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摘要：本文針對北京大興機場航站樓采光頂曲面復(fù)雜造型特點進行了形體分析，闡述了采光頂與主體結(jié)構(gòu)連接問題，主次鋼龍骨、鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、三角形玻璃以及收邊鋁板的設(shè)計下單問題。
關(guān)鍵詞: 曲面采光頂、單層鋁（詞條“鋁”由行業(yè)大百科提供）合金網(wǎng)殼、BIN技術(shù)、形體分析
1、工程概況
北京大興機場航站樓采光頂主要由中央?yún)^(qū)鋼結(jié)構(gòu)（詞條“鋼結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）采光頂和八個橢圓氣泡窗鋁結(jié)構(gòu)采光頂以及指廊帶型采光頂所組成(見圖一)。其中中央?yún)^(qū)以及八個橢圓形為曲面采光頂。
北京大興機場航站樓支撐采光頂?shù)闹黧w鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)（詞條“網(wǎng)架結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）曲面造型變化復(fù)雜，相比于常規(guī)的采光頂，設(shè)計與施工都面臨前所未有的挑戰(zhàn)，由于鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的特殊構(gòu)造，采光頂結(jié)構(gòu)與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)連接的必須考慮全面和準(zhǔn)確無誤，為了提高施工質(zhì)量，采光頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計與加工應(yīng)該兼具安全和方便施工安裝的特點，玻璃等脆性材料的下單必須高效、準(zhǔn)確、無誤。為了項目的進度、質(zhì)量、成本目標(biāo)，設(shè)計應(yīng)該全面細致的服務(wù)好加工、采購、施工管理工作，保證項目的順利完工。
2、中央?yún)^(qū)鋼結(jié)構(gòu)采光頂系統(tǒng)分析
鋼結(jié)構(gòu)采光頂主龍骨（詞條“主龍骨”由行業(yè)大百科提供）為300X200鋼方管，次龍骨為80X60鋼方管，鋁合金橫梁扣座通過自攻釘固定在次龍骨上(見圖二)，主龍骨和次龍骨都連接形成三角形網(wǎng)格骨架(見圖三)。
1)、碰撞檢查分析
北京新機場的主體屋頂鋼結(jié)構(gòu)為復(fù)雜空間網(wǎng)架體系(見圖四)，并且整體外形為變化起伏的空間曲面，在這樣的體系上設(shè)計采光頂，必定會存在一些技術(shù)難題需要解決，且考慮到鋼結(jié)構(gòu)施工誤差和溫度作用，如果設(shè)計時考慮不深入全面，勢必會在后期的表皮施工中埋下重大隱患，所以在前期設(shè)計階段，就應(yīng)該結(jié)合復(fù)雜主體鋼結(jié)構(gòu)的特點，采取必要的技術(shù)手段。
由于采光頂?shù)拿娣e達幾萬平米，主龍骨組框類型多，采光頂有形狀各異的小采光頂單元組成，這些小采光頂單元就像巨龍身上的鱗片一樣，貼合在此起披伏的空間網(wǎng)架體系上(見圖五)，設(shè)計師首先要考慮的第一個問題就是，按照原招標(biāo)（詞條“招標(biāo)”由行業(yè)大百科提供）圖紙，必須檢查采光頂主龍骨與空間網(wǎng)架存在碰撞的可能。
為了解決這個問題，設(shè)計師建立了所有采光頂主龍骨的模型，通過BIM軟件將采光頂主龍骨與主體鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架做碰撞檢查分析(見圖六)，找出所有的碰撞點，通過與設(shè)計院的溝通，排除了95%的碰撞隱患。
在排除了碰撞問題后，采光頂主龍骨與空間網(wǎng)架的連接方式，也是本工程設(shè)計的關(guān)鍵之處。采光頂主龍骨屬于附屬結(jié)構(gòu)，而空間網(wǎng)架的荷載只能作用在網(wǎng)架節(jié)點（詞條“節(jié)點”由行業(yè)大百科提供）上，所以設(shè)計院要求幕墻單位提供所需要的連接點的數(shù)量和位置，以便在鋼結(jié)構(gòu)上設(shè)計檁托，方便采光頂后續(xù)的施工(見圖七)。
采光頂?shù)倪B接位置達2500多個，(見圖八、圖九)如此多的連接位的設(shè)計將是一個難題，為了解決這個難題，設(shè)計師采用了參數(shù)化的設(shè)計方法，采用一定的算法，最終完成了連接位的全部設(shè)計。
2)、主次鋼龍骨設(shè)計及生產(chǎn)
通過前期主鋼龍骨與主體鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜空間網(wǎng)架的碰撞分析后發(fā)現(xiàn)，由于部分空間網(wǎng)架的節(jié)點球比較大，所以主鋼龍骨與空間網(wǎng)架節(jié)點球的碰撞不可避免。為了解決這個問題，必須確定每一根主鋼龍骨與主體鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點球的碰撞量和碰撞方式，對每一根主鋼龍骨做避位設(shè)計處理(見圖十)，保證主鋼龍骨在現(xiàn)場安裝時不會因為與節(jié)點球的碰撞而無法安裝，提前排除了現(xiàn)場安裝隱患，提高了安裝的效率，保證施工進度不受影響
采光頂次龍骨由于分格形式和連接方式的多樣形，采用了鋼鋁結(jié)合系統(tǒng)，為了提高施工效率和施工質(zhì)量，保證后續(xù)玻璃安裝工序的順利進行，設(shè)計深度不再只是停留在施工圖的階段，而是進一步的對次龍骨施工進行細致深入的研究和探討，由于次龍骨多根桿件交匯連接在一起，桿件相互之間的對接關(guān)系必須在建模階段逐個推算清楚，如果這種工作放在施工現(xiàn)場讓施工隊自行考慮，即存在材料切割錯誤、切割精度低等風(fēng)險，施工的質(zhì)量和效率也會大打折扣，不利于項目三大目標(biāo)的控制。為了達到想要的目標(biāo)，設(shè)計師采用裝配式建筑思維，運用BIM軟件對上萬支次龍骨進行了參數(shù)化建模，并依據(jù)模型繪制加工圖，現(xiàn)場每一根龍骨都先按照加工圖加工好，然后再逐個拼裝(見圖十一)。
3、鋁結(jié)構(gòu)采光頂系統(tǒng)分析
北京大興機場航站樓采光頂包含了8個特殊的鋁結(jié)構(gòu)采光頂，每個采光頂外觀呈氣泡狀，建設(shè)者們簡稱它們?yōu)椤皻馀荽啊薄馀荽安晒忭數(shù)奶厥庵幵谟冢慕Y(jié)構(gòu)體系全部為鋁合金結(jié)構(gòu)，大到工字鋁結(jié)構(gòu)，小到鋁合金副框。鋁結(jié)構(gòu)采光頂系統(tǒng)由工字型6082-T6鋁合金構(gòu)件（詞條“構(gòu)件”由行業(yè)大百科提供）、6082-T6鋁合金曲面節(jié)點圓盤和虎克螺栓組成，在鋁結(jié)構(gòu)的上方，是解決采光頂防水、遮陽、節(jié)能等功能的構(gòu)造系統(tǒng)，該系統(tǒng)由鋁合金附屬型材、鋁合金限位塊、鋁合金壓塊、緊固螺栓等構(gòu)件組成。(見圖十二)
鋁結(jié)構(gòu)采光頂由三角形網(wǎng)格組成，整體呈橢圓球面(見圖十三)。
1)、BIM分析
對于三角形玻璃組成的空間曲面，首先要從立體幾何學(xué)的角度分析清楚這種形式的空間曲面有哪些特征和規(guī)律，為后續(xù)的設(shè)計下單做好理論準(zhǔn)備.首先，構(gòu)成曲面的每一塊三角形都是一個平面，其次，通過分析發(fā)現(xiàn)，任意兩個相鄰平面三角形的交線形成了分格線，最后，交匯在一起的多個三角形平面的交點形成了采光頂?shù)姆指耥旤c。(見圖十四)
在得出以上結(jié)論后，在設(shè)計系統(tǒng)節(jié)點時就必須遵循上述特征和規(guī)律，做到心中有數(shù)。由于本項目采光頂外形特征為橢圓球面，相比較于標(biāo)準(zhǔn)球面，構(gòu)成橢圓球面的相鄰三角形平面之間的夾角不是一個定值，而是有一個變化區(qū)間，在系統(tǒng)設(shè)計時要參考這個區(qū)間，做出更合理的設(shè)計。為了得到這個區(qū)間，必須設(shè)計出一個解決這個問題的流程，通常把這個流程稱為算法。這個算法如何設(shè)計呢?首先，可以通過程序篩選出與每個平面三角形相鄰的三角形(見圖十五)，然后求出每個三角形與其相鄰三角形之間的夾角，最后對結(jié)果進行匯總排序，就可以得到這個區(qū)間。
有了算法以后，再用計算機語言將算法轉(zhuǎn)化為程序代碼，運行代碼即可得到三角形面板的夾角區(qū)間，再依據(jù)這個區(qū)間值設(shè)計最優(yōu)的節(jié)點系統(tǒng)。有了上面的理論依據(jù)，可以建立龍骨以及玻璃面板的BIM模型，然后通過模型提取數(shù)據(jù)，制作材料加工及采購單(見圖十六)。
2)、收邊鋁板設(shè)計及下單
異形曲面采光頂必定會伴隨著異形曲面形式的收邊收口，尤其是收邊鋁板的加工和安裝效果，決定了項目的施工質(zhì)量和施工進度，合理的設(shè)計與加工不僅僅提高了成品質(zhì)量，也大大節(jié)約了項目成本，更利于成本目標(biāo)的控制。本項目氣泡窗收邊鋁板的設(shè)計與下單，是當(dāng)前大多數(shù)類似工程項目的常見問題，收邊鋁板的原始模型為一個空間扭曲曲面(見圖十七)，如果按照原始幾何形態(tài)加工下單，面板形式為雙曲復(fù)雜曲面，加工難度高，加工量產(chǎn)成品率較低，加工成本高企，非常不利于項目目標(biāo)的控制，所以，要解決的問題是如何對收邊鋁板進行優(yōu)化，使板材更容易加工，即不影響原始設(shè)計所要達到的效果，也能有效降低成本，提高成品質(zhì)量。
首先要明確優(yōu)化目標(biāo)，第一，將曲面板優(yōu)化為平板。第二，優(yōu)化后面板接縫處會出現(xiàn)翹曲，翹曲不要大于20毫米。第三，優(yōu)化后的面板效果業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計方可以接受。為了達到上述目標(biāo)，設(shè)計師采用有限細分的思想，將收邊鋁板的分格長度控制到最接近原始曲面的長度，然后通過原始曲面的最接近平面面來重新建立收邊面板模型，由于將原始曲面的曲率全部解除，所以會存在面板尖角的翹曲問題，通過參數(shù)化設(shè)計優(yōu)化，動態(tài)調(diào)整分格參數(shù)，使最終的翹曲距離控制在目標(biāo)范圍內(nèi)，最終得到最優(yōu)收邊模型(見圖十八)。然后參照模型加工面板。通過最后的施工成品效果，驗證了最初的優(yōu)化是成功的。
經(jīng)過以上詳細的表皮分析和合理的連接構(gòu)造設(shè)計調(diào)整措施后，從鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、三角形玻璃拼裝及其鋁板收邊收口，大部分材料均按理論模型下單，既保證了進度，也完美地實現(xiàn)了建筑表皮效果，圖十九是三角形玻璃安裝過程，圖二十是完成后采光頂照片。
4、結(jié)束語
北京大興機場航站樓采光頂表皮設(shè)計采用了BIM技術(shù)對采光頂進行了形體分析和碰撞檢查，保證了鋁網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、三角形玻璃、收邊鋁板的設(shè)計下單都使用一定的工程設(shè)計算法，保證了表皮下單效率和加工質(zhì)量，在形體復(fù)雜的建筑項目表皮施工階段，通過先進的設(shè)計手段解決工程疑難問題，這才充分體現(xiàn)設(shè)計施工一體化的真正價值。新機場采光頂在屋面外圍護結(jié)構(gòu)（詞條“圍護結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）中具有面積大、曲面造型復(fù)雜、科技含量高等諸多特點，它與機場中央大廳以及C型柱完美結(jié)合已經(jīng)成為新機場一道亮麗的風(fēng)景線(圖二十一、二十二)。
參考文獻：
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[6] 《裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GBT 51232-2016
作者單位：深圳市三鑫科技發(fā)展有限公司
