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以幕墙的名义:全球最大航站楼——北京大兴国际机场即将凤凰展翅

作者:幕墙工程网 时间:2019-08-23 15:30:31

图片来源:网络

  编者按——

  8月19日,驱车来到即将于今年国庆期间投入使用的北京大兴国际机场。为了《幕墙设计》最新一期的封面专题,在三鑫幕墙北京公司总工和航站楼中心区幕墙项目经理的引导下,和这个当前世界最大单体航站楼来了个里里外外,上上下下的亲密接触。

  在这之前,大兴机场已经吸引了全世界的目光,各国媒体,各类媒体都纷纷来访。有从用户体验、横向对比角度来抢先体验的;有从风水规划、建筑设计角度来实地考证的;有从地缘政治、区域经济角度来琢磨的;有从社会人文、历史研读角度来品味的;更有一大波为了来而来的各色人等,无论官员、企业家、社团、名人、市民百姓……他们揣着各自的心思,只为在正式通航前,来此“打卡、打卡、打卡……”——由此,大兴机场又创下了一个第一,那就是在还未投入使用前,已经成了世人的全新“网红打卡地”。

  而我们来这里的目的,重点在大兴机场航站楼的外表皮(幕墙+屋面)的设计、加工和安装,其中的看点,的确是非常之多。

  航站楼区南北长约1753 米,东西宽约1591 米,航站区总建面约143 万平方米,不愧为全球最大单体航站楼,同时还拥有世界最大的屋顶面积(18万平方米)。

  航站楼幕墙系统主要有立面无横梁幕墙系统、直立锁边金属屋面系统、C形柱顶铝结构天窗、智能遮阳天窗玻璃。

  航站楼核心区屋面则由一个中央天窗、六条条形天窗、八个气泡窗及贯穿指廊中部采光带等组成顶部主要自然采光体系。屋面采光顶的上万块玻璃组成一个“自由曲面”,每块玻璃都有唯一的“身份证”(规格尺寸均不相同),每块玻璃中空层的内部则是“智慧芯”——整齐排列的铝网根据屋面曲面变化而有不同角度,不仅可避免强烈日照,还能满足航站楼自然采光需求,实现节能环保、美观、人性化。

△ 航站楼幕墙标段示意

  航站楼幕墙工程一共分为四个大的标段,分别是:

  一、核心区——深圳市三鑫科技发展有限公司建设完成;

  二、五个指廊——珠海兴业绿色建筑科技有限公司、深圳金粤幕墙装饰工程有限公司建设完成;

  三、停车楼——建峰建设集团股份有限公司建设完成;

  四、金属屋面——北京森特士兴集团股份有限公司建设完成。

△ 三鑫幕墙公司承建的航站楼核心区幕墙工程示意

  我们此次观摩采访的主要是三鑫幕墙承建的核心区域,包括:五个立面的幕墙(西立面、西南立面、北立面、东立面、东南立面),约合54000㎡;还有三种形式的采光顶(中央采光顶、C形柱采光顶、条形采光顶),约合28000㎡。

  一、航站楼核心区立面幕墙

△ 航站楼核心区立面幕墙分区示意

△ 航站楼陆侧立面玻璃幕墙

△ 航站楼空侧立面玻璃幕墙(向内倾斜)

  航站楼核心区立面玻璃幕墙全面采用“无横梁立柱外装系统”,其特征有三:无横梁、立柱外装、竖向明框。其中陆侧立面、空侧立面与指廊段交接处(部分),最大高度41.3米;主结构:9米(柱距)×6米(梁间距),玻璃分格:2250mm(宽)×3000mm(高)。

△ 航站楼立面玻璃幕墙全面采用“无横梁立柱外装系统”

  立面幕墙重难点主要有两个方面,一是立面大板块玻璃幕墙系统的安装方式,尤其是向内倾斜立面;再一个就是由于立面存在大量倾斜面和弧形段,在该区域内要解决局部单块玻璃四点不共面的问题。

  从招标阶段开始,幕墙施工单位就组织多次的方案研讨,专门针对玻璃室内安装的工艺及措施进行会商,最终得出一致结论:如果从内侧安装玻璃板块,有三大不利因素:

  1. 安装工艺复杂,效率低;

  2. 并且受制于主体钢结构,风险大;

  3. 室内玻璃更换存在极大的困难。

  基于此,幕墙施工单位创造性地采用了立柱外装玻璃板块的方式。

△ 立面玻璃安装方式对比,左为原方案(内侧安装),右为实际施工方案(外侧安装) 

△ 立面玻璃幕墙系统节点(原方案)

△ 立面玻璃幕墙系统节点(改进后实施方案)

△ 立面玻璃幕墙系统节点经过深化改进设计后,按类似于格构构件进行设计,内外立柱通过间距300mm的M6螺栓连接,螺栓传递剪力,立柱整体抗弯。

  用“理论分析+样板验证”解决倾斜面及弧形倾斜面幕墙单块玻璃四点不共面的问题

  航站楼斜立面为双曲面,相邻的两根立柱不在同一平面内,玻璃存在四点不共面的情况。设计小组利用BIM软件编制程序对倾斜面所有存在四点不共面问题的玻璃进行分析,结果显示,2250mm×3000mm的玻璃板块,第四点距离其他三点平面的距离最大值为30mm。

△ 用BIM软件分析四点不共面的玻璃板块

  而关于弧形段倾斜面幕墙单块玻璃四点不共面的情况,为了验证平面玻璃使用外力达到30mm变形的可行性,设计小组对于玻璃板块进行实体建模有限元分析,计算结果显示,25公斤的外力即可使玻璃一点翘曲30mm,玻璃附加应力5Mpa;为了更进一步验证结构计算的准确性,项目设计小组做了1:1实体样板,试验结果与理论计算基本相符。 

△ 左:有限元分析;右:试验校核

二、航站楼核心区采光顶

△ 航站楼核心区采光顶系统分类示意

  1. 中央采光顶——约7500㎡

△ 中央采光顶(内视)

△ 施工中的中央采光顶(外视)

  航站楼核心区中央采光顶位于整个航站楼的中心点,最高点。形状为六方形,高度约48米。该区域下方室内空间就是巨幅国旗的悬挂点。

  2. 六道条形采光顶(其中5个是指廊部分采光顶)——约12000㎡

△ 从室内看指廊条形采光顶

△ 从屋顶看指廊条形采光顶

△ 指廊采光顶末端连接着五个主题庭院(这是其中之一)

  3. C形柱铝结构采光顶——约8000㎡ 

△ 美轮美奂的C形柱采光顶(实拍)

△ 在航站楼屋面上方看C形柱采光顶的“气泡”

  航站楼核心区按南北中轴线对称分布了八个C形柱,每个C形柱部分都设计了采光顶结构,形状酷似“气泡”。该部分采光顶采用了铝结构采光顶,“铝”这个材质用在采光顶结构上非常罕见(至少我们是第一次看到)。

  铝结构采光顶为单层网壳体系,该体系的特点为杆件承受轴向力。八个“气泡”中,其中大采光顶面积1300m2,长跨52.7米,短跨27.9米,矢高6.6米,结构矢高跨度比1/4.2。杆件的内力与网壳结构的稳定性取决于结构矢高跨度比,通常矢高跨度比为不小于1/5为宜,小于该比例的网壳整体稳定性也明显减弱。

△ C形柱铝结构采光顶所有构配件根据标准化设计进行CNC(自动控制)加工,加工精度高,实现了工业化、模块化制造。同时,构配件全部现场装配,简化了施工工艺,降低施工设备及场地要求。提高安装速度,可节约一半左右的施工时间。同时施工现场无噪音、粉尘、污水等污染,属典型的绿色施工 

△ 与传统钢结构螺栓球(上图左)相比,比起钢结构焊接节点、铸钢节点,铝合金板式节点(上图右)具有节点板预弯弧及铝合金材料的易加工,标准化施工更精确等特点

  C形柱铝结构采光顶一体化结构体系特征

  1. 一体化结构体系简化构造层次,减少施工环节,降低材料用量,提高施工速度;

  2. 结构与围护材料热膨胀系数一致,最大限度减小变形破坏,形成了优越的防渗漏体系,基本达到零渗漏。  

△ 左:铝板围护一体化节点;右:玻璃围护一体化节点

  采用一体化结构的优势

  1. 采用单层铝合金网壳结构,板式节点,通过HUCK环槽铆钉机械连接固定(工艺简单);

  2. 工艺方法:工业化标准制作,全装配式安装;

  3. 不需做表面处理即可达到建筑防腐要求,终生免维护(超过50年),自然色即可作为建筑杆件表面的颜色;

  4. 自重轻、绿色材料、绿色施工,绿色建筑集成。

△ 铝结构系统主要结构构件:①杆件:工字型铝结构(6082-T6),强度设计值220MP;②节点盘:10mm厚模压铝合金圆盘板(6082-T6);③紧固件:进口高强不锈钢虎克螺栓

  铝结构采光顶系统安装工序 

△ 步骤一:节点预拼接

△ 步骤二:节点紧固并卸载 

△ 步骤三:玻璃安装

△ 步骤四:附属铝型材安装

  新工艺新材料——智能遮阳天窗(铝网玻璃)

  大兴机场航站楼采光顶,大量使用了铝网玻璃(北玻生产),其基本原理是将铝网固定于玻璃中空层内,统一南北排列,据说可以遮挡直射阳光,同时将直射阳光通过漫反射后进入室内,达到令人舒适的采光效果。这个也被称为“智能遮阳天窗玻璃”,算是新材料在航站楼上的应用了。 

△ 中央采光顶上的“铝网玻璃”

  铝结构采光顶系统的胶缝设计 

△ 采光顶玻璃胶缝设计:定制条型泡沫棒,10mm厚胶深,以确保采光顶的防水性能

  铝结构采光顶系统的施工

  航站楼核心区铝结构采光顶离下方楼板28米,且下方结构复杂,因此铝结构的施工措施是施工过程中面临的最大困难。满樘脚手架、施工平台、分片吊装等方案均做了多次的研讨及论证,结合现场条件、施工难度、工期、成本等各方面的因素,施工单位最终采用在采光顶下方结构环梁上搭设施工平台的方案。其施工要点主要有搭设塔型施工平台;节点独立支撑配合测量定位;三维全站仪辅助测量、持续校正等三大方面。

  三、TPO高分子柔性防水卷材和融雪系统

  航站楼核心区屋面采光顶(采光带)沟槽部分,还铺设了超过12000㎡的TPO高分子柔性防水卷材,同时上面配备了融雪系统。

△ 采光顶沟槽部分的防水层&融雪系统构造截面示意

  1. TPO特点:抗老化、拉伸强度高,伸长率大、潮湿屋面可施工、外露无须保护层、施工和维修方便、无污染……十分适用于作为轻型节能屋面的防水层。

△ TPO高分子柔性防水卷材和融雪系统

  2. 融雪系统是由一条或者多条发热电缆以及温度探头、湿度探头、温湿度变送器、控制箱等组成的综合系统。新航站楼的发热电缆长度约40公里。 

△ 融雪系统电缆

  短短的两个多小时,我们完成了对大兴机场新航站楼核心区幕墙及屋面工程的第一次“亲密接触”,在幕墙系统之外,我们还注意到本工程的幕墙材料的国产化率达到了95%以上,甚至更高。比如,我们看到了南玻的立面玻璃、北玻的采光顶特殊玻璃、硅宝的密封胶、兴发的铝型材、国产防水卷材和融雪电缆……进口材料似乎只有电机、不锈钢虎克螺栓和胶片(夹胶玻璃用)。在航站楼屋面上,我们还看到了由北京森特士兴公司完成的橙色金属屋面,十几万平方米的直立锁边系统金属屋面也非常令人震撼,据了解其金属板和密封胶(白云牌)也均为国产。

  在此,我们要由衷地给中国品牌点赞。毕竟,今年是新中国建国70周年,新航站楼即将在国庆期间正式投入使用,这个近期规划年旅客吞吐量7200万人次、飞机起降62万架次;远期规划年旅客吞吐量1亿人次以上、飞机起降88万架次的新机场,无疑是建国70周年大庆的献礼工程。北京大兴机场,从无到有,短短的四年时间,中国品牌和中国军团又创造了一个集多项世界第一的超级工程,令人感叹!是否可以大胆假设,中国在机场及航站楼建设领域,也能像“高铁”一样,成为一张新的国家名片,从大兴机场启航,像一只金色的彩凤飞向世界!

  关于大兴机场新航站楼幕墙技术的深度专题,已经在紧锣密鼓地进行了,我们将在最新一期《幕墙设计》杂志上以封面专题的形式给大家带来详细解读。欢迎大家给我们留言,帮我们建言献策,让我们一起“以幕墙的名义,洞悉北京大兴国际机场——全球最大单体航站楼”。

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(责任编辑:唐  琦)