近日，英国结构工程师学会（The institution of structural engineers，简称IStructE）公布了2026年IStructE世界结构大奖（Structural Awards 2026）的短名单，北京市建筑设计研究院股份有限公司朱忠义工作室团队参与设计的江门中微子中心探测器项目成功入选。英国结构工程师学会（IStructE）是当今世界规模与影响力最大的结构工程师学会之一。1968年该学会创办了世界结构大奖（The Structural Awards），旨在表彰世界范围内最前沿与最杰出的工程项目。

       01项目简介
       中微子是宇宙中数量最庞大的基本粒子之一，不带电荷、相互作用概率极低，是连接微观粒子物理、宏观天体演化与地球内部研究的关键纽带。粒子物理标准模型无法解释“中微子具有质量”这一实验结论，中微子研究是目前全球公认的、能够突破现有理论框架的核心前沿方向之一。江门中微子实验（JUNO）位于广东省江门市，是中国、英国、意大利、法国、德国、美国等17个国家和地区、74个研究机构的700多名科学家共同参与的国际大科学工程，用于测定中微子质量顺序等系列科学前沿研究。作为 JUNO 的核心装置，中心探测器置于地下700米的水池中，是全球最大的液体闪烁体探测器。JUNO于2015年1月开工建设，于2025年8月建成并正式运行，成为国际上首个建成的新一代超大规模、超高精度的中微子实验装置。
       当中微子穿过探测器时，有极小的概率会与液体闪烁体（简称“液闪”）中的质子发生反应，并激发出极其微弱的闪烁光，光电倍增管（PMT）将捕捉到闪烁光，放大并转化为电信号，科学家根据电信号推算出中微子的能量、方向以及种类。为实现江门中微子实验的核心目标，中心探测器需满足以下要求：
       1）超大体量：JUNO以2万吨液闪作为探测靶物质，较此前国际最大的液闪探测器——日本1千吨液闪的KamLAND实验大20倍，从而能够在可接受的时间窗口内积累足够的中微子事例统计量。
       2）超高精度：JUNO设计的能量分辨率目标为3%@1 MeV，较当前国际液闪探测器最好水平提升1倍。为实现这一目标，2万吨液闪及其承装容器须达到96%以上的高透光率；同时，分布于承装容器外侧的光电倍增管须实现76%以上的极致光学覆盖率，共计布置约4.5万支，相邻最小间隙仅为3mm。
       3）极低放射性本底：为降低本底、提高信噪比，JUNO位于地下700米花岗岩山体中，中心探测器位于水池中，用于屏蔽外界干扰；材料对放射性本底的要求极为苛刻，且2万吨液闪探测器内灰尘总量不得超过0.008克，这一指标与当前500吨量级探测器所达到的国际最好水平相当。
       对运行后 59 天的有效观测数据进行分析，江门中微子实验已完成了对两个中微子振荡参数的高精度测量，精度较此前数十年多项实验的综合结果提升了1.6倍，标志着中微子振荡研究进入精确测量新阶段。《自然》（Nature）杂志以封面文章的形式发表了这一成果，审稿人评价称该成果验证了JUNO探测器性能与分析方法的可靠性，确立了JUNO在新时代的关键地位。诺贝尔物理学奖得主阿瑟·麦克唐纳评价称，JUNO已经圆满达成全部设计指标，装置全面投入运行，正朝着测定中微子质量顺序等宏大科学目标稳步推进。

       02中心探测器结构构成
       研发团队历时两年多，对中心探测器结构的多种方案开展了多轮仿真计算与原型试验，从物理适配性、工程可靠性和经济性三个维度进行综合对比，设计了不锈钢单层网壳和有机玻璃球组成的两层嵌套型液体闪烁体探测器新构型。不锈钢网壳支承有机玻璃球，有机玻璃球作为液闪的承装容器，光电倍增管固定于不锈钢网壳内侧，探测器置于地下700m的纯水水池中。与国内外同类探测器比较，该探测器新构型以纯水替代白油作为外部屏蔽介质，以不锈钢网壳替代传统封闭式不锈钢球壳，在满足全部物理指标与结构性能要求的前提下，实现了高性价比。
       不锈钢网壳为内径40.1m的球面网壳，采用四边形正交网格，在赤道附近通过30榀格构柱支承于水池底部。不锈钢网壳和格构柱的构件均采用H形截面，并由12万套高强度不锈钢短尾环槽铆钉现场无焊接高精度拼装而成，总重约900吨。有机玻璃球内径35.4m，壁厚120mm，重约600吨，通过590根指向有机玻璃球球心的不锈钢撑杆支承于不锈钢网壳上。有机玻璃球内灌注密度为856kg/m3的2万吨液体，外部为4万吨超纯水的圆柱形水池。由于液闪密度比水小，有机玻璃球承受了约3800吨巨大的浮力。
       与传统结构相比，探测器特殊的工程材料、结构构成以及6万余吨液体灌装和3800吨浮力作用，给探测器结构强度、稳定性、抗震性能、液体灌装过程的结构安全及连接节点等带来巨大挑战。

       03设计挑战
       本项目超越了建筑工程的范畴，面临系列前所未有的挑战：
       1）脆性材料与结构安全：有机玻璃延性差、蠕变显著、设计强度低，巨型有机玻璃球在巨大浮力下的长期安全以及与不锈钢支撑系统可靠连接异常困难。
       2）特殊的结构布置与稳定问题：为满足物理探测需求，撑杆均指向有机玻璃球心，导致有机玻璃球抗扭刚度小，稳定问题突出。
        3）深地环境下的流体-结构相互作用：有机玻璃球内外灌装约6.1万吨液体，液体灌装过程的结构安全至关重要，且结构抗震分析复杂。
       4）大型不锈钢结构连接：缺乏深地、高湿环境下大型不锈钢网壳结构的施工案例，需要研发高效、高精度、无现场焊接的连接技术。

       04设计关键创新技术
       针对中心探测器严苛的性能指标要求及其结构设计面临的多项世界级挑战，项目团队经过十几年的科技攻关形成了以下核心技术：
       1 有机玻璃球的荷载效应调整
       有机玻璃球的安全直接由其应力水平控制，而应力取决于590根撑杆的内力。通过大量实验研究，确定了有机玻璃的长期/短期设计强度，并据此设定了撑杆内力控制值。
       为精准调控撑杆内力，团队提出了“荷载分布优化”与“撑杆刚度主动调节”的策略：
       荷载分布优化：优化内部液闪液位比外部纯水液位高4.5米，以调节球内外的液压差分布，有效降低了有机玻璃球下半球的压差和荷载，将部分荷载转移至受压的上半球。
       支撑刚度主动调节：针对下半球的受拉撑杆，研发了“弹性铰接连接系统”。在撑杆外端设置推力关节轴承与蝶形弹簧组，既允许节点转动，又调节了轴向刚度以降低撑杆拉力。为不同层撑杆配置不同刚度的蝶形弹簧，成功将下半球所有撑杆的拉力均匀化并严格限制在90kN以下，同时增加了上半球撑杆的压力，有机玻璃球的应力控制在安全范围内。
       2 超大有机玻璃球稳定技术
       两端铰接的撑杆方便安装，但在巨大浮力作用下，上半球撑杆受压，当受到侧向扰动时，有机玻璃球存在旋转失稳的风险。为此，设计了“刚铰接转换节点”，即在上半球撑杆端部设置推力关机轴承实现安装阶段的铰接，便于撑杆调整就位；安装完成后，通过对螺栓施加预紧力将节点锁定为刚接，提高结构的稳定性。考虑不同的安装偏差，对结构进行非线性稳定分析，稳定系数达3.45，安全性远超常规要求。
       3 撑杆与有机玻璃球的可靠连接技术
       研发了“预埋式铰接节点”，通过在球壳外侧粘接附加有机玻璃板，并将带橡胶垫的不锈钢圈环预埋其中，保证传力均匀、避免应力集中。节点抗拉与抗压承载力均超过1000kN，远超设计需求，确保了连接的可靠。
       4 不锈钢结构高效高精度连接技术
       为克服深地、高湿环境下，不锈钢焊接困难及普通不锈钢螺栓易“咬死”的难题，研发了高强度不锈钢短尾环槽铆钉，开发了抗滑移系数达0.5的不锈钢热喷涂摩擦面处理工艺。采用12万套该铆钉，实现了大型不锈钢网壳的高效、高精度、全铆钉连接，为不锈钢结构建设提供了全新解决方案。
       5 液体灌装全过程的有机玻璃球安全控制技术
       液体灌装过程中，有机玻璃球内外压力差和应力实时变化，灌装过程是结构最危险的阶段之一。提出“液闪置换灌装法”，首先向球内外灌装纯水，再从上烟囱注入液闪、从下烟囱排出纯水，实现平稳置换。置换完成时，液闪液面比纯水液面高4.5m，使得有机玻璃球在赤道处的内外压力处于平衡点，减小有机玻璃球所受内外压力差。灌装全过程中，撑杆最大拉力和压力分别为78kN和137kN，远低于短期工况下撑杆内力限值。
       6 深地环境下考虑流固耦合的抗震分析
       针对地下700米深处地震动输入和结构-流体耦合作用复杂的挑战，进行了创新的抗震分析：
       深地地震动输入确定：建立了包含936米深围岩的大规模三维模型，采用粘弹性人工边界，通过近场地震响应分析获得适用于中心探测器的地震动参数。
       流固耦合地震响应分析：基于上述地震动参数，对结构-内外液体的复杂系统进行精细的流固耦合动力时程分析，获得了结构的内力、位移等响应，为抗震设计提供直接依据。
       中心探测器是结构工程学在极端条件下的一次革命性实践，对专业发展产生深远影响：
       开创了极端服役环境下新型结构体系：全球首个超大有机玻璃球-不锈钢网壳组合结构，为未来大型科学探测器、深海探测装置、特种储罐等设施的设计提供了全新的范本。
       推动了新材料和新技术的研发与应用：催生了极低放射性不锈钢与有机玻璃的产业化，研发了高摩擦系数不锈钢热喷涂工艺与不锈钢全铆钉连接技术。这些成果已超越本项目，在核电、医疗、高端制造等领域具有广泛应用前景。
       拓展了结构分析的方法与边界：丰富了新材料结构、流固耦合分析、复杂节点等设计方法。
       树立了全生命周期绿色工程的标杆：从可循环材料选择、无污染装配工艺到可拆解设计，项目全过程贯彻了可持续理念，引领了结构工程向绿色、低碳、可循环的发展方向。