北京新机场是继北京首都国际机场、北京南苑机场后的第3个客运机场, 其定性为大型国际航空枢纽, 分2期进行建设。首期按2025年旅客吞吐量7 200万人次、货邮吞吐量200万t、飞机起降量62万架次的目标设计;建设“三纵一横”4条跑道, 70万m²全球最大的机场航站楼以及相应的生产生活设施。北京新机场的建设意义在于破解现今北京地区航空硬件能力饱和状况, 同时有助于推进京津冀一体化发展, 引领中国经济发展新常态, 是打造中国经济升级版的重要基础设施支撑。

北京新机场项目位于北京市大兴区榆垡镇、礼贤镇和河北省廊坊市广阳区之间, 永定河北岸。航站楼建筑面积约70万m², 主要由核心区和指廊两大部分组成。核心区屋盖造型复杂, 呈不规则自由曲面形状, 投影面积18.2万m², 最高点标高52.000m。其效果如图1所示, 航站楼平面如图2所示。

航站楼核心区 (以下简称核心区) 主体分为钢筋混凝土框架结构和钢结构屋盖两大部分。核心区南北长454m, 东西宽568m;混凝土结构地上5层, 地下2层, 其中单层楼板面积达到15万m²。航站楼中心区下方设有高铁地下站台及车道, 高铁运营后从航站楼底高速穿过。设计时, 为解决温度作用对大面积混凝土结构的影响, 同时减轻高铁通过对结构的振动影响, 地下室顶板与下部结构之间采用隔震支座技术 (见图3) 。

钢支撑分布如图4所示, 钢屋盖通过4种类型的竖向支撑与混凝土结构内部劲性钢骨相连。支撑体系由中心向外围呈层状分布, 分别为中央C形柱、支撑筒和单管柱、外排幕墙柱3个层次, 其中C形柱和支撑筒为屋盖的主要受力支撑。核心区屋盖为一个整体受力的空间钢网格结构, 由1个中央天窗 (C4区) 、6个钢网格单体 (C1~C3区) 以及各单体之间的条形天窗三大部分组成 (见图5) 。屋盖呈不规则自由曲面形状, 钢网格尺寸大小不一, 最大为11m×10m;杆件采用圆管截面构件, 节点主要为焊接球连接和杆件直接相贯2种形式。整个航站楼核心区屋盖用钢量约5万t。竖向支撑如图6所示。

多专业同步交叉施工, 时间和空间资源有限, 使得既定的工期目标与有限的资源条件形成了一对难以调和的矛盾。航站楼施工期间, 下穿高铁隧道、北侧进/离港高架桥、机场跑道等专业不同程度地展开施工, 各专业之间工作面冲突激烈、场地资源及施工道路等需求旺盛。进入冬季后, 北京地区雾霾影响加重, 温度逐渐降低, 对钢结构吊装及焊接均为不利因素。

核心区地上部分楼层分布不规则, 地下2层总体为大平层结构, 单层面积达到15万m², 随着楼层升高、楼面面积减小, 整个结构呈阶梯状分布 (见图7) 。楼层内部后浇带分布纵横交错, 楼面降板、洞口较多, 局部区域存在浮岛结构。

钢结构屋盖下方为混凝土大平层结构, 经验算只允许≤50t的汽车式起重机上楼面吊装, 然而履带式起重机、大型汽车式起重机场外吊装时由于吊幅范围有限无法覆盖整个屋盖结构。

施工期间为保证各专业材料、构配件、临时措施等的输送、倒运, 钢结构施工阶段需在屋盖下部预留空间满足楼面运输需求, 临时支撑等措施的设置不可阻断下部通行。

核心区屋盖四周皆为指廊结构, 外部场地有限, 无法满足大面积堆料和拼装需求。主体结构首层楼板下部采用隔震支座技术, 钢结构施工期间后浇带尚未浇筑成型, 钢结构施工需要考虑隔震支座的性能保护, 减轻支座的附加应力。

核心区钢屋盖具有面积超大、形状极不规则、支撑点位少等特点。核心区18万m²钢屋盖为整体受力的全焊接结构, 焊丝用量近200t, 大面积焊接作业对结构变形以及残余应力的影响不容小视。屋盖平面不规则、高差起伏大, 单个结构分区内最高点与最低点高差达25m, 钢结构安装精度控制难度大;屋盖支撑点位少, 不考虑周边幕墙柱的作用, 每组竖向支撑所需承担的屋盖面积达到4 286m²;屋盖跨度大、结构体系复杂, 使得卸载难度增加, 屋盖位形不易控制。

钢结构主要的施工方法有散装施工法、分块 (片) 吊装法、滑移施工法、提升施工法4种。钢结构施工方法的选择需结合结构自身特点, 同时综合考虑现场环境、工期等多种因素。对于机场类超大型钢结构项目, 往往是几种方法组合形成一套适用于特定项目的综合方法用于施工。

核心区钢屋盖施工之前, 对多种施工方案进行了可行性分析, 主要集中在分块吊装法、提升+滑移综合施工法、提升+吊装综合施工法3种施工方法。

新机场屋盖南北长454m, 东西宽568m, 投影范围下方为一大平层结构, 屋盖中心到结构边缘的最小距离达227m。由于楼面承载力有限, 仅能满足50t汽车式起重机进入楼面作业, 且履带式起重机、汽车式起重机吊幅有限, 场外吊装无法完全覆盖整个屋盖。

塔式起重机覆盖范围较履带式起重机等吊装设备有较大的提升, 但对半径达到227m的大面积屋盖仍需设置多排塔式起重机进行屋盖的全覆盖。钢结构分块质量大、数量有限, 轻型塔式起重机无法满足吊重需求, 重型塔式起重机利用率低、不经济。鉴于上述矛盾, 提出了移动式塔式起重机结合履带式起重机分块吊装的施工方法。

在结构2层楼面条形天窗位置, 呈“X”形布置4台ST8075型移动塔式起重机;在结构外围周圈布置7台SCM-M630型固定塔式起重机, 同时布置6台履带式起重机。4台移动塔式起重机负责中心区域钢结构分块的吊装;固定塔式起重机负责钢构件、临时支撑措施、构配件等倒运工作;履带式起重机负责结构外围分块的吊装。分块单元就近拼装, 拼装机械以中小型汽车式起重机为主。塔式起重机布置如图8所示。

核心区北侧 (C1区) 楼层多且高, 相对于其他区位而言, 结构外围场地情况较为良好, 适用于滑移施工。在结构外围设置拼装胎架, 布置2台ST80/75 (50t级) 型行走式塔式起重机用于分块吊装。滑移施工模型如图9所示。

南侧 (C2, C3区) 由于受两侧指廊影响, 场外空间有限, 该区域楼层相对较低 (C2区为2层楼面, C3区为3层楼面) , 采用提升施工更为合适。通过搭设栈桥, 50t汽车式起重机行驶至2, 3层楼面进行拼装, 分块累积提升到位 (见图10) 。

提升+吊装施工法是指履带式起重机等设备在结构外围可以覆盖到的地方采用分块吊装施工, 其余区域采用提升方法施工。实施时, 在屋盖周边布置200~500t级的履带式起重机负责屋盖边缘部位结构吊装;楼面内部则利用50t汽车式起重机进行原位拼装, 最终通过液压提升设备安装到位。

1) 分块吊装法施工简单、工艺成熟, 安全、进度、质量方面易于控制。不足之处在于支撑架数量过多, 下部作业面占用时间长, 导致其余专业无法展开施工;大范围支撑架布置影响楼面运输车辆的通行;除此之外, 支撑架数量过多, 卸载工作量加大, 同步性不易控制, 实施困难。

2) 滑移施工以场外拼装为主, 不占用楼面空间, 对其他专业影响较小, 各专业可以同步展开施工, 有利于节约项目总工期。但由于北侧进/离港桥的施工计划与核心区钢结构安装计划相冲突, 留给钢结构的施工工期十分有限。北侧拼装场地虽然宽阔但依旧无法满足工期要求, 导致滑移施工无法实施。

3) 提升施工法一般不需要大型吊装设备, 利用50t级汽车式起重机行驶至楼面进行散拼即可。每个施工分区拼装完成后将其提升就位, 占用楼面时间短, 不影响楼面交通。其综合了滑移施工的优势, 同时避开了上述2种方法的短板, 对航站楼的施工具有较好的适应性。由于屋盖形状不规则且下部楼面情况复杂, 这对屋盖的拼装以及施工精度的控制来讲是一大挑战。

前述分别对3种实施方案做了详细的分析比较, 通过对上述方法的对比分析可知大面积分块吊装和滑移施工均不利于项目实施。综合各方因素, 核心区屋盖钢结构最终选择提升结合吊装综合法施工。该施工方法综合了吊装和提升的优势, 合理地避开了各自的缺点, 有助于项目的顺利开展。

核心区屋盖钢结构体量较大, 分为南北2个大区段。南区屋盖根据结构自身特点可以分为C2-1, C3-1, C3-2和条形天窗4个施工分区 (见图11) 。每个施工分区根据施工工艺的不同, 进一步细分为提升分区和吊装分区。

屋盖结构的成型应遵循结构受力特性, 钢结构安装应在充分理解设计意图的前提下进行。根据该原则, 事先进行竖向支撑体系安装, 支撑体系稳定后安装屋盖结构。核心区屋盖的每个单体为一个独立的稳定结构体系, 条形天窗仅作为各单体之间的弱连接。按照上述设计理念, 每个单体安装完毕后, 各自进行卸载, 所有单体卸载完成后再安装条形天窗。其中南、北大区段之间的条形天窗作为整个核心区的合龙缝, 最后安装。

竖向支撑体系采用50t汽车式起重机上楼面进行分段吊装。汽车式起重机及材料运输车通过钢栈桥由室外地坪进入2, 3层楼面。汽车式起重机及运输车辆在楼面上行走、吊装均需经过详细的复核验算并得到设计院确认, 在楼面承载力和刚度条件满足要求的情况下方可进入。

C2-1区下部为土建结构2层, C3区下部为3层楼面, 局部区域存在4层;综合考虑下部楼层的布置及标高情况, C2-1区采用分块累积提升法施工, C3区采用提升结合吊装的方法施工。

核心区屋盖为不规则自由曲面结构, 结构形状复杂, 高差起伏大。根据楼面布置情况及结构特点, 按照结构受力完整、分块变形协调、措施投入经济三大原则, 利用数字化等高线技术将C2-1区钢屋盖划分为5个提升小区 (见图12) 。其中1~4区采用累积提升施工, 1区与2区对接, 1, 2区再与3, 4区对接, 待屋盖提升到位后与竖向支撑构件补杆对接。对于提升点的布置, 首先利用C形柱和支撑筒等既有结构作为提升架, 提升时可以较好地贴近结构的设计状态, 同时可以为提升支撑系统提供较好的抗侧刚度;其余点位按照杆件的受力情况以及分区之间的变形差进行合理布置。

提升分区钢结构在楼面进行拼装, 拼装机械以25t和50t汽车式起重机为主, 起重机以及运输车辆通过搭设钢栈桥的方式从地面驶入2, 3层楼面。

C3区分为C3-1区和C3-2区, 2个区域相互对称 (见图13) 。C形柱周边区域离结构边最远, 且该区域屋盖与楼面之间高差大, 采用提升方法施工。其余各区利用结构外围履带式起重机进行吊装。1~3区吊装完毕后, 提升区提升到位与吊装区和C形柱补杆对接, 从而完成C3区钢结构屋盖的安装。

C3-1/C3-2区钢结构屋盖施工时, 场外分别布置1台300t履带式起重机负责屋盖分块的吊装, 提升区安排25t和50t 2种规格的汽车式起重机上楼面进行拼装。吊装区下部采用支撑架、钢管作为临时支撑。

钢屋盖施工按照“分区独立安装、独立卸载、整体合龙”的原则进行。钢结构采用的卸载方式与安装方法相对应, 其中C2-1区提升区域全部采用提升器进行卸载。C3区采用分区、分级循环卸载, 具体实施为:提升区采用提升器卸载, 吊装区采用自制砂箱卸载。2种卸载方式如图14所示。

南、北大区屋盖各自施工完成、卸载完毕后, 开始安装条形天窗, 条形天窗安装过程即为核心区屋盖结构的合龙过程;合龙温度控制在 (15±7.5) ℃, 先安装各自区域内的条形天窗 (见图15中的 (1) ~ (5) ) 并焊接完毕, 最后安装南、北大区之间的条形天窗 (见图15中的合龙缝 (6) ) , 从而实现核心区屋盖结构合龙。

条形天窗施工采用汽车式起重机上楼面分段吊装, 吊装顺序为从内侧中央天窗开始向外逐步进行 (见图16) 。吊装完毕后两边同时对称施焊 ( (1) 与 (2) 、 (4) 与 (5) 由内向外同步对称施焊) 。

天窗桁架安装时, 一侧杆件与屋盖桁架球节点焊接固定, 另一侧则与球节点采用卡板连接, 以便释放温差作用产生的结构变形。卡板连接措施如图17所示。

北京新机场作为国家十三五重点建设项目, 其建设意义重大, 施工任务艰巨。项目实施前期, 在各单位的支持下, 通过对项目的层层深入了解, 对多个实施方案进行了全面、细致的比对分析, 最终确定了提升结合吊装的安装方法。同时通过有限元软件的多次计算模拟, 创造性地采用了“分区施工、独立卸载、总体合龙”的施工原则, 很好地保证了钢结构的施工质量, 提前完成了钢结构安装任务。

利用上述施工技术确保了北京新机场航站楼核心区钢结构屋盖的顺利实施, 充分验证了实施方案的可靠性、高效性, 可为今后超大面积不规则自由曲面钢结构的施工提供借鉴与参考, 具有非常重要的指导意义。