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经过九年施工，港珠澳大桥终于在今天正式开通了。港一桥飞跨伶仃洋，连接着中国经济最发达的地区和人口最密集的地区，大桥全长55公里，集桥、岛、隧为一体的世界最长的跨海大桥。大桥开通之前，从香港到澳门的交通需要花上三个小时，而现在只需要三十分钟。正式通车后，大桥将为为粤港澳大湾区的经济发展带来了强劲的动力。 想象一下，大桥通车之后，我们清晨在珠海风景优美的情侣路散步，中午在澳门大三巴买美味的猪扒包，下午开车经过港珠澳大桥，欣赏了优美的风帆塔、海豚塔和中国结塔，来到人工岛休息（不知道可不可以钓鱼），晚上在维港边上吃着美味的港式茶餐厅。  在过上一天悠闲生活的同时，你有没有想过港珠澳大桥是怎么建造出来的，这个世界级的超级工程经历了哪些挑战。我们向你推荐纪录片《超级工程》，纪录片的第一季第一集就介绍了港珠澳大桥的建设过程。你很容易在网络上找到这部片的资源。  同时《超级工程》是一部很值得STEM教育教师学习观看的纪录片，这部片不仅可以帮助我们了解中国正在实施的超级工程，更可以作为一部分析工程思维的学习片。我们尝试将《超级工程》作为STEM课程的一部分进行设计，帮助学生理解工程师是如何思考的。 课程目的：
准备材料： 海报纸、马克笔、《超级工程》纪录片 开展方式： 可以利用两节课的时间，全班学生观看纪录片，学生一边提出工程所面临的约束和挑战；也可以布置成课后作业，学生在记录单上完成任务和挑战的记录。该课程也可以与STEM教育课程《桥世界》结合，效果更佳。 数一数，《超级工程》中提出了港珠澳大桥建桥过程中遇到了哪些约束和挑战吧。 约束和挑战1：不超过10%的阻水率  伶仃洋是一个典型弱洋流海域，每年珠江口夹杂着大量泥沙涌向海洋，大桥的桥墩就像阻挡泥沙的篱笆一样，超过10%的阻水率，泥沙就可能被阻挡沉积，从而阻塞航道，让伶仃洋变成一个冲积平原。 约束和挑战2：伶仃洋航道通行  伶仃洋靠近香港方向有一个重要的航道伶仃洋航道，它是大型运输船只通行这片水域的唯一航道。通航等级非常高，远期考虑30万吨邮轮的通行。这意味着需要修建一座桥面高度超过80米，桥塔高度超过200米的超级大桥。 约束和挑战3：香港机场的高度限制  伶仃洋航道附近的香港机场不允许周围有超过88米的建筑物出现在航线上。 解决方法：海底隧道 为了解决约束条件1、2、3，工程师提出了一个大胆的想法，放弃在海面修建大桥的计划，改为在海底修建海底隧道。  2009年，这个方案被批准，在这片海域上将修建6.7公里长的海底隧道和22.9公里长的跨海大桥。 约束和挑战4：桥隧连接岛屿 桥梁和隧道需要用岛屿连接，但这片海域上没有任何可以用的岛屿。 解决方法：修建人工岛 约束和挑战5：淤泥海床  经过海床勘探，筑岛的海床上有15到20米的淤泥，只要把抛石或沉箱放上去就会滑出。如果将淤泥移走，将对海洋造成毁灭性的污染。 解决方法：圆钢筒围岛计划  用一组巨型圆钢筒固定在海床上，中间填土形成人工岛。 约束和挑战6：人工岛不宜过长  在约束问题1的限制下，人工岛不宜过长，这意味着无法使用成熟的盾构技术修建隧道。 解决方法：采用沉管隧道技术  在海床上挖出沟槽，将预制好的沉管沉放到海床中，形成隧道。工程师用模块化方案解决沉管制作难题。 约束和挑战7：圆钢筒制作  没有大型机器能够将圆钢筒一次制作成型。工程师将每一个圆钢筒分解成72个板单元，一个个拼接完成。但分解的越多，误差就越大，但大桥施工对圆钢筒的误差要求非常高。 解决方法：内胆 工程师制作一个能够控制圆钢筒结构的支架，在内胆的控制之下，误差终于降到可以控制的范围内。 约束和挑战8：工程时间和预算 工程师必须在一年半的时间内生产所有的沉管隧道。模板方案能够及时完成工程，但购买先进的隧道的模板设备价格远远超出工程预算。 解决方法： 中国工程师自行设计了自己的模板方案。 约束和挑战9：洋流对沉管隧道安装的影响 洋流对沉管隧道的安装有重要的影响，可能会造成沉管隧道的钢缆断裂。一旦安装过程中钢缆断裂，后果不堪设想。 解决方法：通过在大连进行的缜密科学实验，计算出科学的安装方案。 约束和挑战10：氯盐的威胁 在海洋进行工程活动，最大的影响是氯盐。它能够侵蚀到钢筋混凝土内部，对大桥寿命造成巨大的影响。 解决方法：高性能混凝土技术 经过二十年的实验，科学家找到了一种高性能混凝土技术，它抵抗氯盐的能力比普通混凝土高出数倍，保证大桥的一百二十年的使用寿命。 约束和挑战11：地震的威胁 全钢桥梁比传统混凝土桥梁轻了很多，但它必须面对严峻挑战——地震 解决方法：高阻尼橡胶材料 利用高阻尼橡胶分子之间的力消散地震的影响，找到橡胶减震方案。 约束和挑战12：国际机场的影响 港珠澳大桥横跨三个国际机场，最危险的是离口岸最近的九洲大桥，距离澳门机场仅有几公里，飞机起飞不到一分钟就飞越大桥上空。航空部门要求整个大桥的建造期间不能有任何设备的高度超过122米，而仅桥塔的设计高度就已经达到120米。 解决方法：新型吊装方案 索塔预制成型后运输到大桥上，通过底部的链接轴进行连接，再通过钢缆牵引将整座索塔从水平到90°垂直一次完成。 约束和挑战13：风和共振 伶仃洋海域是台风高发地，每年超过六级以上风速超过200天，一旦产生共振后果不堪设想。 解决方法：溢流板 通过风洞试验，工程师发现了桥梁的涡震现象。工程师为桥梁加上了溢流板之后将40公分的振幅降到了6公分。 约束和挑战14：航道影响 伶仃洋是最繁忙的海域，每天往来船只和工程船只的交叉通行将形成巨大的麻烦。 解决方法：更改航道 工程师和海事局合作，重新规划航道。这是中国最大的一次航道改变工程。 约束和挑战15：钢筒的运输问题 缸筒的运输是一个巨大的挑战，它正好挡住了工程船驾驶室的视线。 解决方法：船长通过船左右两舷的观察法，保证了船只的安全通行。 约束和挑战16：巨型钢筒的安装精度 钢筒的安装允许的误差仅仅只有2厘米，如何保证巨型钢筒的准确安装。 解决方法：GNSS数据处理中心 大桥建立了GNSS基站，通过卫星的GNSS信号，调整钢筒安装时的位置，保证安装精度。 港珠澳大桥的主题可以与STEM教育课程《桥世界》融合，成为《桥世界》“工程过程”章节的一部分，点击下方小程序学习桥世界课程的开展吧。 |
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