铜仁凤凰机场异形金属屋面设计与施工解析.pdf

文章编号：１00９４５３９（２0１７）0４0１１３0５·房建工程·收稿日期：２0１７0２２１作者简介：邢世春（１９７７-），男，工程师，主要从事建筑装饰及建筑幕墙设计与施工。铜仁凤凰机场异形金属屋面设计与施工解析邢世春（中铁建设集团有限公司北京１000４３）摘要：本文讲述了贵州铜仁凤凰机场工程异形金属屋面项目的设计全过程，从问题提出、系统设计、方案论证、加工制造、现场安装等五大方面来进行解析，总结出异形金属屋面的一些设计经验和现场安装的技术要点，以资交流。关键词：异形金属屋面铝复合板参数化下单双道胶中图分类号：ＴＵ２08；ＴＵ７４５文献标识码：ＡＤＯI：１0.３９６９／ｊ.ｉｓｓｎ.１00９-４５３９.２0１７.0４.0２６ＤｅｓｉｇｎａｎｄＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＡｎａlｙｓｉｓｏｎＳｐｅｃｉａl-ｓｈａｐｅｄＭｅｔａlＲｏｏｆｉｎｇｏｆＴｏｎｇｒｅｎＦｅｎｇｈｕａｎｇＡｉｒｐｏｒｔＸｉｎｇＳｈｉｃｈｕｎ（ＣｈｉｎａＲａｉlｗａｙＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＧｒｏｕpＣｏ.Ｌｔｄ.，Ｂｅｉｊｉｎｇ１000４３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓpａpｅｒｄｅｓｃｒｉｂｅｄｔｈｅｗｈｏlｅpｈａｓｅｏｆｔｈｅpｒｏｊｅｃｔｄｅｓｉｇｎｏｆｓpｅｃｉａl-ｓｈａpｅｄｍｅｔａlｒｏｏｆｉｎｇｉｎＧｕｉｚｈｏｕＴｏｎｇｒｅｎＦｅｎｇｈｕａｎｇＡｉｒpｏｒｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｉｔｗａｓａｎａlｙｚｅｄｉｎｆｉｖｅａｓpｅｃｔｓｆｒｏｍｔｈｅpｒｏｂlｅｍpｒｏpｏｓａl，ｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎ，pｒｏｊｅｃｔａｒｇｕｍｅｎ-ｔａｔｉｏｎ，ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇａｎｄｉｎｓｔａllａｔｉｏｎ，ａｎｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｓｏｍｅｅｘpｅｒｉｅｎｃｅｓａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａlpｏｉｎｔｓｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｎｓｔａllａｔｉｏｎｏｆｓpｅｃｉａl-ｓｈａpｅｄｍｅｔａlｒｏｏｆｉｎｇ，ｈｏpｉｎｇｔｏpｒｏｍｏｔｅｔｈｅｉｎｔｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｍｏｎｇｃｏｕｎｔｅｒpａｒｔｓｉｎｔｈｉｓｉｎｄｕｓｔｒｙ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓpｅｃｉａl-ｓｈａpｅｄｍｅｔａlｒｏｏｆｉｎｇ；ａlｕｍｉｎｕｍｃｏｍpｏｓｉｔｅplａｔｅ；pａｒａｍｅｔｒｉｃｏｒｄｅｒ；ｄｏｕｂlｅｃｈａｎｎｅlｇlｕｅ１引言铜仁凤凰机场地处黔、湘两省交界处，距贵州省铜仁市２１ｋｍ，距湖南省凤凰县城３0ｋｍ。机场始建于１９５8年，１９９8年改扩建后为４Ｃ级民用机场。铜仁凤凰机场航站区改扩建工程总建筑面积１１88７.３５ｍ２，其中新航站楼９５７５.8１ｍ２，老航站楼２３１１.５４ｍ２，总高度１９.９ｍ。地上两层，设计使用年限为５0年。工程总承包为惟邦环球建筑设计（北京）事务所，施工总承包为中铁建设集团有限公司。本文介绍机场航站楼国内港金属屋面工程，其金属屋面为扭曲造型，局部为双曲面，钢结构为焊接球网架结构，屋面展开面积达７000多ｍ２。外观效果图见图１。图１机场效果图（西立面）２问题分析２.１招标方案本工程屋面主体结构为球形网架结构。屋面长１５0ｍ，宽４５ｍ，呈扭曲状，当时的招标方案是全玻璃屋面，采光区为中空夹胶玻璃（１0＋１６Ａ＋５＋0.７６ＰＶＢ＋５），见图２，非采光区为１0ｍｍ单片钢化玻璃加保温岩棉，见图３。单块玻璃长宽均约２ｍ，单块面积超过４ｍ２。３１１铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２0１７（0４）万方数据·房建工程·图２采光区（单位：ｍｍ）图３非采光区（单位：ｍｍ）２.２存在问题通过分析，本招标方案存在的问题主要在非采光区，问题如下：（１）采用１0ｍｍ单片钢化玻璃，即使采用均质处理，也会存在自爆隐患。（２）单块玻璃面积超过４ｍ２，远远超过规范［１］要求的２.５ｍ２。（３）玻璃与岩棉紧贴是不正确的，规范［２］要求，玻璃与背面的保温体之间至少要保证５0ｍｍ的空气腔。（４）由于玻璃底部衬有岩棉，人在室内无法及时发现玻璃破裂，岩棉就会在雨水的浸泡下逐渐压垮背面的穿孔铝板导致整体坍塌。（５）由于屋面为扭曲结构，玻璃面板被四边形划分导致玻璃出现翘角现象。这样就会为安装带来很大的难度。３系统设计通过以上问题分析，一开始倾向于采用直立锁边铝镁锰金属屋面方案，考虑到本项目屋面造型过于奇特，而且屋面还有很多的采光孔。直立锁边咬合屋面系统满足不了本项目的设计要求。通过多方论证，最后采用如下系统方案，见图４。图４非采光区节点（单位：ｍｍ）除龙骨系统采用原招标方案的80×80×４ｍｍ的钢方管，其他修改如下：（１）原方案的１0ｍｍ的钢化玻璃改为３ｍｍ厚铝单板。规范［３］要求室外铝板的厚度不能低于２.５ｍｍ。（２）玻璃岩棉由原方案的４0ｍｍ厚改为１00ｍｍ厚，以满足建筑节能的需要。（３）底部穿孔铝板由0.５ｍｍ厚改为２ｍｍ厚，内衬无纺布。（４）板块之间的拼缝改为双道胶缝。４方案论证本系统存在如下优点：（１）铝单板不存在自爆隐患。而且铝单板表面采用ＦＥＶＥ氟碳烤漆处理［４］，使用寿命超过２５年。（２）解决了原玻璃面板单块面积超大的问题。（３）铝单板与保温岩棉可以很好地复合于一体。（４）铝单板相对玻璃，属于柔性材料，即使存在翘角问题，也可以通过平面外的冷弯工艺将其安装到位。（５）通过计算，加厚岩棉，将其热工性能提高，以满足规范对外墙Ｋ（传热系数）值要求。铜仁属于夏热４１１铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２0１７（0４）万方数据·房建工程·冬冷地区，其屋面Ｋ值要求［５］不高于0.４Ｗ／（ｋ·ｍ２）。（６）加厚底部穿孔铝板到２ｍｍ，保证其底部的平整度。（７）通过两层板中间的铝龙骨加强筋，将面板和底板连接为一体，增强板块的整体强度和刚度，以保证面板和底板的平整度。（8）板块之间的拼缝改为上下两道胶缝。密封材料采用单组分，中性固化，高位移能力硅酮耐候密封胶（±５0级）［６］，待第一道胶缝经淋水试验，满足试验要求后，方可打第二道胶。（９）板块与龙骨的连接采用定距压块的方式，机械固定，以释放板块平面内的热变形［７］。以上系统方案通过理论计算、专家论证及样板验证，被证明是行之有效的。５加工制造施工现场被划分成若干区域，每个区域待80×图５分格尺寸80×４ｍｍ的钢方管安装完成之后，由施工技术人员现场返尺，每个四边形板块需要返回六个尺寸，见图５。由四条边和其中一条对角线，可以通过公式计算出另外一条对角线的长度。然后与现场返回的尺寸进行对比，就可以发现现场返尺的准确度，一旦发现尺寸偏差过大，就会要求现场复尺，通过此方式可以减少现场返尺的错误率［8］。本方法被证明是行之有效的。本工程屋面有近３000多板块，由于屋面为异形扭曲状，导致每个板块的尺寸与形状各异。这就带来一个下单的问题。如果每个板块都采用ｃａｄ画图的方式来下加工图，工作量会非常大，而且极易出错。针对此问题，采取参数化的方式进行下单。将铝复合板分成面板、穿孔底板、加强筋三部分。面板和底板用边长和对角线来控制下单尺寸。边长和对角线都可以通过公式的方式在ｅｘｃｅl软件里列表计算。加强筋的长度和切角也采用同样的方式在ｅｘｃｅl软件里算出。见表１、２、３、４。例如，现场返回点中心测量尺寸，四条边（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ），两条对角线（Ｅ，Ｆ）。如果胶缝是Ｔ，那么对应的面板的四条边和边长就是：Ａ１＝Ａ-0.５×Ｔ×ｃｔｇ（0.５×ａｒｃｃｏｓＡ２＋Ｄ２-Ｅ２２ＡＤ）-0.５×Ｔ×ｃｔｇ（0.５×ａｒｃｃｏｓＡ２＋Ｂ２-Ｆ２２ＡＢ）Ｂ１＝Ｂ-0.５×Ｔ×ｃｔｇ（0.５×ａｒｃｃｏｓＡ２＋Ｂ２-Ｆ２２ＡＢ）-0.５×Ｔ×ｃｔｇ（0.５×ａｒｃｃｏｓＢ２＋Ｃ２-Ｅ２２ＢＣ）Ｃ１＝Ｃ-0.５×Ｔ×ｃｔｇ（0.５×ａｒｃｃｏｓＢ２＋Ｃ２-Ｅ２２ＢＣ）-0.５×Ｔ×ｃｔｇ（0.５×ａｒｃｃｏｓＣ２＋Ｄ２-Ｆ２２ＣＤ）Ｄ１＝Ｄ-0.５×Ｔ×ｃｔｇ（0.５×ａｒｃｃｏｓＡ２＋Ｄ２-Ｅ２２ＡＤ）-0.５×Ｔ×ｃｔｇ（0.５×ａｒｃｃｏｓＣ２＋Ｄ２-Ｆ２２ＣＤ）Ｅ１＝Ａ２１＋Ｄ２１-Ａ１×Ｄ１×Ａ２＋Ｄ２-Ｅ２√ＡＤＦ１＝Ｃ２１＋Ｄ２１-Ｃ１×Ｄ１×Ｃ２＋Ｄ２-Ｆ２√ＣＤ表１板块中心测量尺寸工程名称铜仁凤凰机场航站区改扩建工程板块编号中心测量尺寸／ｍｍＡＢＣＤＥＦＦ算ＴＲ0２Ｍ１0９２６９５９３0２６8２９２３２8５0２8３９２8３７ＴＲ0２Ｍ１１0２６8２２000２６４５１９９９３３４３３３１９３３１8ＴＲ0２Ｍ１１１２６４５２00２２６６５２008３３１8３３４0３３３６ＴＲ0２Ｍ１１２２４80９３0２４９0９３0２６６４２６４４２６４３ＴＲ0２Ｍ１１３２４９0２00３２５0３２000３２２３３１７8３１７６ＴＲ0２Ｍ１１４２４９５９４0２５0２９３0２６７２２６６３２６６３ＴＲ0２Ｍ１１５２５0２２008２５0７２00３３２２２３１９５３１９５表２铝板规格尺寸铝单板清单工程名称铜仁凤凰机场航站区改扩建工程铝板编号铝板规格尺寸／ｍｍＭ（金属板块）Ａ１Ｂ１Ｃ１Ｄ１Ｅ１Ｆ１ＴＲ0２Ｍ１0９＋Ａ２６７0９0５２６５７8９8２8１8２80６ＴＲ0２Ｍ１１0＋Ａ２６５７１９７５２６２0１９７４３３08３２8３ＴＲ0２Ｍ１１１＋Ａ２６２0１９７７２６４0１９8３３２8３３３0１ＴＲ0２Ｍ１１２＋Ａ２４５５９0５２４６５９0５２６３２２６１１ＴＲ0２Ｍ１１３＋Ａ２４６５１９７8２４７8１９７５３１88３１４１ＴＲ0２Ｍ１１４＋Ａ２４７0９１５２４７７９0５２６４0２６３１５１１铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２0１７（0４）万方数据·房建工程·表３穿孔铝板规格尺寸穿孔铝板清单工程名称铜仁凤凰机场航站区改扩建工程穿孔板编号铝板规格尺寸／ｍｍＭ（金属板块）Ａ２Ｂ２Ｃ２Ｄ２Ｅ２Ｆ２ＴＲ0２Ｍ１0９＋Ｂ２６１08４６２５９９8３９２７４３２７３２ＴＲ0２Ｍ１１0＋Ｂ２５９７１９１６２５６２１９１５３２２５３２0１ＴＲ0２Ｍ１１１＋Ｂ２５６１１９１8２５8１１９２４３２0１３２１8ＴＲ0２Ｍ１１２＋Ｂ２３９６8４６２４0６8４６２５５５２５３６ＴＲ0２Ｍ１１３＋Ｂ２４0６１９１９２４１９１９１６３１0４３0５９ＴＲ0２Ｍ１１４＋Ｂ２４１１8５６２４１88４６２５６４２５５６ＴＲ0２Ｍ１１５＋Ｂ２４１8１９２４２４２３１９１９３１0３３0７７表４杆件加工尺寸铝材加工清单工程名称铜仁凤凰机场航站区改扩建工程铝材编号型材模号边框尺寸／ｍｍ切角长度／ｍｍ加工图Ｍ（金属板块）ＷＷ１Ｗ２ＴＲ0２Ｍ１0９＋Ｃ0１ＳＸ-ＴＲＪＣ0４２６６３３8３９ＪＧＣ00１ＴＲ0２Ｍ１１0＋Ｃ0１ＳＸ-ＴＲＪＣ0４２６５0３8３９ＪＧＣ00１ＴＲ0２Ｍ１１１＋Ｃ0１ＳＸ-ＴＲＪＣ0４２６１３３8３8ＪＧＣ00１ＴＲ0２Ｍ１１２＋Ｃ0１ＳＸ-ＴＲＪＣ0４２４４8３７３8ＪＧＣ00１ＴＲ0２Ｍ１１３＋Ｃ0１ＳＸ-ＴＲＪＣ0４２４５8３７３8ＪＧＣ00１ＴＲ0２Ｍ１１４＋Ｃ0１ＳＸ-ＴＲＪＣ0４２４６３３8３8ＪＧＣ00１ＴＲ0２Ｍ１１５＋Ｃ0１ＳＸ-ＴＲＪＣ0４２４７0３8３8ＪＧＣ00１以上表中，仅仅在表１中输入原始数据，其他的各张表（表２至表４）均由算法自动计算得到。通过参数化的方式下单，我们拿到现场返回的分格尺寸，就可以快速地判断返尺是否正确，然后第一时间将订单下到供货商。降低了设计人员的工作强度，同时也避免了出错率，也就相应地提高了工作效率。６现场安装屋面复合板分区加工完成后，根据面板编号图，工人通过吊车吊运至屋面中转平台，再从中转平台分运到相应的工位。前面讲到由于屋面是扭曲形状，板块为四边结构，不可避免地在有些部分存在一个角不共面，即翘角现象［９］。为解决不共面的现象，通过犀牛软件对整个屋面进行分析，将翘角情况分为三个等级：等级一：翘角尺寸≤５0ｍｍ；等级二：５0ｍｍ＜翘角尺寸≤１00ｍｍ；等级三：翘角尺寸＞１00ｍｍ。对于等级一的铝复合板，由于铝复合板本身是一个柔性材料，具有一定的延展性。安装时，在固定了两个边后，对于翘起的那个角，只需要给一个适度的力，就可以将复合板压合到屋面龙骨上，然后多点固定。对于给定的这个力，是需要通过计算得出，保证螺钉的设计抗拉力在减掉这部分翘曲力后还要满足抵抗风荷载产生的平面外荷载。对于等级二的铝复合板，由于翘角相对较大，简单的施加平面外的荷载已经不能将板块压合到龙骨上。在这种情况下，就需要改变复合板内部的加强筋的布置方式。通过加筋对铝板性能的影响分析并结合相关资料［１0-１２］，采用将加强筋由垂直于边部的方式改为和其中一个对角线平行的方式来固定。这样就加大了铝复合板平面外的调整度。实践证明，效果很好。对于等级三的铝复合板，由于翘角非常大，通过改变加筋已经不能满足安装条件。通过分析，针对这部分的面板，我们采用折面铝复合板。就是将面板沿其中一个对角线折一个很小的角度，使其翘起的那个角能够贴合龙骨。当然背板也相应地沿对角线折面，内部的加强筋平行对角线布置。通过此种方式，解决了大翘角的复合板的安装。最终完成效果见图６、图７。总体效果优良。图６屋面复合板安装后实景图７屋面遮阳板安装后实景７结论对于这种大型的金属板屋面体系，系统设计非常重要。本系统采用铝复合板结构，将大量加工作业下放到加工厂，现场安装工程量及强度减到最少，这样施工质量和施工周期能够有效保障。由于是异形屋面，参数化下单非常重要。通过参数化下单，可以有效提高设计人员工作效率，达到事半功倍的效果。对于异形金属屋面，要充分利用金属板材料本身的特性，通过不同的设计方式满足异形屋面对尺寸和角度的要求。实现用平板拟合单曲或者双曲，６１１铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２0１７（0４）万方数据·房建工程·可以大大地降低材料成本和施工成本。参考文献［１］中华人民共和国住房和城乡建设部.ＪＧＪ２５５-２0１２采光顶与金属屋面技术规程［Ｓ］.北京：中国建筑工业出版社，２0１２：９.［２］中华人民共和国住房和城乡建设部.ＪＧＪ１１３-２0１５建筑玻璃技术规程［Ｓ］.北京：中国建筑工业出版社，２0１５：１６.［３］中华人民共和国住房和城乡建设部.ＪＧＪ１３３-２00１金属与石材幕墙工程技术规范［Ｓ］.北京：中国建筑工业出版社，２00１：8.［４］刘伟，李运德.铝单板喷涂ＦＥＶＥ氟碳烤漆的研制［Ｊ］.涂装指南，２0１0（７）：３-６.［５］中华人民共和国住房和城乡建设部.ＧＢ５0１8９-２0１５公共建筑节能设计标准［Ｓ］.北京：中国建筑工业出版社，２0１５：１0.［６］王金辉，崔洪，张燕红.ＭＦ8９8超高性能大伸长率密封胶的性能与应用设计［Ｊ］.化学建材，２00７（６）：４0-４２.［７］陈建新.幕墙金属面板热变形分析［Ｊ］.门窗，２00７（8）：５-8.［8］王德勤，张洋，杨涛，等.鲁台经贸中心-会展中心异型金属屋面鱼鳞状外装饰铝板施工技术［Ｊ］.中国建筑防水，２0１２（２３）：９-１３.［９］王德勤.异型金属板屋面和幕墙设计难点解析［Ｊ］.中国建筑防水，２0１３（２３）：１１-１６.［１0］宋海罡，张玉伟，孙华东.铝单板加强肋布置及受力的分析［Ｊ］.门窗，２008（５）：４９-５３.［１１］崔浩.采用优化理论改进幕墙铝单板设计方法［Ｊ］.河南建材，２0１６（４）：１９-２１.［１２］杨蓉.不同支承型式矩形铝单板强度计算方法的分析［Ｊ］.中国建筑金属结构，２0１３（２）：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪１４-１５.《隧道掘进聚能水压光面爆破新技术》科技成果鉴定会在天津召开２0１７年４月１７日，由中铁十八局集团有限公司和中铁十八局集团第五工程有限公司为主要单位研究开发的《隧道掘进聚能水压光面爆破新技术》科技成果通过了天“津市科委组织的科研成果鉴定，总体研发水平达到了国”际领先水平。会议由天津市科委主持，专家组成员邀请了目前我国隧道领域内权威专家史玉新大师、刘培硕大师，爆炸领域内知名专家丁雁生研究员、陈成光教授、顾毅成研究员等，中国铁建股份有限公司的娄德兰教授级高级工程师，以及天津市土木工程和市政工程领域的曹诚、贾明浩教授级高级工程师、珠海爆破专家郑长青教授级高级工程师。课题组成员汇报该成果在实际工程中研究与应用情况后，与会的各位专家提出疑问，由该技术的发明人、课题组顾问、国家级爆破专家何广沂教授进行解答，之后各位专家经过热烈的讨论，最终一致认为该项成果创新性高，可操作性强，技术先进，经济效益和社会效益明显，推广价“”值高，总体研发水平达到了国际领先水平。主要鉴定意见：（１）该项目技术资料齐全，数据翔实可靠，符合鉴定要求。（２）课题组以工程为依托，自主研发“”“”聚能管和水袋组成的新型装药结构，具有创新性。这项新技术，经过实际应用，光爆炮眼数量减少５0％左右，围岩质量得到了更好的保证，减少超欠挖，具有良好的经济效益，与常规光面爆破相比可节省周边眼钻爆成本３３％左右，并显著降低初喷混凝土成本。（３）该项创新技术，除具有常规光面爆破的应力波和气体准静态作用外，还增添了“”高温高压定向聚能效应和水楔效应作用，从而解决了常规光面爆破存在周边眼布设过密的难题。《隧道掘进聚能水压光面爆破新技术》于２0１５年初立项研发，依托于中铁十八局集团第五工程有限公司承建的宝汉高速公路坪坎至汉中（石门）段ＰＨ-１３合同段石门特长隧道工程，该成果对传统的光面爆破装药结构进行了创新研究，打破了光爆炮眼间距为４0～５0ｃｍ的限值，达到了１00ｃｍ“”“”左右，与水袋和炮泥相结合，组成了全新的装药结构。施工中应用该成果，减少了光爆眼的打眼时间和数量，提高了光面爆破效果，降低了初喷混凝土的用量，为项目节约了经济成本。同时降低了洞内粉尘，改善了施工作业环境，保护了施工人员的身体健康，对该成果的全面推广做出了示范与榜样。（供稿人：赵帮轩）７１１铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２0１７（0４）万方数据