北京大兴国际机场航站楼核心区屋盖钢结构造型复杂, 由支撑钢结构及上部钢屋盖2大部分组成。其中, 支撑钢结构由4组 (8个) C型支撑、6对 (12个) 支撑筒、3对 (6根) 支撑柱及门头柱和幕墙结构体系组成, 各类支撑结构共计26处 (个) , 平面关于南北中轴线对称分布, 竖向分布于2～4层楼面;上部钢屋盖由若干不规则自由曲面组合而成, 为不规则曲面球节点双向交叉桁架结构, 主要节点为焊接球, 部分受力较大区域采用铸钢球节点;支撑结构通过三向固定铰支座、单向滑动铰支座或销轴支座与钢屋盖连接。屋盖钢结构组成如图1所示。钢结构主要材质为Q345、Q390、GS20Mn5QT、Q460等。

核心区屋盖采用不规则自由曲面空间网格钢结构, 结构长和宽分别为568m与455m, 投影面积达18万m², 为超长超宽超大平面;屋盖钢结构体量大, 钢结构总重达4.2万t, 钢管63 450根, 焊接球节点12 300个, 屋盖钢网格结构最大厚度8m, 最大悬挑47m, 单个网格最大尺寸11m、重20t, 核心区屋盖钢结构工程体量巨大。

核心区屋盖由若干不规则自由曲面组合形成空间曲面钢网格结构, 结构整体呈放射状造型, 中央大面积天窗, 向外发散伸出6根细长条形天窗, 点缀8个由C型支撑形成的独立天窗, 结构新颖;曲面造型复杂, 局部呈波浪状, C型支撑天窗向上突出、条形天窗向下凹陷, 整体结构曲面高差起伏大, 最高点与最低点高差达27m;屋盖结构安装精度直接影响建筑造型和屋面排水, 位形控制要求高。

屋盖在各种荷载作用下, 荷载大小总计达数万吨, 而支撑体系仅由内圈4对 (8个) 铰接落地的C型支撑及支撑筒、支撑柱、幕墙等组成, 整个支撑体系简洁多样;支撑体系在中心天窗处形成直径180m的无柱空间, 屋盖下部混凝土结构错层布置, 呈阶梯状分布, 包含多个混凝土浮岛和较多洞口, 钢结构屋盖直接覆盖的混凝土结构最高为5层、最低为1层, 形成立体大空间, 内部空间超大 (见图2) 。

前述工程特点对屋盖钢结构工程施工提出严苛要求^[1,2,3], 工程难点及相应技术如下。

核心区屋盖钢结构施工要求同时沿平面2个方向开展, 施工方案设计难度大;钢结构工程体量巨大, 屋盖结构对温度效应较敏感, 施工时日照、焊接等温度作用对构件变形影响较大。同时, 国内外机场航站楼多采用前列式或指廊式构型^[4], 航站楼建筑普遍呈一字形布局, 大兴国际机场核心区屋盖钢结构施工方案无成熟参考案例。因此, 需要提出一套核心区屋盖钢结构的整体施工方案, 总体解决工程施工技术难点, 避开不利施工状态, 优化结构受力、加快工期、降低成本。

为满足建成结构的位形控制要求, 按照整体施工方案, 需提出针对超大平面复杂空间曲面钢结构的施工设计与控制方法。施工设计方法包括屋盖分区分块优化、节点预起拱值计算、温度效应分析等, 步步迭代完成设计;施工控制包括施工精度控制、提升安装精度的调整技术等。针对核心区屋盖自由曲面造型, 传统的全站仪测点控制精度方法无法完全满足施工控制要求, 需要新的测量手段。

核心区屋盖由若干不规则自由曲面组成, 整体结构曲面高差起伏大, 即使采用分区分块安装方法, 单个网架分块体量依然较大, 同时存在大落差和大角度;屋盖下部混凝土结构错层布置, 安装环境高差大。多项因素耦合, 给屋盖施工安装带来巨大挑战。

支撑体系形式多样, 其中C型支撑为树状巨型格构式结构, 形式新颖、体量大, 安装过程节点空间定位困难, 全支撑施工会导致工艺繁琐、安装质量难以保证。

核心区屋盖结构造型复杂, 需保证大量复杂钢构件加工、预拼装精度。本工程屋盖施工在有限场地上开展, 无法满足现场拼装要求。同时, 传统预拼装需配置大量吊装设备、占用大量拼装胎架、产生较多二次运输并增加工序, 效率低下, 难以满足施工要求。

核心区屋盖钢结构体量巨大, 包括钢管63 450根、焊接球节点12 300个, 对7万余个钢构件进行制造、发货、安装过程管理, 繁琐复杂。采用BIM管理平台, 需对本工程定制开发智慧管理技术, 实现施工高效管理。

上述工程特点与技术难点的对应、关键技术分解、总体技术间的逻辑关系如图3所示。

结合屋盖钢结构工程特点, 对工程整体卸载合龙方案进行对比研究。综合对比“整体先合龙后卸载”^[5]及“先卸载后整体合龙”^[6,7]2个方案, 并对边界支撑的卸载时机进行研究, 确定屋盖钢结构施工整体部署为:分区安装, 分区卸载, 变形协调, 总体合龙, 具有胎架布置优化、减小天窗结构受力、加快工期等优势。

分区分块遵循结构受力最优、变形协调、措施投入最优的原则, 将屋盖整体结构划分为7个区。每个分区根据其自身特点进一步划分为若干个分块 (见图4) 。

大跨度空间结构施工卸载完成后, 结构会有较大的挠度变形。通过施工仿真模拟分析得到主体结构施工卸载后变形值, 取各节点变形值对结构模型起拱;在同类大型工程中首次完全按起拱模型进行深化设计、杆件加工和现场施工。

在晴天太阳辐射下, 裸露钢结构和周围环境温差很容易达20℃以上, 从而引起难以忽略的温度效应。目前通用有限元软件既不能考虑太阳辐射的复杂变化过程, 更无法考虑大型网壳结构之间复杂遮挡关系的影响。通过有限元软件的二次开发, 完成网壳结构在日照等热源作用下的精确温度场与受力变形分析, 实现大量空间杆件的遮挡效应模拟分析, 据此指导施工设计。

研发自由曲面空间网格钢结构分块累积提升施工技术。在合理分区分块的基础上, 研发精确起拱与提升优化技术, 通过原位拼装、多次提升与微调过程, 完成最多达4步、最大分块达20 225m²的屋盖累积提升。

针对混凝土结构错层及有限的施工空间, 创新性地提出网架分块高空翻转提升技术。降低拼装胎架高度和难度, 提高拼装效率, 保证施工质量和安全。实现最大分块3 750m²、高差15.38m的屋盖翻转提升。

首次提出巨型格构复杂C型支撑加工制造及免支撑安装技术。C型支撑柱肢与混凝土结构铰接, 整体呈外倾趋势, 安装难度大。安装时利用结构自平衡原理, 构件分段时考虑整体结构重心位置, 步步拼装, 实现上口直径46m、下口直径10m、高度36.6m的C型柱免支撑安装。某典型C型支撑造型与优化设计吊装分段划分如图5, 6所示。

开发应用高精度三维激光扫描检测与数字预拼装技术进行激光扫描逆成像预拼装, 发展大型复杂异形钢构件/铸钢件的偏差分析及工厂修正指导方法, 设计并实现了繁多复杂大构件的数字化预拼装方法。相比普通的虚拟预拼装技术^[8], 新方法对实际构件的三维扫描精度高达0.085mm, 显著提升预拼装精度。在钢结构施工BIM智慧平台管理技术中, 通过构件二维码管理实现物联网与BIM模型关联, 管理不同规格钢构件数量>7万件, 开发“精筑BIM+项目管理平台”, 实现系统化云平台管理可视化, 高效进行施工构件和安装位置管理。

本工程基于超大平面复杂空间曲面钢结构施工设计与施工控制方法, 综合自由曲面空间网格钢结构分块累积提升施工技术、大尺度高落差倾斜翻转提升技术、巨型格构复杂C型柱加工制造及免支撑安装技术、钢构件数字化预拼装与数字化管理平台等先进技术, 高效解决钢结构施工问题, 为形成超大型空间钢结构安装综合施工技术提供参考。