)苛的科學(xué)需求進(jìn)行了深入的探討和嚴(yán)格的論證，包括樓座之間的距離、樓座與市政道路的距離等做出了科學(xué)的設(shè)計，從而減少外界環(huán)境對建筑物的振動。本項目選址位于北京市懷柔區(qū)雁棲經(jīng)濟開發(fā)區(qū)東北地塊，此區(qū)域地形較為平坦，現(xiàn)狀地面多為耕地，周圍少有車輛經(jīng)過。根據(jù)地勘報告的勘探結(jié)果顯示，擬建場地未發(fā)現(xiàn)影響場地整體穩(wěn)定性的不良地質(zhì)作用。減振需求高的樓座的地基基底位于分布連續(xù)且較穩(wěn)定的卵石②3層，屬于均勻地基，降低了建筑物本身出現(xiàn)不均勻沉降的風(fēng)險。其次，樓座位置遠(yuǎn)離街道及市政道路區(qū)域，并在其周邊留有一定的隔離地帶，以此來隔斷地表傳來的機械振動。

圖4 隔振要求高的樓座放在園區(qū)中間

3.2.2 建筑物四周設(shè)立隔振溝

以STM（掃描量子隧道電鏡）樓為例，其隔振要求最高，需在建筑物四周建隔振溝，距離建筑物墻體12至17m，深度為1.5m，寬度0.3m，內(nèi)部用粗砂填滿；回填粗砂時，甲方應(yīng)全程旁站，確保回填材料滿足設(shè)計要求。

3.2.3 設(shè)備基礎(chǔ)四周設(shè)立環(huán)圈縫

以STM樓為例，磁體設(shè)備基坑地表四周做環(huán)圈縫，寬度5cm、深度5cm，縫內(nèi)用玻璃膠填滿，從而阻斷設(shè)備附近的機械振動。除此之外，科研儀器本身帶有減振設(shè)備，水泥地坑之上安放的減振平臺可以在2Hz隔振20dB，科研儀器將懸掛在減振平臺下方、無磁地坑內(nèi)部半空中，且科研設(shè)備內(nèi)部設(shè)置有多級減振設(shè)施確保實驗過程不被振動干擾。

圖5 樓座四周敷設(shè)隔振溝

圖6 建筑物四周隔振溝做法

圖7 無磁地坑環(huán)圈縫隔振施工做法

3.2.4 設(shè)立防振獨立地基

以超級電鏡系統(tǒng)為例，根據(jù)水平和垂直方向的振動特殊要求，在首層大廳處設(shè)立12mí10mí 1.6m的鋼筋混凝土獨立地基，并在地基周圍設(shè)立環(huán)圈縫。

圖8 激光器防振獨立地基

另外，每一個無磁地坑本身就是一個具有減振作用的獨立設(shè)備基礎(chǔ)，利用自身的高重量，降低振動頻率，從而達(dá)到減振的作用。

3.2.5 利用不同回填材料減振

透射電子電鏡（TEM）設(shè)備基礎(chǔ)大小5mí 5mí1.2m,并分層回填C20混凝土、C25混凝土。

圖9 TEM工藝設(shè)備基礎(chǔ)

為滿足科研要求，以減振要求最高的STM樓為例，具體減振措施概括為7項：1）建筑物遠(yuǎn)離振源；2）地基基礎(chǔ)落在卵石②3層；3）建筑物四周設(shè)置隔振溝；4）設(shè)置獨立設(shè)備基礎(chǔ)即無磁地坑；5）設(shè)備基礎(chǔ)周圍設(shè)置環(huán)圈縫；6）設(shè)置減振平臺；7）科研儀器內(nèi)部多級減振。

3.3 工藝管線的氣密性

工藝管線的鋪設(shè)為各類科研設(shè)備的使用提供了巨大的便利，能有效降低科研成本，提高科研產(chǎn)出效率。極低溫的實驗離不開氦氣的供應(yīng)，氦氣是國家的戰(zhàn)略資源，目前僅能從美國、英國、俄羅斯等少數(shù)幾個國家進(jìn)口，且價格昂貴，工藝管線的氣密性能否有所保證將直接影響氦氣的回收利用率和成本支出。

裝置項目的工藝管線主要有5種，冷卻循環(huán)水管線分別為供水管和回水管，壓縮空氣管線，廢氣排放管線，氦氣回收管線。施工前，結(jié)合普通管線對工藝管線進(jìn)行綜合排布，做出BIM圖，圖中應(yīng)能體現(xiàn)出管線位置排布（應(yīng)避開門、窗）、管線的檢修空間是否充足、公共區(qū)域內(nèi)的工藝管線是否便于維修、管線標(biāo)識是否正確（冷卻循環(huán)水供、回水方向，氦氣與廢氣標(biāo)識要準(zhǔn)確）、室外氦氣管線的跨度要合理，跨距不能太大以防管道塌陷、室內(nèi)工藝管線甩口位置及朝向在滿足科研需求的前提下盡量保證美觀、閥門的位置是否便于操作等。施工過程中，應(yīng)重點把控管道內(nèi)壁的清洗及保持、管道連接方式（注意伸縮縫處連接）、焊口焊接方式、管線防腐、保溫及固定等。施工進(jìn)入收尾階段時，要確保所有氦氣管道絲堵做好。所有工藝管線的焊口應(yīng)由甲方全部驗收，裝置項目的焊口有3萬多個，甲方對這些焊口進(jìn)行了逐一查驗直到全部合格為止。區(qū)別于普通氣體的打壓檢漏，氦氣非常輕，特別容易泄露，檢測過程中就要明確泄露點。具體檢測方法如下：冷卻循環(huán)水管道內(nèi)充0.8MPa的壓縮空氣，氣體管道內(nèi)充0.4MPa的壓縮空氣，保持壓力24小時后均采用洗滌靈和水的混合液噴在焊口、閥門和絲扣部位，無氣泡產(chǎn)生即為合格。另外，為確保冷卻循環(huán)水管道不漏水，最后應(yīng)對整個冷卻循環(huán)水系統(tǒng)做打壓注水試驗，管道壓力為0.8MPa，管道內(nèi)注滿自來水，以管道無滴水、漏水現(xiàn)象為合格。

3.4 屏蔽室和超凈室

對于內(nèi)部設(shè)有屏蔽室的房間，為了提高隔音效果滿足降噪條件，四周墻面施工材料均采用灰砂磚，并采用隔音門和隔音窗。對于屏蔽室，為了電磁安全防護(hù)，采用焊接式結(jié)構(gòu)，0.3mm（局部 0.5mm）紫銅板作射頻屏蔽層，焊接采用氬弧焊或銅焊，1mm高導(dǎo)磁率鋼板作磁屏蔽層，龍骨架支撐采用鋁合金，并與墻體間作絕緣處理，手動鎖緊屏蔽門。電源濾波器、信號轉(zhuǎn)接板、空氣供應(yīng)及通風(fēng)系統(tǒng)的屏蔽接口均需處理。對于超凈室，需在恒溫、恒濕和潔凈度等指標(biāo)上滿足工藝標(biāo)準(zhǔn)，裝置項目根據(jù)科研需求設(shè)有三種級別的超凈室：萬級潔凈室、千級潔凈室和百級潔凈室，共有近5000平。超凈室施工前對土建的技術(shù)要求并不復(fù)雜，但要確保施工時嚴(yán)格按圖施工，保證相關(guān)工藝施工準(zhǔn)確到位，例如與超凈室連接的預(yù)留管線接口位置要準(zhǔn)確，預(yù)留給超凈室施工的空間要充足，配電箱電容、電量供應(yīng)充足等。

3.5 其他特殊工藝

科研設(shè)備運輸通道：各樓座外門及內(nèi)門的凈高度應(yīng)滿足設(shè)備進(jìn)場要求，門扇和門框應(yīng)能自由開啟和關(guān)閉，以確保設(shè)備能夠順利進(jìn)場。園區(qū)內(nèi)的室外道路在設(shè)計時要保證能夠承載設(shè)備運輸時的最大重量，室外進(jìn)貨門前的平臺應(yīng)連接坡道，且坡道要平整，選擇恰當(dāng)坡道材質(zhì)，磚縫間隙足夠小以避免運輸過程中對科研設(shè)備產(chǎn)生影響，以利重型設(shè)備運輸。

吊車：吊車的預(yù)埋件在主體結(jié)構(gòu)施工時位置須安放準(zhǔn)確、軌道與其他管線無碰撞，施工期應(yīng)根據(jù)BIM圖進(jìn)行核實。

室外液氦罐基礎(chǔ)：此基礎(chǔ)用于承載高壓氦氣儲氣裝置，重量為25噸，屬于重型科研設(shè)備。安裝時設(shè)備四個底腳的螺栓孔與設(shè)備基礎(chǔ)上方的螺栓要精確對接，而且需要2臺重型吊車協(xié)同吊裝，因此在對液氦罐基礎(chǔ)進(jìn)行施工時，基礎(chǔ)上方的螺栓位置需保證與氦氣儲氣裝置的地角螺栓孔的圓心吻合。

隔音門：隔音標(biāo)準(zhǔn)最高達(dá)到40db，最低35db，且開啟狀態(tài)時無門檻。

通風(fēng)櫥：連接通風(fēng)櫥的材質(zhì)應(yīng)采用抗酸、抗堿性材料。

防輻射墻面：四周墻面采用厚粉煤灰磚墻。

爐子間排風(fēng)：實驗室配置了若干爐子用于樣品燒制，因此每個爐子間墻面及出屋面需留有通風(fēng)洞口，出屋面通風(fēng)設(shè)備基礎(chǔ)需數(shù)量足夠且做好預(yù)留，保證各爐子間排風(fēng)能夠連成系統(tǒng)和未來增容需求。

4 裝置特殊工藝管理體系

在裝置項目中，為保證各項工藝指標(biāo)的實現(xiàn)，土建工程也必須相應(yīng)提高標(biāo)準(zhǔn)滿足工藝需求。在工程的過程管理中，如何將特殊的工藝需求落實、落地，是工程建設(shè)的關(guān)鍵。

4.1 甲方現(xiàn)場工藝對接管理方法

4.1.1 事前管理——充分組織協(xié)調(diào)，架起科研與基建的對接橋梁

工藝施工前，應(yīng)要求施工方充分審圖并做技術(shù)交底，重點對接與工藝相關(guān)的內(nèi)容。例如：通風(fēng)櫥和爐子間排風(fēng)的工藝指標(biāo)，施工方在對各專業(yè)圖紙審圖后提出問題，甲方現(xiàn)場人員組織科研人員來現(xiàn)場與施工方當(dāng)面溝通，確認(rèn)圖紙的準(zhǔn)確性。科研人員親自查看現(xiàn)場，有利于確保當(dāng)前施工內(nèi)容無誤并確認(rèn)是否具備下一步的施工條件；甲方現(xiàn)場人員應(yīng)充分利用郵件、微信等信息化工具，建立工作群，使甲方現(xiàn)場人員、相關(guān)科研人員、設(shè)計院、總包及監(jiān)理及時了解最新工作動態(tài)，并及時更新發(fā)布相關(guān)施工動態(tài)及影像資料等；甲方現(xiàn)場人員應(yīng)及時告知相關(guān)科研人員工程進(jìn)展，每一道工序經(jīng)科研人員確認(rèn)后，可進(jìn)行下一道工序施工，并做好與科研人員現(xiàn)場對接的各項工作準(zhǔn)備，充分發(fā)揮好科研和基建的對接橋梁作用。

4.1.2 事中管理——建立健全反饋機制，保證各方溝通渠道順暢

甲方現(xiàn)場設(shè)置專職人員進(jìn)行工藝對接，發(fā)現(xiàn)問題及時與科研人員、設(shè)計院、總包管理人員溝通，對現(xiàn)場無法解決的問題，及時上報基建辦，若問題仍無法解決，由基建辦上報基建領(lǐng)導(dǎo)小組，最終由基建領(lǐng)導(dǎo)小組做出判定。此流程中要保證溝通時效性，確保紙質(zhì)版設(shè)計變更、變更洽商及簽證等及時出具，下發(fā)到各參建方，并保存發(fā)放及接受記錄。甲方應(yīng)設(shè)置專人進(jìn)行對接，關(guān)注文件審批進(jìn)度及領(lǐng)導(dǎo)簽字等環(huán)節(jié)，建立收發(fā)文本，各級領(lǐng)導(dǎo)及簽收人員簽字時日期要填寫完整、清晰、準(zhǔn)確。施工過程中“樣板先行”制度應(yīng)落在實處，甲方人員應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)管，在樣板合格后方可進(jìn)行下一步施工。質(zhì)量驗收做好“三檢制”，總包自檢、監(jiān)理復(fù)檢、甲方終檢；在檢查過程中應(yīng)留存清單記錄，以便后續(xù)查驗。

圖10 工藝施工現(xiàn)場反饋機制圖

4.1.3 事后管理——明確責(zé)任歸屬，以案例完善工藝施工方案

對于專業(yè)工藝施工環(huán)節(jié)，要求施工單位選擇專業(yè)分包進(jìn)行施工，比如工藝管線施工，沒有經(jīng)驗的施工單位施工，會走很多彎路并增加施工成本。

各階段工藝施工完成后，甲方現(xiàn)場人員應(yīng)請相關(guān)科研人員現(xiàn)場最終復(fù)驗，確保工藝施工萬無一失。對于施工過程中出現(xiàn)的管理問題，要明確責(zé)任歸屬，實行有效的獎懲制度。甲方現(xiàn)場人員應(yīng)勤做記錄，不斷總結(jié)并完善工藝施工管理方案，為有效推進(jìn)裝置建設(shè)積累工程管理經(jīng)驗。

4.2 甲方現(xiàn)場科研工藝全過程管理建議

4.2.1 圖紙設(shè)計環(huán)節(jié)需科研人員全過程參與

甲方應(yīng)設(shè)專人組織圖紙對接工作，在設(shè)計階段起到與設(shè)計院和科研人員的橋梁作用。設(shè)計單位應(yīng)設(shè)專人負(fù)責(zé)工藝審圖并組織各專業(yè)對圖紙進(jìn)行綜合會審，保證科研需求在施工圖中充分體現(xiàn)。最終由負(fù)責(zé)實驗系統(tǒng)設(shè)計的科研人員進(jìn)行確認(rèn)、簽字。

4.2.2 工藝現(xiàn)場需及時對接，形成有效“糾錯”管理機制

在現(xiàn)場管理過程中，有效的“糾錯”機制能夠減少產(chǎn)生問題以及形成大問題，包括：1）組織并對接施工單位在施工前進(jìn)行圖紙交底，鼓勵其提出問題；2）施工前組織科研人員對如何施工進(jìn)行現(xiàn)場指導(dǎo)；3）結(jié)合圖紙及科研人員的要求，施工單位需先做施工樣板，經(jīng)科研人員確認(rèn)后再大面積施工；4）形成良好的溝通機制，以利于科研人員及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，對于關(guān)鍵施工工藝，為確保施工質(zhì)量，科研人員進(jìn)行旁站監(jiān)督；5）對于科研人員現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的問題，甲方現(xiàn)場人員應(yīng)做到“三及時”：及時與設(shè)計院和科研人員溝通，及時找到解決方案，重大問題及時向基建領(lǐng)導(dǎo)小組匯報；6）甲方對施工方傳達(dá)指令時，應(yīng)以文字形式傳達(dá)（微信、郵件、工作聯(lián)系單、會議紀(jì)要等）；7）工藝部分的隱蔽驗收，邀請科研人員參與，并做好對接服務(wù)。

4.2.3 所有工藝施工內(nèi)容應(yīng)納入總包合同范圍

為了保證施工的安全、進(jìn)度和質(zhì)量，所有工藝施工內(nèi)容，包括吊車、地線和設(shè)備基礎(chǔ)施工等，都應(yīng)納入到總分包管理體系，并委托監(jiān)理單位對這些廠家的施工進(jìn)場材料、實驗室檢測及過程施工等進(jìn)行監(jiān)管。甲方現(xiàn)場人員要做好現(xiàn)場的組織和協(xié)調(diào)工作，以利于各方順利協(xié)作。

5 結(jié)語

在大科學(xué)工程裝置建設(shè)過程中，安全、質(zhì)量、進(jìn)度、投資控制四個方面都是緊密聯(lián)系、互相制約的，基建的成功實施是最終裝置科研指標(biāo)實現(xiàn)的基礎(chǔ)，所以在過程管理中，每一個問題的科學(xué)理念、工程技術(shù)解決和管理落地都是需要反復(fù)斟酌的。如何在有限的資金范圍內(nèi)保證工程施工目標(biāo)的實現(xiàn)，也是項目重點考慮的內(nèi)容。

裝置項目土建中工藝部分的實施和管理是一個系統(tǒng)工程，由于工藝要求指標(biāo)非常高，屬于非常規(guī)基建內(nèi)容，這些重難點領(lǐng)域的技術(shù)解決方案，包括獨立接地、減振、抗電磁干擾、工藝管線等方面，很多都是原創(chuàng)性的，其中集合了各個子系統(tǒng)科學(xué)家、工程師、設(shè)計單位和現(xiàn)場管理人員的經(jīng)驗和智慧，中間也有反復(fù)提煉的過程。

本文主要針對該大科學(xué)工程裝置建設(shè)過程中遇到的工藝難題進(jìn)行了系統(tǒng)性的梳理，展現(xiàn)了裝置項目的工藝實施過程，對重難點領(lǐng)域提供了土建實施的解決方案和管理措施，以期為類似工藝需求的施工項目提供實踐參考。

致謝

感謝裝置項目總工程師潘庶亨老師、總工藝師景秀年老師、物性表征系統(tǒng)王瀑老師、梁學(xué)錦老師、關(guān)童老師等對工程技術(shù)部分內(nèi)容的幫助，感謝物理所所有參建科研人員對裝置工程建設(shè)的支持和幫助。

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Construction and Management of the Synergetic Extreme Condition User Facility

Xie Xiaofeng, Sun Yitao, Ke Lei

(Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

The Synergetic Extreme Condition User Facility (SECUF) is one of the major scientific projects of China’s 12th National Five-Year Plan, and SECUF belongs to the category of large scientific infrastructure. After completion, the project will be the first comprehensive extreme condition user experimental facility in the world to integrate extreme conditions, including ultralow temperatures, ultrahigh pressure, strong magnetic field, and ultrafast time resolution. The infrastructure construction of SECUF should provide a solid foundation with precision higher than that of normal buildings to achieve the “extreme” experimental environments. Such environments include setting up nonmagnetic areas, multischeme vibration attenuations, grounding resistance of less than 1Ω for some devices, and thousands of square meters of an ultraclean chamber. This paper summarizes the effective management methods applied during the SECUF construction period and analyzes the relevant construction techniques.

large scientific infrastructure; construction management; nonmagnetic area; vibration attenuation; independent grounding; ultraclean chamber

2020–04–09;

2020–05–15

謝曉峰（1988–），男，碩士，職員，研究方向為大科學(xué)裝置管理。E-mail：xfxie@iphy.ac.cn

孫奕韜（1990–），男，博士，職員，研究方向為大科學(xué)裝置管理。E-mail：sunyitao@iphy.ac.cn

TU712+.2

A

1674-4969(2020)05-0499-10

10.3724/SP.J.1224.2020.00499