【论文原创精选1113】北京大兴国际机场航站楼指廊幕墙及采光顶工程解析
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作者：郭学林、杜宾宾、甘旭东
一、工程概况
北京大兴国际机场航站楼是当今世界最大单体航站楼，是国家特大重点工程,被誉为世界新七大奇迹榜首。从空中俯瞰就像是“凤凰展翅',寓意中华腾飞；从整体色调上看与其正北方的中国宫廷建筑紫禁城交相辉映；从建筑立面表现形式上，北京大兴国际机场航站楼幕墙竖向大装饰遮阳条设计与北京顺义国际机场T3航站楼幕墙横向大装饰线条设计遥相呼应。
北京大兴国际机场航站楼幕墙工程一共分为四个标段，分别是：
(一)、核心区幕墙及采光顶工程
(由三鑫公司建设完成)
(二)、东北、西北和中南指廊幕墙及采光顶工程
(由珠海兴业公司建设完成)
(三)、东南和西南两个指廊幕墙及采光顶工程
(由深圳金粤幕墙公司建设完成)
(四)、停车及综合服务楼标段
(由北京森特士兴公司建设完成)
本篇阐述的是三标段东南和西南指廊幕墙及采光顶工程设计与施工情况.本标段工程的项目内容主要包括:指廊立面玻璃幕墙、指廊末端内庭院拉索玻璃幕墙、指廊屋面采光顶、首层铝板幕墙、铝拉网装饰百叶及门窗工程。
二、指廊立面幕墙系统
指廊立面玻璃幕墙采用外装饰立柱无横梁幕墙系统(125X442系列)
1、系统构造
竖向铝合金柱外置反装,外凸玻璃外表面350mm,同时兼顾装饰和遮阳作用(见图2.1.1),室内侧铝合金通长压板通过螺栓及隔热垫块固定玻璃,水平玻璃接缝处不设置横梁,玻璃重力通过隐藏于立柱两侧槽口内倒挂的铝角码承担,玻璃板块通过左右两边立柱槽口夹持承受水平风荷载,竖向立柱按建筑平面每个轴跨4等分布置,典型玻璃单元分格尺寸为2250(宽)X3000(高),整体立面幕墙呈现竖向线条简洁流畅、视觉通透的立面效果(见图2.1.2).
立面玻璃配置情况:
二层地面以下1500mm高玻璃为:
12+12A+8+1.52SGP+8中空双银LOW-E钢化夹胶超白背漆玻璃
(遮蔽结构梁),
6.5米标高地面以上第一块玻璃为:
12+12A+8+1.52SGP+8中空双银LOW-E钢化夹胶超白安全玻璃;
其余垂直面幕墙玻璃为:
12+18A+12中空双银LOW-E钢化超白玻璃;
内倾玻璃幕墙玻璃为:
12+12A+10+1.52PVB+10中空双银LOW-E钢化夹胶超白玻璃;
指廊端弧段玻璃为:
12+12A+10+1.52PVB+10中空双银LOW-E钢化夹胶单曲弧面热弯 玻璃.
图2.1.1 幕墙系统节点
图2.1.2 外立面效果
图2.1.3幕墙横剖节点图
2、系统与主体结构的连接
幕墙立柱上端通过20mm厚“L”型钢件焊接固定在主体钢结构顶梁；中部立柱接驳通过20mm厚“T”型钢件焊接固定在中部主体钢结构梁（600X400截面箱型梁），立柱间留有12mm的伸缩缝，立柱的下端通过带椭圆长孔的20mm厚“L”型钢件与坐落于二层主体硂结构的外挑牛腿钢支座通过螺栓连接（详见图2.2.1）。通过上端固定、下端可伸缩的设计，可以吸收（或适应）立柱本身的热胀冷缩以及主体硂基台与其上钢结构之间的结构位移（详见图2.2.2）
幕墙大部分为垂直面幕墙，在航站楼的内凹部分和指廊端部分为内倾15度设计，幕墙顶部设置与消防联动的通风排烟窗，幕墙的底部设电动通风窗。
图2.2.1幕墙中部构造节点
图2.2.2幕墙底部构造节点
3、系统设计的结构验算及数据支持
a.无横梁玻璃面板
由于玻璃无横梁支撑，竖向由明框压板固定，玻璃板块最大的HXB=3000mm*2448mm所以玻璃的支撑方式为对边简支。这种连接方式需要玻璃有更好的刚度。本工程采用的是12(超白双银Low-E)+18A+12(超白)中空双银Low-E钢化玻璃，经过计算
图2.3.1 左图为玻璃应力云图、右图为玻璃的挠度云图
玻璃的强度及挠度完全满足幕墙规范要求,适用于本幕墙系统。
b.玻璃承重构件的结构验算
本系统无横梁构造，因此，玻璃重力将通过固定在立柱槽口内侧倒挂铝角码承担，由于空间较小，对铝角码的强度要求很高，选取高强度铝合金6061-T6材质。
图2.3.2 左图为托板的正视图、右图为托板的应力云图
托码的强度完全满足幕墙规范要求,适用于本幕墙系统。
c.外装饰立柱无横梁系统对热工性能良性影响
本系统设计除了兼顾装饰和遮阳作用之外，还由于立柱外置反装构造，室内铝型材只有扣盖部分，大大减小了室内铝型材的外表面面积，而对热工性能方面，铝立柱室内表面积大小与热工性能息息相关，减小室内铝型材的外表面面积相当于减小了幕墙的冷桥，减少散热量，再加上无横梁设置，只有横向胶缝处边部玻璃中空隔条分子筛位置会有少量冷桥，相比于传统横梁系统又进一步改善了幕墙的热工性能，整体对机场航站楼的节能保温起到很重要作用。
图2.3.3 立柱的温度云图
图2.3.4 横向胶缝的温度云图
4、二层以上大面幕墙参数化建模应用的亮点和难点
北京建筑设计研究院提供的幕墙基础表皮模型为RHINO（犀牛）模型，而且建筑师提供了外表皮grasshopper（犀牛参数化插件，Rhino6之后的版本变为内置插件。以下简称“GH”）的逻辑图（电池图）。为保证完全遵循建筑师的思路，我们同样利用GH来进行参数化建模。
a.玻璃幕墙面板加工：
指廊二层以上玻璃种类大致分为5类，玻璃分门别类,给每块玻璃分组、编号。接下来导出玻璃编号图与加工图，使得每块玻璃都有自己对应的加工图与编号布置图，所有的数据做到一目了然而且所有数据设计方、供货方、施工方互通。
b.玻璃幕墙型材加工与安装定位：
指廊二层以上玻璃幕墙所有立柱均有对应的编号图、布置图和加工图。对于倾斜放置的立柱我们给出了所有立柱顶底、前后四个短点的空间三维坐标，通过现场全站仪定位放线，做到了立柱安装时的准确性
图2.4.1 GH建模部分电路图
图2.4.2导出立柱编号图
图2.4.3立柱加工图
图2.4.4 立柱模型GH数据分组提取
图2.4.5立柱数据导出到表格对应加工图
图2.4.6立柱安装定位坐标点导出到表格
5、外装饰立柱无横梁大面幕墙施工安装难点及措施
因为指廊标段幕墙与中心区标段幕墙所对应的主体钢结构框架梁体系有所不同，所以指廊标段幕墙系统仍然采用立柱外置反装方案，玻璃板块从外部用汽车吊从下到上依次吊装，在室内侧用压板固定玻璃的方式与常规安装方式有所不同，详细安装流程如下：
①、按立柱编号图定距固定拉栓（用螺母一紧固定位，工厂完成），相当在立柱上定距加工螺纹孔；
②、依次调整、安装、固定立柱；
③、玻璃从室外用汽车吊偏斜进入室内，调整到正确位置，此时重力方向由立柱侧托码承担，然后用特别设计的单边半压块用自攻螺钉临时固定玻璃（每块玻璃单边各2~4件临时压块，内倾面玻璃单边用4~6件临时压块，临时压块不影响之后通长压板安装，所以不需要再次拆卸）；
④、玻璃两边内侧打胶密封；
⑤、用于外立柱等长压板（压板预先加工椭圆长孔与立柱定距拉栓位置吻合）通过预先在立柱上的定位螺栓用第二螺母固定压板，从而固定玻璃；
⑥、安装装饰小压条
图2.5.1大面立柱定位、安装
图2.5.2 大面玻璃吊装
三、指廊末端内庭院拉索幕墙系统
每个指廊末端内庭院对称长边侧面均采用了单排竖索无横索的拉索幕墙系统，与指廊外立面幕墙采用外装饰立柱无横梁幕墙系统设计风格一脉相承，从而实现了航站楼宽敞通透、节能环保、极简现代的建筑风格和视觉效果（见图3.1.1）。
每幅玻璃高度约18m，宽度约79m，上部与屋面交接，下部落座于花园层地面，两边分别于下卷的指廊采光顶及片状造型柱相连接。
1、系统构造：幕墙结构支撑体系设计成单排竖向索张拉体系，没有横向索，拉索的上端固定于屋面钢梁侧面，下端（张拉可调节端）固定在主体硂结构预埋件上，为了减小跨度，在竖向索的跨中对应有玻璃夹具高度位置，增设一处可摆动支点与主体钢结构梁相连接，不锈钢竖向拉索在承受和传递玻璃重力之外，还承受玻璃表面水平方向风荷载，竖向拉索直径为φ34mm，拉索最大跨度为18m，不锈钢竖索在每个玻璃水平分格（约2450mm）设置一根，在玻璃安装前，预张拉形成有效抗风压刚度。玻璃单元依靠不锈钢夹具在四个角边区域形成有效连接，玻璃典型分格尺寸为2450（宽）X3000（高），玻璃单元之间采用胶缝连接。在幕墙玻璃的上、下、左右周边位置，设置与与相邻结构固定的“U”型钢槽，形成边部玻璃收口固定槽口。
图3.1.1 内庭院单索系统外观效果
2、本幕墙系统的亮点和难点
单排单向竖索（不设横向拉索）与菱形不锈钢夹具构成的2450X3000网格体系安装固定大板块中空玻璃，是本系统的亮点和难点（见图3.2.1）。
图3.2.1 单索幕墙系统构造三维节点
为保证航站楼安全使用的万无一失，
防止玻璃单元在极限条件下因索的整体晃动导致的滑脱，又特别在每块玻璃的上部左、右角点粘贴两个球冠状的不锈钢限位防脱件，进一步消除单向索网幕墙玻璃滑脱掉落风险。
图3.2.2 单索幕墙系统构造三维效果图
图3.2.3 单索幕墙系统节点图
归纳总结防脱措施主要有如下几点：
①、选取合适的竖索直径，平衡挠度变形与上、下支座的反力关系，增加中部支点，有效控制竖索挠度及玻璃位移。进而保证索网体系的最佳状态及平面稳定性；
②、单元玻璃横、竖向胶缝均设计使用弹性模量大的结构胶（中间泡沫棒）；
③、玻璃四角边与菱形不锈钢夹具槽口部位均施打结构胶；
④、每块玻璃的两个上角点，均粘贴隐藏式的球冠状防脱块，并限定在特别设计的夹具内腔里。
3、系统设计的结构验算及数据支持
a.点式玻璃面板验算
点式玻璃采用15（超白双銀Low-e）+12A+15（超白）中空双銀Low-E钢化玻璃，由索夹固定，玻璃板块最大的HXB=3000mm*2460mm。四点支撑的固定方式，经过计算
图3.3.1 左图为玻璃应力云图、右图为玻璃的挠度云图
玻璃的强度及挠度完全满足幕墙规范要求,适用于本幕墙系统。
b.幕墙索系验算
图3.3.2 左图为边界条件、右图为拉索的挠度云图
因工程特殊性，减小拉索因风荷载产生的挠度，幕墙采用D34拉索，拉索的预紧力可以达到150KN，挠度可以满足9311mm/45=207mm，计算的极限挠度只有138mm，符合高标准的要求。本工程拉索的最不利荷载拉力可以达到250KN，因挠度限值要求，拉索选用D34其破断力可高达860KN，取2的安全系数，也可达到430KN的破断力，远高于工程需求。
c.防脱落不锈钢球冠计算
由于本工程的特殊性，采用的单索幕墙系统，无侧向稳定索，为防止玻璃脱落，设计中采用了防落梁不锈钢球冠与玻璃夹之间限位，满足了这一要求。
图3.3.3 幕墙防脱球冠限位计算
不锈钢球冠与玻璃之间采用特制环氧树脂结构胶粘结，经过实际检验，胶的粘结性可以达到28MPA以上，取安全系数3的状态下，依然可以满足玻璃的限位需求。
图3.3.4玻璃大面铺装效果
图3.3.5幕墙拉索底支点做法
四、指廊采光顶系统
指廊采光顶包括从中心区延伸过来的条形采光顶及指廊末端内廷前后面下卷采光顶。
图4.1.1 条形采光顶及下卷采光顶
1、采光顶典型构造节点：
采光顶主龙骨采用钢龙骨（300X200X8方通钢），次龙骨为铝合金型材系统（110X200系列）。为了保证安装精确度，二次龙骨系统均设计为可调整系统。条形采光顶玻璃的配置为12+16A+8+2.28SGP+8，中空层内置4mm厚遮阳铝拉网；下卷采光顶玻璃配置为12+16A+12中空双银LOW-E钢化超白玻璃。
图4.1.2采光顶部位标准节点
图4.1.3 支撑点布置图及球面节点
2、设计施工要点及难点分析：
①、屋面条形采光顶的流线和渐开线造型设计，造成了屋面条形采光顶玻璃板块尺寸是凌乱无序的，既不是矩形也不是梯形，是变化细微的任意四边形，这给设计、加工、安装带来困惑及成本的增加。因此在不影响外观效果和装配要求的前提下，对所有规格的玻璃板块进行了优化、规整设计，最大限度降低成本，提高加工效率。
②、内置遮阳铝拉网的加工及玻璃组装是本系统的难点。表现为玻璃规格的多样性及拉网铝板拉伸的方向不变的矛盾。经过铝拉网专供厂方及玻璃加工厂的协同攻关，最终攻克了这道难题，实现了采光顶既节能遮阳而又自然采光、室内舒适的既定效果。
图4.2.1 采光顶玻璃中空层设置铝拉网效果
3、系统设计结构验算及数据支持
采光顶主梁计算
图4.3.1 采光顶计算部位索引
采光顶主体结构均为大型网架钢结构，对采光顶的支座有特殊需求，必须与主体钢结构球角点连接，不能与杆件链接。由于每一个采光顶单元，均有三个独立部分，本工程采用三片采光顶联立的模式，通过连接保证采光顶的主梁稳定性。
图4.3.1 左图为计算边界条件右图为受力计算云图
经过计算软件模拟受力形式，通过铰接联立的形式，构件完全可以满足设计需求。
五、指廊首层站坪铝板幕墙、檐口吊顶及门窗工程
首层站坪外围护工程主要包括铝单板幕墙、铝板檐口吊顶、铝拉网装饰百叶及铝合金门窗工程。
铝板幕墙及吊顶铝板主龙骨采用120X60X4热镀锌钢方管。立柱上端固定于结构板底，下端活动套接在地坪层结构埋件之上的固定套座上。横梁采用50X50X4热镀锌钢方管，一端与立柱焊接，另一端活套在固定转接件上，实现了一端固定，另一端满足伸缩变形的柔性连接构造要求。
铝板面材采用了3mm厚表面氟碳喷涂铝单板、铝板幕墙典型分格尺寸为2430X1000(宽X高)横置。铝板背面有实体墙加80mm厚岩棉保温层。
结合站坪层建筑功能需要，除铝板幕墙外，在对应空调室外机的立面上还设置大量铝拉网幕墙（兼做通风百叶窗）以及铝合金门窗等。
菱形孔铝拉网百叶幕墙的龙骨系统与铝板幕墙一致，只是将标准规格的铝板单元换成带边框的铝拉网百叶单元，一方面保证空调室外机的优良通风要求，取代了传统片状百叶的造型，丰富了幕墙外观立面效果。
图5.1.1 首层菱形孔铝拉网百叶
图5.1.3首层铝板幕墙及吊顶
总 结
北京大兴国际机场航站楼五个指廊从核心区延伸出来，呈放射状分布在东北、西北、东南、西南及中南轴线方向。其中东南、西南及中南指廊形状大小相同，西北、东北指廊平面形状略有不同，但幕墙系统相同。本文主要对三标段的东南和西南指廊的大面外装饰立柱无横梁的幕墙系统、指廊末端的内庭院对称侧面竖向单索无横索玻璃幕墙系统、指廊屋面采光顶系统及指廊首层站坪铝板及铝拉网百叶幕墙的设计、结构验算及施工情况作了重点解析。作为本项目设计和施工过程的重点和亮点，BIM技术的应用主要表现在：通过对幕墙整个系统工程进行参数化建模，无论是幕墙设计阶段与建筑设计表皮模型的对接，还是在设计施工过程中与参建各方的界面衔接和协同配合，以及幕墙施工安装过程的测量、放线、定位数据提取、以及幕墙材料加工的参数化下料等各环节，都发挥了特殊的重要作用，是BIM技术在工程设计施工中的又一成功应用范例。
总之，本设计与施工项目，无论是在对新系统细节构造设计，还是在新技术、新材料、新工艺的应用和创新方面，都有诸多亮点，受上期杂志对全球最大航站楼核心区幕墙工程的封面报道的触动和引领，觉得有必要继续揭开这个旷世工程的指廊幕墙部分的设计施工面目，遂撰此文，以飨读者。
（文章版权归作者所有）
本文刊发在《幕墙设计》杂志2019年第六期