武汉天河国际机场T3航站楼为我国中部重要的枢纽机场,建筑方案取“星河璀璨,凤舞九天”之意境,鸟瞰酷似腾飞的凤凰(图1)。该项目位于武汉市黄陂区,与现有T2航站楼相邻。T3航站楼东西向长度约为1 200m,南北向宽度约为245m,建筑面积49.5万m²,建筑高度41.1m,为华中地区单体面积最大的航站楼,建成后将满足年旅客吞吐量3 500万人次的要求。

　　 根据功能分区,可分为主楼,东、西各2条指廊及T2-T3连廊。航站楼主楼地下一层,局部二层,地上四层。地下室主要为设备房和库房,一层为行李房和交通集散厅,二层为国内到出港层,三层为国际到港层,四层为国内国际出港层。

　　 航站楼屋盖总投影面积约23.7万m²,呈自由曲面形态,最高点位于南北主轴线处,向东西方向逐渐降低。采用正交正放空间网格结构体系,结构布置与建筑表面吻合一致。

　　 结构设计使用年限为50年,耐久性按100年考虑。结构安全等级为一级。抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度为0.05g,设计地震分组为第一组;地震动参数根据本工程场地地震安评报告 ^[1]确定,多遇地震下结构地震影响系数最大值取0.067 5。抗震设防分类为重点设防类。基本风压按100年重现期取0.4kN/m²,地面粗糙度类别为B类,根据风洞试验和《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012) ^[2](简称荷载规范)包络取值。温度作用根据结构类型和所在部位进行区分,地面以上混凝土结构温差考虑+10℃和-13℃工况;钢结构屋盖温差考虑+24℃和-27℃工况。

　　 T3航站楼主楼下设一层地下室,南北两侧局部设两层地下室,分别与地下停车楼和空侧捷运相接。地下一层结构面标高为-9.800～-5.500m,地下二层结构面标高为-12.600～-10.300m。主楼下有5条城铁地铁隧道和2条公路交通隧道穿过;主楼两侧东西庭院周边有2条管廊下穿,隧道和管廊结构均与航站楼结构脱开。主楼东西方向设有地下联络道与过境公路隧道相接。

　　 主楼地下情况错综复杂,基础标高深浅不一,因此,采用以桩基为主,结合局部天然基础的形式(图2)。工程桩总数为3 866根,桩径为600～1 000mm,有效桩长为18～40m。地下室底板采用现浇混凝土止水板+承台基础结构 ^[3]。

　　 在整个T3航站楼的工程桩中,采用了3 000根新工艺扩孔桩(DX桩),占总桩数的近80%。该桩型在保证结构安全的前提下,将桩长由30～40m减小至23～32m,减少材料用量约15%～20%,有效节约造价,同时加快施工进度。

　　 主楼(不包括指廊、连廊)东西长772m,南北宽245m;主楼地下室长490m,宽200m。指廊东西长210m,南北宽37～44m。均为超长超大钢筋混凝土结构,采用钢筋(钢管)混凝土框架体系,共划分为22个结构单元(图3),其最大混凝土结构单元长度达234m。

　　 主体结构采用钢筋混凝土框架结构,主体结构基本柱网为9m×18m,18m×18m,各层楼盖形式结合柱网尺寸选择,采用普通钢筋混凝土肋梁楼盖与预应力混凝土肋梁楼盖相结合的结构体系(图4)。局部预应力梁的高跨比达1/22,18m跨度最小梁高仅为800mm。

　　 结构设计结合工程场地气候条件及荷载规范的相关规定对结构在温度作用下的荷载效应进行了详细分析,从设计、施工两阶段综合考虑,采取“抗-放”结合的手段来保证设计的安全性和经济性。考虑到温度作用的渐变性,在温度效应分析时考虑结构基础刚度对其进行调整。

　　 同时,在确保满足建筑功能要求的前提下,地下室顶板及外墙部分结构单元内设置诱导缝,有效释放温度作用下的结构内力,减小构件截面尺寸及钢筋用量。

　　 主楼结构楼盖均采用跳仓法施工,可有效减小混凝土收缩对结构产生的不利影响,控制混凝土结构收缩裂缝,且能有效展开施工作业工作面。

　　 屋盖呈自由曲面形态,其平面尺寸东西向最大长度为1 214m,南北向最大宽度为262m,总投影面积约23.7万m²。屋盖最高点位于南北主轴线处,向东西方向逐渐降低。屋盖采用空间网格结构体系,具体为两向正交正放网架结构体系,结构布置与建筑外表面相吻合。陆侧主入口处檐口最大悬挑长度算至外边约39m(图5),东西庭院上空各有一屋盖连桥造型(图6),跨度为122m,采用空间桁架结构形式 ^[4]。屋盖共划分为17个结构单元 ^[4](图7),最大单元长度约287m。

　　 屋盖由394根圆锥形钢管柱(或钢管混凝土柱)支承,中柱保持竖直,边柱随建筑立面外倾12°(图8)。

　　 屋盖结构施工采用提升、滑移、吊装等多种施工工艺,施工过程复杂,结构体系经过多次转换最终成型。结构刚度分阶段形成,与整体模型有一定差异。为保证施工过程和使用阶段的结构安全,设计中根据实际施工阶段进行了分析。

　　 为及时、准确掌握钢结构施工过程的受力状态,从而为结构设计验证、结构模型校验与修正、结构损伤识别等提供技术支持,本工程钢结构使用了健康监测系统。

　　 本工程结构整体、平面及竖向情况复杂,尺度超长超大。结构存在扭转不规则、局部夹层、局部转换、局部吊挂等情况,钢屋盖结构存在斜柱支承等不利因素。结构分析中采用了抗震性能化设计方法,混凝土主体结构按《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)附录M“性能4”要求设计,屋盖钢结构及支承屋盖的柱子按“性能3”要求设计。

　　 开展的计算分析工作主要包括:1)结构常规整体分析及主体结构构件、基础设计,采用PKPM2010系列的SATWE,PMSAP,JCCAD及SAP2000完成。2)钢屋盖结构分析设计,采用SAP2000,MIDAS Gen完成;施工阶段模拟分析,采用MIDAS Gen完成。3)等效弹性方法抗震性能分析设计,采用PKPM2010系列的SATWE,PMSAP及SAP2000完成。时程分析中考虑了多点地震输入的影响。中、大震作用下弹塑性时程分析,采用PERFORM 3D完成。4)钢管(混凝土)变截面框架柱的稳定分析及承载力验算,采用SAP2000,ANSYS完成。

　　 T3航站楼中部地下室以下有3条汉孝城际铁路隧道、2条武汉地铁隧道沿南北主轴线横向穿过(图9),其中汉孝城际铁路以时速200km/h正线通过,并在T3航站楼紧邻的交通中心设立站点,使T3航站楼与城铁地铁交通实现无缝对接,形成综合交通枢纽。城铁地铁隧道下穿区域为共建区域,设计时重点对该区域进行了相关研究与设计工作,主要包括轨道交通振动影响、空铁联建结构关系、共建交叉施工时序及方法、桩在轨道交通荷载作用下的受力分析、共建基坑回填及构造措施等关键内容,解决了结构在舒适性、安全性及施工可行性等方面的一系列问题 ^[3]。

　　 结构设计过程中除进行常规的设计分析外,针对超大型自由曲面屋盖空间网格结构设计难点开展了系统研究 ^[4]。通过刚性模型的风洞测压试验确定了其设计风荷载数值及分布规律 ^[5],同时,研发了风洞试验数据处理软件 ^[6],解决了多风向角的风荷载试验数据处理、不利风向角判断以及快速导入分析计算模型的技术问题。针对模型参数化构建、网格优化、节点快速设计的方法进行了研究。还针对复杂节点力学性能进行了数值模拟分析及试验 ^[7,8]。

　　 此外,设计中采用ECOTECT软件,结合T3航站楼、卫星厅及T4航站楼分期建设的情况,对周边风环境的变化进行模拟,以调整风洞试验结果。

　　 T3航站楼屋盖支承柱为上小下大的圆锥形变截面钢管(混凝土)柱,其中边柱向外倾斜12°(图10)。钢管柱根部外径为1 100～2 500mm,收进楔率为1%～2%。主入口巨型斜柱高度约35m,最大外径达2.5m,钢管壁厚50mm。

　　 我国相关钢结构规范,如《钢结构设计规范》(GB 50017—2003) ^[9](简称钢规),一方面只给出了平面框架体系柱的计算长度取值方法,未明确给出考虑整体空间作用的钢柱计算长度确定方法,另一方面,由于《钢管结构技术规程》(CECS 280∶2010) ^[10](简称钢管规程)只给出了圆(方)钢管梭形柱轴心受压时的整体稳定承载力公式,但未给出锥形薄壁钢管轴心受压时整体稳定承载力的计算公式。

　　 本工程圆锥形钢管(混凝土)柱为支承屋盖结构的关键构件,准确计算其承载能力对确保结构安全至关重要。因此,设计过程中开展、完成了圆锥形变截面钢管柱稳定性评估专项研究工作 ^[11]:通过基于SAP2000的各结构单元空间整体结构分析模型中钢管(混凝土)变截面框架柱的特征值屈曲临界承载力分析(图11),确定了考虑空间整体约束作用的支承柱欧拉计算长度系数μ。

　　 通过基于ANSYS的各结构单元整体非线性有限元数值模拟,计算考虑初始缺陷及材料非线性、几何非线性的变截面钢管(混凝土)柱轴心受压全过程荷载-变形曲线,得到构件非线性稳定承载力值N_cr(图12);通过计算确定考虑空间整体约束作用的支承柱稳定系数φ,并计算了水平地震作用下,柱非线性静力极限承载力。

　　 经计算分析和理论推导,对钢规梭形柱公式(5.3.2-1)～(5.3.2-4)的应用范围进行了扩展,得到一端固定一端自由与两端铰支变截面柱的轴心受压稳定承载力调整系数;根据分析结果得到变截面柱稳定承载力的整体影响调整系数;利用分析得到调整系数及等效计算长度根据钢规公式(5.1.2-1)及附录C表4注1的公式得到柱的稳定系数;采用钢规公式(5.2.2-1)绘制M-N相关曲线,对柱在各种组合下的内力进行了验算;提出了用于变截面钢管(混凝土)柱的设计验算方法。该设计方法保持了钢规的验算方法和公式体系,利用了钢规中关于柱稳定数值分析和试验的成果,与非线性屈曲分析结果比较表明,该方法得到的结论是安全可靠的。

　　 本工程空铁联建区域共建施工时序及方法研究 ^[3]、考虑分期建设对航站楼风荷载影响的数字风洞模拟、超大型复杂自由曲面空间网格结构参数化建模软件研发、屋盖结构优化等均是运用BIM技术解决结构难题的典型案例。除此之外,BIM这一技术手段的应用,还为多专业三维协同设计,钢-混凝土结构复杂节点设计等结构设计问题找到了最佳解决方案。

　　 T3航站楼内包含数量众多、空间布置错综复杂的机电系统。机电管线通行路径与结构构件设计的协调一致,对机电安装施工的顺利进行及建筑功能与美学效果的实现具有至关重要的作用。为此,结构与建筑、机电专业共同建立精确的全楼BIM模型(图13),全过程运用BIM软件进行了多专业三维协同设计。

　　 通过多专业三维协同设计,结构专业在设计过程中合理布置构件截面尺寸、预留孔洞定位及局部结构方案,使机电管线系统在有限的安装高度内得以顺利实施。通过预埋套管使部分管道、桥架等得以穿梁通行,有效减小了结构下部机电安装所需空间高度,增大了吊顶下部使用空间净高。

　　 对于预应力混凝土梁,预埋穿梁套管应避开梁内预应力筋(图14)。穿梁套管定位与机电管线布置进行了精细协同设计,结合预应力筋线型走向对不同位置的穿梁套管确定不同的标高,在满足机电安装要求的同时,确保了结构的安全性。

　　 通过精细化协同设计,解决了T3航站楼主楼屋面虹吸雨水立管埋设于钢管柱内的设计及施工难题(图15)。

　　 预应力混凝土梁与钢管混凝土柱连接节点钢筋数量多,结构内力大,预应力筋束相互交叉,连接条件尤为复杂,设计中对于此类节点,一般在钢管柱周边设置外加强环用于锚固梁内普通钢筋,预应力筋则在钢管混凝土柱内锚固或穿过钢管混凝土柱,并通过设置牛腿及抗剪环实现梁端剪力传递。

　　 基于节点区钢筋、钢板等构件数量众多的实际情况,设计时对部分复杂节点建立了BIM三维实体模型(图16),准确确定钢筋、钢板的空间位置关系,BIM技术的应用对复杂梁柱节点合理的构造设计起到了极大的促进作用,一目了然的三维节点模型也更便于保证节点施工的准确性,对施工质量控制起到了积极作用。

　　 在天河机场T3航站楼工程的设计过程中,从解决工程实际问题的角度出发,针对轨道交通隧道下穿、曲面空间网格设计、钢管柱稳定等问题进行了一些研究工作。限于篇幅,本文仅作一般性的介绍,具体方法与结论可见文献[3,4,5,6,7,8]和文献[11]。