北京新机场是为破解现今北京地区航空硬件能力饱和, 推进京津冀一体化发展而建设的“十三五”重点基础设施项目。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, 屋盖投影面积18.2万m², 最高点标高52.000m。北京新机场建筑效果如图1所示。

航站楼核心区钢屋盖主要由竖向支撑体系和屋盖体系两部分组成。竖向支撑体系主要分为4种类型:C形柱、支撑筒、单管柱以及幕墙柱, 其中C形柱和支撑筒为屋盖的主要受力支撑。对于核心区每个结构单体而言, C形柱和支撑筒呈三角形分布, 使得每个结构分区形成一个稳定的受力体系。钢支撑分布如图2所示。

其中, C形柱为屋盖结构落地钢网格柱, 下部通过成品支座与劲性钢骨连接。支撑筒为三肢格构式筒柱, 其中两肢通过成品支座与屋盖结构直接相连, 第3肢与屋盖结构脱开用于保证筒柱的稳定性;支撑筒下部与劲性结构焊接连接。主要竖向钢支撑如图3所示。

核心区屋盖为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。6大结构单体均为独立的稳定结构体系。以C2-1区为例, 屋盖下部由1组C形柱、2组支撑筒形成三角支撑体系, 相邻支撑之间屋盖网格加密、杆件加强, 形成强有力的三角区作为屋盖的主要承重骨架。其余位置钢网格尺寸大小不一, 最大为11m×10m;杆件采用圆管截面构件, 节点主要为焊接球形式。核心区屋盖结构分区如图4所示。

核心区屋盖按照“分区独立施工、独立卸载、整体合龙”的原则施工。6个网格结构单体各自为独立的稳定体系, 故每个单体可以按照自身特点以及施工环境选择相适应的施工方法。待每个单体安装完成、卸载完毕, 安装条形天窗, 从而实现整个核心区屋盖结构的合龙。

C2-1区位于核心区屋盖的西侧, 屋盖下方正对土建2层楼面, 楼面情况相对良好, 且屋盖与楼面之间高差大, 适合采用液压提升施工。由于屋盖高差起伏达到25m, 且屋面面积较大, 故最终选择分块累积提升的方法进行施工。

按照“结构受力完整、分块变形协调、措施投入经济”三大原则, 利用数字化等高线手段将C2-1区划分为提升1区、提升2区、提升3区、提升4区和单独提升区等5个施工分区 (见图5) 。

拼装时, 提升分区作为拼装分区进行拼装作业, 利用25t和50t汽车式起重机在2层楼面进行原位拼装;拼装顺序由中心向两侧辐射状进行, 拼装单元下部设置单管撑和支撑架作为临时支撑 (见图6) 。

C2-1区5个提升分区中, C形柱和支撑筒率先安装完成, 以便屋盖提升到位后与支撑构件可以及时补杆对接。屋盖结构单独提升区采用分区独立提升施工。累积提升区分3次提升到位:1区提升3.9m与2区对接;1, 2区对接完成、各指标符合要求后一起提升5.9m与3, 4区对接;最后, 4个区一同提升11.7m至屋盖设计标高 (见图7) 。累积提升区提升到位后与C形柱、支撑筒、屋盖单独提升区进行补杆对接, 随后安装外圈幕墙柱;所有结构安装完毕后, 拆除临时支撑杆件, 利用提升器进行卸载。

C2-1区屋盖结构施工主要采用累积提升方法。提升点布置时既要考虑整个屋盖结构的受力安全, 同时又需要顾及到每个分区在提升过程中的可靠性。累积提升需要经过多次对接, 分区之间的对接精度差不仅会影响到屋盖的建筑造型, 同时还会给结构带来初始缺陷, 使得结构偏不安全。故在进行吊点布置时, 需要考虑分区间的变形协调条件, 保证分区补杆对接顺利。

按照上述原则, 利用有限元计算工具, 根据相邻提升分区间变形差控制在20mm以内的要求对多种点位布置方案进行分析验证, 以确定初步提升点位布置。

在有限元计算确定的点位基础上, 按照以下原则进行适当调整: (1) 充分利用既有结构作为提升支撑点; (2) 提升点尽可能布置在对接位置内侧, 离边缘1~2个网格处, 既能减小对接处挠度变形及结构厚度方向的错边, 又便于分块之间差值微调; (3) 根据下部土建楼面情况做适当调整, 便于支撑架连接固定。C2-1区提升点位布置如图8所示。

C2-1区提升架分为2种形式: (1) 利用既有结构作为支撑, 在此基础上设置提升反力架; (2) 门式支撑架, 每组由2个三肢格构式支撑架、下部转换梁、上部提升平台3部分组成。

1) 利用既有结构作为支撑符合结构受力特点, 同时可以为临时提升支撑系统提供较强的水平刚度, 可以增加提升过程稳定性和可靠性。

C2-1区下部竖向支撑体系主要由1组C形柱、2组支撑筒和3根钢管柱组成。为此, 在C形柱、支撑筒、钢管柱位置分别设置了提升刚架, 提升刚架布置如图9所示。

2) 门式提升架设计竖向支撑构件以外的提升点采用门式支撑架形式。为适应屋盖结构网格尺寸, 同时减小提升梁的跨度, 将支撑架做成三肢格构形式。根据提升点高度及提升反力大小将支撑架设计成2种规格:对于高度≥35m的采用边长2.5m的三角格构式支撑架;<35m的采用边长2m的三角格构式支撑架。

支撑架顶部设有A字形转换平台, Ⅱ字形提升梁搁置在转换平台上方将两支撑架连接为整体。提升架底部通过型钢转换梁与混凝土梁、柱上的埋件焊接固定。提升架及楼面承载力需经过验算、并由设计院审核确认后实施。

北京新机场航站楼核心区屋盖结构面积超大、支撑数量较少、形状极不规则, 属于大跨度空间异形网格结构。屋盖结构的位形控制以及提升过程中的对接精度控制是保证钢结构施工质量的关键。

通过利用计算机虚拟仿真建造技术, 模拟钢屋盖的施工过程, 得到屋盖施工完毕后各点位的变形值;根据各点位变形值, 在深化设计阶段进行预变形, 可以有效地保障钢结构屋盖的位形。

对于多次累积提升对接精度的控制措施主要有以下几点。

1) 合理分区, 保证被提升结构受力完整。C2-1区屋盖C形柱区域为大镂空结构, 该处结构刚度较弱。C形柱附近屋盖高差起伏较大, 从措施投入的经济性方面考虑, 该区域分成2部分提升更为有利, 然而为保证提升过程中结构受力的完整性以及变形条件的控制, 将该区域划分为1个闭合的环状结构, 结构整体性较好, 提升施工的安全性和变形控制更有保障。

2) 合理布置提升点位, 确保分块之间变形协调。

3) 拼装精度控制, 保障焊接球、鼓形球的精确定位。屋盖拼装阶段, 采用以球定杆的方式, 保证焊接球、鼓形球的精确定位;对于杆件而言, 深化阶段预留合理的焊接间隙, 从而确保整个屋盖的拼装精度。

4) 实时监测, 微调整。选取分块对接位置典型节点作为变形监测对象, 对每一关键节点的测量数据进行分析, 将变形差反馈给提升专业小组, 若差值超过允许值, 利用提升器进行微调 (见图10) 。

5) 采用灵敏度较高的液压提升设备, 方便局部点位实施微调。

北京新机场航站楼核心区C2-1区采用累积提升施工。通过对屋盖结构的合理分区、提升点位的合理布置, 有效地保证了屋盖在提升施工过程中的安全性和可靠性, 保证了钢结构的施工精度。利用既有结构作为提升支撑点, 符合屋盖结构受力的特点, 同时可以减少措施投入。

上述方法在北京新机场钢结构施工中得到了有效的实践认证, 利用上述施工技术很好地保证了钢结构的施工质量, 如期完成了钢结构安装任务, 具有非常重要的指导意义。