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摘要：本文对北京新机场主航站楼采光顶的相关设计及安装进行了介绍，对各种重难点技术和新材料、新工艺、新方法进行了相关分析，并提出了经济、高效、适用的施工措施和解决办法。
关键词：采光顶；异型曲面；铝结构；BIM
1.采光顶系统介绍
北京新机场位于永定河北岸，北京市大兴区礼贤镇、榆垡镇和河北省廊坊市广阳区之间，北距天安门46公里，距离首都机场68.4公里，属国家重点工程。
新机场采光顶主要由钢结构采光顶和铝结构采光顶两大部分组成（如图1所示）。
为了兼顾结构安全性、经济性和整体效果的要求，各区域采光顶根据单元的具体分格尺寸，主受力钢构件分别设计。在主钢构件的上方，即为解决采光顶防水、遮阳、节能等功能的构造系统，其中龙骨为钢铝结合组合构件，玻璃面板配置为12+18Ar+6+2.28SGP+6超白钢化中空双银LOW-E夹胶玻璃（如图3、图4所示）。
由于采光顶整体外形为球面，需要用三角形平面玻璃模拟出球面曲面，因此相邻玻璃面板之间的存在一定的夹角，且角度在一定的范围内变化。能够适应不同的角度是此处设计的难点，本采光顶系统最终采用了能适应多角度的玻璃嵌入式系统，有效的解决了设计难点，也给施工带来了方便。
1.2 铝结构采光顶系统设计
作为机场钢结构的设计亮点之一，8根C型柱支撑着主航站楼中央区18万平米的屋盖，而C型柱的上方，设计师选用了椭球形的单层网壳结构采光顶，在外观效果上起到了画龙点睛的效果（如图5所示）。
图5 铝结构采光顶内视
8个铝结构采光顶中，最大采光顶的面积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（如图6所示）。
图6 铝结构采光顶大样
单层网壳体系的结构计算主要包括杆件及节点内力计算，以及整体稳定性计算（如图7所示），由于铝合金材料强度高，弹性模量低，稳定问题比较突出，因此应重点考虑初始缺陷的弹塑性非线性稳定分析。分析按以下步骤进行：
1）建立有限元模型；
2）进行屈曲分析，得到特征值屈曲解；
3）对结构进行弹塑性整体稳定分析，确定稳定极限承载力。
利用弧长法，考虑几何非线性与初始缺陷的影响，对结构进行非线性稳定分析，提取结构中位移最大的节点荷载-位移全过程曲线进行跟踪，取荷载所达到的临界点为结构的极限荷载，得到不同荷载工况下结构荷载倍数-位移曲线。
图7 采光顶铝结构有限元分析
机场C型柱铝结构采光顶系统由工字型6082-T6铝合金构件、6082-T6铝合金曲面节点圆盘和虎克螺栓组成（如图8所示），区别于常规的钢结构采光顶，铝结构采光顶最大的优势是：
1）自重轻，建筑效果更轻盈、通透；
2）标准化设计，精密数控机床加工，加工精度高；
3）所有构配件全部现场装配，施工工艺简单，且对施工设备及场地要求低；
4）安装速度快、精度高，减少施工周期；
5）无需施工现场做表面处理，防腐性能高，终生免维护；
6）施工现场无噪音、粉尘、污水等污染，属典型的绿色施工。
同样，在铝结构的上方，是解决采光顶防水、遮阳、节能等功能的构造系统，该系统由铝合金附属型材、铝合金限位块、铝合金压块、紧固螺栓等构件组成。
图8 铝结构采光顶龙骨拼装节点 图9 铝结构采光顶标准节点
铝合金附属型材与主体铝合金结构一体化设计安装（如图9所示），两者通过两条通长的飞边扣合在一起，将玻璃面板传来的风荷载、自重荷载分力准确的传递到铝结构上。限位块通过不锈钢自攻钉固定在铝结构上，其作用是在铝合金附属型材安装到位后限制其平向移动，保证铝合金附属型材与铝结构扣合精密，不发生脱扣现象。铝合金压块采用单压块，通过内六角螺栓与铝合金附属型材连接在一起，压块压点采用圆弧型设计，使该系统能够适应不同的角度。
2 新工艺新方法的应用
2.1 铝网玻璃的应用
在采光顶夏季遮阳问题上，设计师分别选择了铝网玻璃（如图10所示）和彩釉玻璃来加以解决。其中的铝网玻璃，铝网固定于玻璃中空层内，统一南北排列，在遮挡直射阳光同时，将直射阳光通过漫反射射入室内，这一巧妙的设计平衡了自然采光与遮阳的矛盾。
2.2 玻璃胶缝设计
采光顶作为机场屋面系统的一个重要组成部分，它需要兼顾采光、耐久、防水、隔热保温等各方面的要求，其中防水尤为重要，为了确保玻璃胶缝的防水性能，节点设计时作了如下特殊设计：
1）定制条型泡沫棒；
2）胶深设计8～10mm厚（如图11所示）。
2.3 BIM设计方法的应用
造型曲面异型、结构复杂是本项目的最大特点，加上严格的质量管控，常规的设计手段已很难适应，这也会带来高额的人力成本和时间成本。鉴于此，幕墙设计选择了更先进的BIM设计手段。
由于整个中央区的主结构为网架结构，为了能够适应主结构的误差，幕墙设计建立了整个中央区的采光顶模型，通过预定义主体结构杆件节点作为参数化控制点，然后通过配合关系建立采光顶型材与玻璃实体模型，并同时编制型材与玻璃面板加工图生成程序。模型建立完成后，将其与主体结构模型合并，再利用BIM设计方法精确计算出系统设计中可能存在的施工碰撞，在模型中提前排除碰撞，保证型材、玻璃的安装准确无误。
主体结构安装到位后，现场复核全部控制点的三维坐标，将测得数据输入理论模型，使采光顶模型与实际模型调整到一致。采光顶模型调整完成后，进而快速生成玻璃与采光顶框架的加工数据，节约了时间，保证项目的整体工期，设计效率及准确率也大大提高（如图12所示）。
图12 BIM技术应用
3 结语
北京新机场旅客航站楼及综合换乘中心工程采光顶结构形式新颖，外观复杂多变，为了解决这些难题，设计和施工时采用了多项新工艺、新材料、和新方法。对铝合金结构体系、空间异型曲面玻璃采光顶的设计与施工等课题进行了详细深入的研究与探索。铝合金结构体系顺应了装配式建筑思想的潮流，完美体现了铝结构相比于钢结构的优点。铝网玻璃等新材料的应用在国内也是首次，再结合BIM设计方法，玻璃采光顶设计与施工必定向着精益求精，创新创效益的方向不断进步。
参考文献
[1]《建筑结构荷载规范》GB50009-2012
[2]《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102-2003
[3]《采光顶与金属屋面技术规程》JGJ 255-2012
[4]《空间网格结构技术规程》JGJ7-2010
论文作者:杨希仓
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第16期
论文发表时间:2018/11/1
标签：采光论文; 结构论文; 玻璃论文; 铝合金论文; 荷载论文; 如图论文; 所示论文; 《建筑学研究前沿》2018年第16期论文;