大跨度弧形钢梁+双曲钛锌屋面施工技术

韩永伟

中国铁路北京局集团有限公司站房工程项目管理部 北京 100068

1 施工背景概述

京张高铁崇礼支线太子城站位于2022年北京冬奥会的主赛场地张家口市崇礼县，距离张家口市50km，距离崇礼县城15km，为冬奥会的配套工程，届时将作为冬奥会的主要交通枢纽和颁奖仪式的背景建筑。车站设三台四线，站房为线侧下式小型站房，站房总建筑面积12000m2，为地下一层、地上一层、局部设置夹层，面宽222m，进深27m，高度16.8m。地下一层建筑面积6000m2，为奥运期间换乘中心兼临时候车室，并设置铁路文化展厅，两侧为临时售票厅、旅客服务及相关设备用房，运动员可通过进站快速通道的楼扶梯到达地面层进站；一层建筑面积4300m2，为普通旅客提供候车、进站服务，候车厅两侧分别设置售票厅及设备用房；夹层建筑面积1700m2，为商务候车厅[1]。

太子城站是世界上首个直通奥运赛场的高铁站。车站设计充分尊重自然，尽可能保留自然景观资源。站房建筑外形为月牙形双曲落地，站台雨棚以白色为主、基调与周边山体和环境自然融合，附属房屋屋面采用折板外形与周边配套建筑彼此呼应，让“建筑融于山、建筑融于水”。鸟瞰太子城就像一块镶嵌于山中的美玉，又如一颗晶莹剔透的明珠。站房设计寓意“无界共享”，主要体现建筑与自然、中西文化、奥林匹克精神的共存，诠释了“百年京张、天地合德”的京张文化。充分体现了“畅通融合、绿色温馨、经济艺术、智能便捷”的高铁站房建设理念。

太子城站站房金属屋面总建筑面积6270m2，车站采用双曲弧线造型，曲线形式与周围山势相呼应，双曲屋面直接落地，建筑造型与周边环境自然融合，减少对周边环境的影响，充分尊重自然，体现山地建筑，绿色建筑特色，通过铝镁锰与钛锌屋面板的有效结合，利用材料自身的特点（耐久性、安全性、自洁性、环保性等），可有效地补充因当地气候寒冷所带来的不足；在后期维护时，因其不需要着色，灰色调贯穿整个建筑物的生命，自愈性强等特点，达到高效、经济、美观等效果。

图1 太子城站鸟瞰图

屋面从中部逐渐向两侧端部对称自然收敛，面层为钛锌复合装饰板，在国内高铁站房是首次应用。工程设计造型复杂，施工难度大，具有以下特点：①站房屋面钛锌板覆盖面积6270m2，高大空间曲面4980块面板外形尺寸均不相同，表面曲率各异，加工难度大，安装精度要求高；②进口钛锌面板复合加工工艺复杂；③钢结构主体施工误差和变形对屋面三维坐标控制影响大。

1.1 模型建立、方案先行

为保证双曲钛锌屋面的顺利实施，建立建筑信息BIM模型，借助BIM技术手段，通过对大跨度弧形梁、铰支座等重要构件深化设计，利用BIM技术进行施工模拟，研究制定可行性施工方案，采用Revit和MagiCAD软件，对有特殊要求的部位对管线进行校核和碰撞试验，减少水、电、暖、通、消、FAS、BAS等多个专业在施工过程中的冲突，确保双曲屋面板的整体空间效果及使用功能，通过采用国内外比较先进，技术成熟的直立锁边屋面系统，对屋面分格图、节点大样图、剖示图及施工加工图深化节点设计，绘制出钛锌复合装饰板外形准确尺寸的加工图，保证屋面板的加工尺寸标准。

1.2 以栓代焊、精准定位

利用Tekla软件对大跨度弧形梁进行整体建模，合理分段，采取超长弧形梁分段制作现场整体拼装模式。每个分段对接口采用法兰板加螺栓固定方式，制作时利用专用胎具对弧形梁弧度尺寸进行精确控制。现场拼装利用专用胎具进行，分段间用法兰板临时连接后，通过复核每段弧形梁两端及跨中标高、每两段弧形梁和整体弧形梁下弦口弦长尺寸符合图纸要求后，将螺栓紧固后焊接成整体。现场分段组拼完成后，结合BIM技术进行弧形梁受力计算，确定钢结构梁的合适吊点，利用大吨位吊车整体安装，先将梁底部与铰支座利用销轴连接，以销轴为轴，然后调整梁顶部标高使其与钢柱预留接口精确定位安装，减少单根弧形梁焊接所带来的弊端，缩短了工期[2]。

1.3 点云技术、精度控制

由于从主体钢结构网架施工到屋面结构做法的全过程施工质量精度控制对最后的表层钛锌板的安装精度影响很大，所以必须通过精准的测量仪器对高大空间屋面的坐标位置变化进行有效掌控。应用3D点云测量仪器及其配套软件，结合激光测量和摄影测量原理得到点云，包括三维坐标（XYZ）、激光反射强度（Intensity）和颜色信息（RGB）。在获取车站站房屋面表面每个采样点的空间坐标后，得到的是一个点的集合，与之前应用BIM建立的屋面模型进行对照比较，从而可以修正在施工过程中各点具体实际位置的变化，以指导屋面钛锌板的测量放线、单元板加工、现场安装等。使用智能3D点云测量扫描仪器，能够快速准确测量和形成实时建筑的三维坐标，保证了施工测量和误差控制精度。

图2 钢屋架模型建立

图3 弧形钢梁分段拼装

图4 图室内吊车站位示意

图5 3D点云扫描测量

1.4 以折代曲，精细组装

图6 铝镁锰屋面安装图

钛锌板单元即单块钛锌复合板及其封边、框架、可调节支 座等部分。按照以折代曲的设计理念，将屋面板分为4980块单独板，对各板块单独编号组装。先在铝镁锰合金屋面上安装钛锌屋面面板的龙骨体系，龙骨体系起到整体钛锌屋面板的控制定位和固定支撑作用。龙骨体系通过专用特制的夹具支架固定在铝镁锰合金屋面直立锁边立边上，牢固可靠。龙骨体系与这些支架连接固定形成预期的网格分布，然后钛锌面板即可按照预先编号对号入座安装就位。钛锌屋面板单元，由专用卡具和支座将单元板固定在屋面龙骨体系上，能够通过支座调节高度使整体屋面达到圆顺，还可以单独拆卸，方便维修清理。钛锌板自地面调运至屋面采用人工配合机械吊运。在侧边檐口用钢管焊接临时龙门架，人工用滑轮和缆绳将铝板拉运至屋面。机械吊运采用汽车吊和利用现场主体施工用的塔吊将铝板直接吊运至屋面，每次吊运时必须保证铝板绑扎牢固无松散，钢丝缆对铝板无损伤。屋面板吊运至屋面后分散堆放，避免过于集中地堆放，且不能将棱角搁置于下层屋面板上，防止造成下层板变形。对暂时不安装的铝板必须用缆绳固定于结构上，防止大风吹落。钛锌板的固定采用自攻螺丝与骨架结构相连，做到每个固定点必须有螺丝固定，不允许有跳打现象。在屋面板安装完成后通过四个角部的可调支座对屋面的整体曲率进行调整，实现屋面体系的整体圆顺[3]。

图7 钛锌板屋面安装图

2 结束语

钢屋盖采用大跨度弦支穹顶与叠拱组合结构。这种新型结构体系由于其叠拱跨度大、安装高度高、网壳安装、预应力索张拉、施工周期紧等结构特点，施工难度较大。堆叠拱采用临时支撑架、分段吊装、高空拼接施工方法安装，全支撑、高空展开作业方法安装网壳拱顶。对支承体系进行了空间结构分析，采用有限元软件对钢结构屋盖体系的安装过程进行了模拟分析。同时利用精密仪器和设备对顶板结构进行应力和变形监测。因此，施工安全和质量得到了保证。