费米国家加速器实验室位于伊利诺斯州巴达维亚。是美国能源部专门从事高能粒子物理研究的国家实验室。在瑞士日内瓦的大型强子对撞机于2008年建成之前,费米实验室拥有世界上最强大的粒子加速器。

费米实验室的野兽派威尔逊大厅于1971年完工。虽然它仍然是一个完全功能的工程和实验室建筑,但费米实验室和能源部想要在未来50年里进行的合作,需要增加一个具有协作设计方法的新建筑。到2017年,费米实验室的1750名科学家、工程师和其他员工需要一些新的东西。

费米实验室的项目经理和内部结构工程师布莱恩·鲁比克说:“威尔逊大厅是主要的16层办公大楼,它是合作、会议、让人们聚集在一起、进行项目工作的主要场所。”18luck官网这是在70年代早期完成的。在接下来的几十年里,有很多开发和更新的工作场所实践来创造有效的协作和类似的东西。所以,实验室这么长时间都没有更新人们的工作空间和协作,这当然是有必要的。”


一个新的合作

2017年,帕金斯、威尔和奥雅纳赢得了一项美国能源部的设计竞赛,项目是一座价值5600万美元的新建筑,名为“综合工程研究中心”。这座两层的建筑与一楼的威尔逊大厅相连,将提供8万平方英尺的办公室、工作区和测试实验室。三个东西走向的走廊被用作创造独特工作空间的设备。为了支持每个实验室,设备追逐坐在它旁边,允许噪音,产生热量的设备附近,但也在实验室之外。

“费米实验室的科学家们……研究他们将如何进行实验,我们必须从用户那里收集这些信息,”帕金斯和威尔公司科技实践部门的副主管阿达纳·约翰斯说。“这变得非常具有投机性。“你现在干得怎么样?”在这个实验中你要怎么做呢?那么这个空间需要是什么呢?’当你看平面图时,你会发现这是一个高度模块化、灵活的工作环境。”

帕金斯和威尔团队的计划寻求最大限度的灵活性,无论未来50年科学将粒子物理学带到哪里。

“他们需要这种具有不可思议的适应性和灵活性的框架,给他们提供所有这些机会,”帕金斯和威尔公司芝加哥办公室的设计负责人汤姆•莫兹纳说。“地面层的项目实验室都被设计成高空间,并配备了高架起重机,以帮助移动重型设备来支持他们的研究。这种开放和灵活的策略是一种尝试让实验室不受未来影响的手段,因为很难预测科学将把它们带到哪里。”

地面在去年夏天破土动工,承包商摩顿森首先不得不拆除和重组现有的地下基础设施。一个马蹄形的进入驱动器和一个5英尺高的上升护堤,这是用于费米实验室用于地下粒子加速器的直径1.25英里的Tevatron束流线的辐射屏蔽,这两个都必须重新配置。

摩顿森的项目主管卡尔•克瑞特表示:“我们实际上不得不减轻梁线的覆盖层。”“在这样做的过程中,费米实验室的辐射组特别要求和设计了屏蔽。所以我们必须安装新的屏蔽层,实际上是几英寸厚的钢板。这样我们就可以安全地消除覆盖层,然后在主动式梁线上开辟一条新的车道。然后把车开过护堤。”

工业冷冻水、电力和通讯基础设施以及雨水隧道必须重新配置。费米实验室的工程师给了摩顿森一些图纸,展示了如何将钢屏蔽板的接缝错开,从而形成多层,使他们的安装类似于把拼图拼在一起。基础和钢安装工作于2020年冬季开始。

奥雅纳芝加哥办公室的电气工程师亚伦·塔巴雷斯说:“我们的西面是威尔逊大厅,而一条活动粒子加速器束流线沿着东线与我们的场地相邻。”“建筑的形式很窄很长(420英尺长,113英尺宽),这是现有设施影响的直接结果。”


灵活的基础设施

塔巴雷斯说,该建筑的分布特点之一是,它有一个脊柱,在所有的项目实验室之间运行在一层。

“这基本上就是(电力、管道和机械)高速公路,”他说。“如果费米实验室未来需要修改这些空间,他们有一条贯穿建筑中心的大动脉可以利用。”

室内跨度的规划,使大型实验室空间可以无柱。建筑的狭窄允许整个建筑的采光策略。奥雅纳与帕金斯和威尔合作,对能源模型进行了几次迭代,以确定最有效的包络线。遮阳结构和外立面组件是由Perkins和Will根据能量模型中这些特征的影响设计的。未来建筑系统的灵活性也得到了扩展。

Tabares说:“这是一个采取标准和规范的问题,考虑它们并在适当的地方应用它们,但也要使用工程判断和基于性能的设计来说明‘业主已经定义了实际功能,所以我们应该根据它们的实际用途进行设计。’”

“许多(机械策略)是基于控制的,”他表示。“设备的尺寸适用于最坏的情况,但控制方案创造了可操作的建筑智能,产生目前最节能的配置,同时提供了一个灵活的系统,可以很容易地修改,以适应未来的使用情况。”

长期博弈:费米实验室发生了什么?

在费米实验室建造IERC的同时,美国能源部的工作人员正在为长基线中微子设施/深地下中微子实验做准备。

中微子是一种具有一些科学家和物理学家无法完全理解的意想不到的特性的粒子。LBNF/DUNE正试图为他们提供一些线索。

“他们所做的就是使用费米实验室的复合加速器来加速粒子,”费米实验室的项目经理和结构工程师布莱恩·鲁比克解释道。“它们一开始是质子,我们把它们加速到一定的能量。然后我们把它们砸向一个目标,使它们产生包括中微子在内的其他粒子。”

在实验中,粒子将在费米实验室的PIP-II质子加速器中开始它们的旅程。一旦它们被创造出来,它们将穿过费米实验室的复合加速器,并向地球的南达科他州倾斜。在它们的过程中,质子会击中目标,从而产生中微子。中微子很少与物质相互作用,所以它们会继续前进,不需要隧道就能穿过地球。它们将被送往大约800英里外的南达科他州铅市的桑福德地下研究中心。这个活跃的科学实验室位于地表下约1英里处,正在扩建以容纳DUNE的设备。

鲁比克说:“我们正在建造一个大型的综合探测器,我们将在那里探测到所有这些中微子。”

全世界有1000多名科学家、工程师和几个资助机构正在研究LBNF/DUNE,该实验有三个主要目标:找出中微子是否可能是宇宙由物质构成的原因,寻找亚原子现象,以帮助实现爱因斯坦关于力统一的梦想,观察中微子从爆炸的恒星中产生,也许见证中子星或黑洞的诞生。