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淺析:北京大興機場航站樓曲面采光頂表皮技術

來源:2020年會論文集  作者:花定興 蘇禮澤  日期:2020-11-23
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  摘要:本文針對北京大興機場航站樓采光頂曲面復雜造型特點進行了形體分析,闡述了采光頂與主體結構連接問題,主次鋼龍骨、鋁合金網殼結構、三角形玻璃以及收邊鋁板的設計下單問題。
   關鍵詞:  曲面采光頂、單層鋁合金網殼、BIN技術、形體分析

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  摘要:本文針對北京大興機場航站樓采光頂曲面復雜造型特點進行了形體分析,闡述了采光頂與主體結構連接問題,主次鋼龍骨鋁合金網殼結構、三角形玻璃以及收邊鋁板的設計下單問題。

  關鍵詞: 曲面采光頂、單層(詞條“鋁”由行業大百科提供)合金網殼、BIN技術、形體分析

  1、工程概況

  北京大興機場航站樓采光頂主要由中央區鋼結構(詞條“鋼結構”由行業大百科提供)采光頂和八個橢圓氣泡鋁結構采光頂以及指廊帶型采光頂所組成(見圖一)。其中中央區以及八個橢圓形為曲面采光頂。

  北京大興機場航站樓支撐采光頂的主體鋼網架結構(詞條“網架結構”由行業大百科提供)曲面造型變化復雜,相比于常規的采光頂,設計與施工都面臨前所未有的挑戰,由于鋼結構網架的特殊構造,采光頂結構與網架結構連接的必須考慮全面和準確無誤,為了提高施工質量,采光頂結構的設計與加工應該兼具安全和方便施工安裝的特點,玻璃等脆性材料的下單必須高效、準確、無誤。為了項目的進度、質量、成本目標,設計應該全面細致的服務好加工、采購、施工管理工作,保證項目的順利完工。

  2、中央區鋼結構采光頂系統分析

  鋼結構采光頂主龍骨(詞條“主龍骨”由行業大百科提供)為300X200鋼方管,次龍骨為80X60鋼方管,鋁合金橫梁扣座通過自攻釘固定在次龍骨上(見圖二),主龍骨和次龍骨都連接形成三角形網格骨架(見圖三)。

  1)、碰撞檢查分析

  北京新機場的主體屋頂鋼結構為復雜空間網架體系(見圖四),并且整體外形為變化起伏的空間曲面,在這樣的體系上設計采光頂,必定會存在一些技術難題需要解決,且考慮到鋼結構施工誤差和溫度作用,如果設計時考慮不深入全面,勢必會在后期的表皮施工中埋下重大隱患,所以在前期設計階段,就應該結合復雜主體鋼結構的特點,采取必要的技術手段。

  由于采光頂的面積達幾萬平米,主龍骨組框類型多,采光頂有形狀各異的小采光頂單元組成,這些小采光頂單元就像巨龍身上的鱗片一樣,貼合在此起披伏的空間網架體系上(見圖五),設計師首先要考慮的第一個問題就是,按照原招標(詞條“招標”由行業大百科提供)圖紙,必須檢查采光頂主龍骨與空間網架存在碰撞的可能。

  為了解決這個問題,設計師建立了所有采光頂主龍骨的模型,通過BIM軟件將采光頂主龍骨與主體鋼結構網架做碰撞檢查分析(見圖六),找出所有的碰撞點,通過與設計院的溝通,排除了95%的碰撞隱患。

  在排除了碰撞問題后,采光頂主龍骨與空間網架的連接方式,也是本工程設計的關鍵之處。采光頂主龍骨屬于附屬結構,而空間網架的荷載只能作用在網架節點(詞條“節點”由行業大百科提供)上,所以設計院要求幕墻單位提供所需要的連接點的數量和位置,以便在鋼結構上設計檁托,方便采光頂后續的施工(見圖七)。

  采光頂的連接位置達2500多個,(見圖八、圖九)如此多的連接位的設計將是一個難題,為了解決這個難題,設計師采用了參數化的設計方法,采用一定的算法,最終完成了連接位的全部設計。

  2)、主次鋼龍骨設計及生產

  通過前期主鋼龍骨與主體鋼結構復雜空間網架的碰撞分析后發現,由于部分空間網架的節點球比較大,所以主鋼龍骨與空間網架節點球的碰撞不可避免。為了解決這個問題,必須確定每一根主鋼龍骨與主體鋼結構節點球的碰撞量和碰撞方式,對每一根主鋼龍骨做避位設計處理(見圖十),保證主鋼龍骨在現場安裝時不會因為與節點球的碰撞而無法安裝,提前排除了現場安裝隱患,提高了安裝的效率,保證施工進度不受影響

  采光頂次龍骨由于分格形式和連接方式的多樣形,采用了鋼鋁結合系統,為了提高施工效率和施工質量,保證后續玻璃安裝工序的順利進行,設計深度不再只是停留在施工圖的階段,而是進一步的對次龍骨施工進行細致深入的研究和探討,由于次龍骨多根桿件交匯連接在一起,桿件相互之間的對接關系必須在建模階段逐個推算清楚,如果這種工作放在施工現場讓施工隊自行考慮,即存在材料切割錯誤、切割精度低等風險,施工的質量和效率也會大打折扣,不利于項目三大目標的控制。為了達到想要的目標,設計師采用裝配式建筑思維,運用BIM軟件對上萬支次龍骨進行了參數化建模,并依據模型繪制加工圖,現場每一根龍骨都先按照加工圖加工好,然后再逐個拼裝(見圖十一)。

  3、鋁結構采光頂系統分析

  北京大興機場航站樓采光頂包含了8個特殊的鋁結構采光頂,每個采光頂外觀呈氣泡狀,建設者們簡稱它們為“氣泡窗”。氣泡窗采光頂的特殊之處在于,它的結構體系全部為鋁合金結構,大到工字鋁結構,小到鋁合金副框。鋁結構采光頂系統由工字型6082-T6鋁合金構件(詞條“構件”由行業大百科提供)、6082-T6鋁合金曲面節點圓盤和虎克螺栓組成,在鋁結構的上方,是解決采光頂防水遮陽、節能等功能的構造系統,該系統由鋁合金附屬型材、鋁合金限位塊、鋁合金壓塊、緊固螺栓等構件組成。(見圖十二)

  鋁結構采光頂由三角形網格組成,整體呈橢圓球面(見圖十三)。

  1)、BIM分析

  對于三角形玻璃組成的空間曲面,首先要從立體幾何學的角度分析清楚這種形式的空間曲面有哪些特征和規律,為后續的設計下單做好理論準備.首先,構成曲面的每一塊三角形都是一個平面,其次,通過分析發現,任意兩個相鄰平面三角形的交線形成了分格線,最后,交匯在一起的多個三角形平面的交點形成了采光頂的分格頂點。(見圖十四)

  在得出以上結論后,在設計系統節點時就必須遵循上述特征和規律,做到心中有數。由于本項目采光頂外形特征為橢圓球面,相比較于標準球面,構成橢圓球面的相鄰三角形平面之間的夾角不是一個定值,而是有一個變化區間,在系統設計時要參考這個區間,做出更合理的設計。為了得到這個區間,必須設計出一個解決這個問題的流程,通常把這個流程稱為算法。這個算法如何設計呢?首先,可以通過程序篩選出與每個平面三角形相鄰的三角形(見圖十五),然后求出每個三角形與其相鄰三角形之間的夾角,最后對結果進行匯總排序,就可以得到這個區間。

  有了算法以后,再用計算機語言將算法轉化為程序代碼,運行代碼即可得到三角形面板的夾角區間,再依據這個區間值設計最優的節點系統。有了上面的理論依據,可以建立龍骨以及玻璃面板的BIM模型,然后通過模型提取數據,制作材料加工及采購單(見圖十六)。

  2)、收邊鋁板設計及下單

  異形曲面采光頂必定會伴隨著異形曲面形式的收邊收口,尤其是收邊鋁板的加工和安裝效果,決定了項目的施工質量和施工進度,合理的設計與加工不僅僅提高了成品質量,也大大節約了項目成本,更利于成本目標的控制。本項目氣泡窗收邊鋁板的設計與下單,是當前大多數類似工程項目的常見問題,收邊鋁板的原始模型為一個空間扭曲曲面(見圖十七),如果按照原始幾何形態加工下單,面板形式為雙曲復雜曲面,加工難度高,加工量產成品率較低,加工成本高企,非常不利于項目目標的控制,所以,要解決的問題是如何對收邊鋁板進行優化,使板材更容易加工,即不影響原始設計所要達到的效果,也能有效降低成本,提高成品質量。

  首先要明確優化目標,第一,將曲面板優化為平板。第二,優化后面板接縫處會出現翹曲,翹曲不要大于20毫米。第三,優化后的面板效果業主、監理、設計方可以接受。為了達到上述目標,設計師采用有限細分的思想,將收邊鋁板的分格長度控制到最接近原始曲面的長度,然后通過原始曲面的最接近平面面來重新建立收邊面板模型,由于將原始曲面的曲率全部解除,所以會存在面板尖角的翹曲問題,通過參數化設計優化,動態調整分格參數,使最終的翹曲距離控制在目標范圍內,最終得到最優收邊模型(見圖十八)。然后參照模型加工面板。通過最后的施工成品效果,驗證了最初的優化是成功的。

  經過以上詳細的表皮分析和合理的連接構造設計調整措施后,從鋁合金網殼結構、三角形玻璃拼裝及其鋁板收邊收口,大部分材料均按理論模型下單,既保證了進度,也完美地實現了建筑表皮效果,圖十九是三角形玻璃安裝過程,圖二十是完成后采光頂照片。

  4、結束語

  北京大興機場航站樓采光頂表皮設計采用了BIM技術對采光頂進行了形體分析和碰撞檢查,保證了鋁網殼結構、三角形玻璃、收邊鋁板的設計下單都使用一定的工程設計算法,保證了表皮下單效率和加工質量,在形體復雜的建筑項目表皮施工階段,通過先進的設計手段解決工程疑難問題,這才充分體現設計施工一體化的真正價值。新機場采光頂在屋面外圍護結構(詞條“圍護結構”由行業大百科提供)中具有面積大、曲面造型復雜、科技含量高等諸多特點,它與機場中央大廳以及C型柱完美結合已經成為新機場一道亮麗的風景線(圖二十一、二十二)。

  參考文獻:

  [1] 《采光頂與金屬屋面技術規程》JGJ 255-2012

  [2] 《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ 102-2003

  [3]《鋼結構設計標準》GB 50017-2017

  [4] 《鋁合金結構設計規范》GB 50429 2007

  [5] 《空間網格結構技術規程》JGJ7-2010

  [6] 《裝配式鋼結構建筑技術標準》GBT 51232-2016

作者單位:深圳市三鑫科技發展有限公司

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專家介紹

 花定興

鋁門窗幕墻委員會專家組

工作單位:深圳市三鑫幕墻工程有限公司

技術職稱:教授級高級工程師

專業:建筑幕墻、建筑結構

專長:  大型空間建筑幕墻復雜鋼結構、索結構的方案設計、復雜的幕墻結構與主體建筑結構的力學關系原理分析。

原文地址:http://www.52mqw.com/info/2020-11-23/47622-1.htm
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