王青衣，李滇，宋新宇，王超，梁云東

（1. 中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 建筑設(shè)計(jì)研究院，天津 300308；2. 建研科技股份有限公司 工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)院，北京 100013；3. 國(guó)家建筑工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

作為高速鐵路的重要交通樞紐，高鐵站房的優(yōu)化建設(shè)是提升服務(wù)品質(zhì)和經(jīng)營(yíng)效益的重要手段。圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為高鐵站房的重要構(gòu)成，是減小建筑能耗、提升建筑品質(zhì)的突破口。傳統(tǒng)的建筑材料和技術(shù)無(wú)法滿足現(xiàn)代建筑綠色節(jié)能、低碳環(huán)保的基本理念，需要在圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中合理運(yùn)用新材料、新技術(shù)，以便在滿足建筑外觀和功能需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展［1］。

北京朝陽(yáng)站工程是中國(guó)“十三五”規(guī)劃重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，詳細(xì)介紹該高鐵站房工程外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所運(yùn)用的關(guān)鍵技術(shù)，可為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

北京朝陽(yáng)站站房工程位于北京市東北部四五環(huán)之間，是京哈高鐵的起點(diǎn)站（見圖1）。北京朝陽(yáng)站工程主要包括以下幕墻系統(tǒng)：（1）屋面系統(tǒng)；（2）鋁單板幕墻系統(tǒng)；（3）無(wú)橫梁明框幕墻系統(tǒng)；（5）折線形全玻幕墻系統(tǒng)；（6）陶板幕墻系統(tǒng)；（7）采光頂系統(tǒng)；（8）明框幕墻系統(tǒng)；（9）候車廳內(nèi)站臺(tái)入口幕墻系統(tǒng)；（10）百葉、門斗、雨棚、公交站棚等系統(tǒng)。其中，屋面系統(tǒng)中考慮了抗風(fēng)揭、防雪落、防冰凌、防雷、防墜落等復(fù)雜因素設(shè)計(jì)；無(wú)橫梁明框幕墻系統(tǒng)為鐵路站房首次采用的幕墻體系；而折線形全玻幕墻則在全國(guó)范圍內(nèi)首次大范圍應(yīng)用。這3個(gè)系統(tǒng)是本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)，同時(shí)也是技術(shù)難點(diǎn)，需要合理運(yùn)用新材料、新技術(shù)以完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

2 屋面系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 方案選型與設(shè)計(jì)

北京朝陽(yáng)站站房工程屋面系統(tǒng)由金屬屋面系統(tǒng)、采光天窗系統(tǒng)以及玻璃幕墻系統(tǒng)組成。金屬屋面系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的鋁鎂錳直立鎖邊系統(tǒng)，通過使用專業(yè)的立邊和咬合設(shè)備，在沿著板條長(zhǎng)度方向上將2 塊板的立邊相咬合，從而將屋面或墻面連接成一個(gè)整體。該系統(tǒng)可大幅節(jié)省安裝時(shí)間；對(duì)于面積較大的屋面或墻面，采用該系統(tǒng)也可有效降低成本。本項(xiàng)目的雙坡屋面造型規(guī)則而寬廣，為直立鎖邊屋面系統(tǒng)的應(yīng)用提供了有利條件。

采光天窗系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中，天窗頂部為固定部分，起采光作用。側(cè)立面為開啟扇，下懸外倒排煙窗。頂部玻璃采用單坡設(shè)計(jì)，有利于排水。側(cè)面玻璃距離金屬屋面550 mm，防止溢水。采光天窗頂部和立面均采用TP8+12A+HS6+1.52PVB+HS6 夾膠中空雙銀LOW-E玻璃，且均為隱框幕墻系統(tǒng)，分格尺寸為2 000 mm×1 500 mm。此種玻璃不僅具有良好的保溫隔熱性能，采用半鋼化玻璃也可有效降低玻璃自爆風(fēng)險(xiǎn)，內(nèi)側(cè)夾膠片還能防止玻璃墜落。頂面玻璃下側(cè)設(shè)置鋼絲網(wǎng)，起進(jìn)一步防護(hù)作用。幕墻開啟部分采用氣動(dòng)推桿，最大開啟角度為70°，與消防聯(lián)動(dòng)。直立鎖邊屋面系統(tǒng)和采光天窗系統(tǒng)材料選擇見圖2。

圖2 直立鎖邊屋面系統(tǒng)和采光天窗系統(tǒng)材料選擇

除上述系統(tǒng)外，屋面排水系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)也十分重要。本工程屋面排水系統(tǒng)采用不銹鋼排水槽。為減少漏水隱患，屋面所有排水溝均布置于幕墻完成面之外。排水溝寬1 000 mm，深約600 mm，底板設(shè)置滿鋪電伴熱。排水方式采用虹吸排水系統(tǒng)，并設(shè)置溢流雨水斗，落水管從室內(nèi)沿幕墻立柱布置。此外，屋面系統(tǒng)中，屋脊處采用專業(yè)打折工藝屋脊蓋板；屋面邊緣采用單層鋁板收口，鋁板向內(nèi)有坡度排水，防止冬季檐口產(chǎn)生冰凌。

2.2 金屬屋面抗風(fēng)揭設(shè)計(jì)

本工程采用的直立鎖邊金屬屋面具有自重輕、強(qiáng)度高、施工方便、防水性能好等優(yōu)點(diǎn)，在大跨度屋面系統(tǒng)中廣泛使用。但由于其板面連接部位采用機(jī)械咬合連接，因此其抗風(fēng)揭性能相比于抗風(fēng)壓性能更弱。近年來(lái)，直立鎖邊金屬面板被大風(fēng)掀起的工程事故屢見不鮮，對(duì)客流量龐大的高鐵站房來(lái)說，抗風(fēng)揭性能不足無(wú)疑是危及人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全的一大隱患。

為解決上述問題，本工程金屬屋面系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)參考風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，大面積布置了抗風(fēng)夾，并通過抗風(fēng)揭試驗(yàn)測(cè)試了無(wú)抗風(fēng)夾和有抗風(fēng)夾情況下直立鎖邊金屬屋面的抗風(fēng)揭性能。結(jié)果表明，無(wú)抗風(fēng)夾樣品的抗風(fēng)揭強(qiáng)度為2.9 kPa，而有抗風(fēng)夾樣品的抗風(fēng)揭強(qiáng)度為5.7 kPa，與無(wú)抗風(fēng)夾設(shè)計(jì)樣品相比強(qiáng)度提升了近1 倍，展現(xiàn)出優(yōu)越的抗風(fēng)揭性能。

2.3 金屬屋面其他關(guān)鍵設(shè)計(jì)

除抗風(fēng)揭設(shè)計(jì)外，金屬屋面的防墜落、擋雪和防雷設(shè)計(jì)對(duì)提高屋面系統(tǒng)安全性能、保障建筑使用功能也起到了至關(guān)重要的作用。本工程屋面系統(tǒng)中，屋面四周設(shè)置了防墜落鋼索，采用φ8 mm 鋼絲繩，每5 m設(shè)置1 處固定點(diǎn)。屋脊斜面位置，約每7 m 設(shè)置1 道擋雪系統(tǒng)，擋雪系統(tǒng)采用60 mm×2 mm 鋁合金擋雪桿及2 mm厚鋁合金擋雪板。擋雪系統(tǒng)通過夾具與鎖邊連接，對(duì)屋面抗風(fēng)揭起到有利作用。金屬屋面防雷設(shè)計(jì)依據(jù)GB 50057—1994《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》，根據(jù)規(guī)范的分類范圍和建筑物特點(diǎn)，本工程屋面防雷設(shè)計(jì)為二類防雷，防雷分布點(diǎn)10 m×10 m。金屬屋面作為防雷接閃器，通過檁條與建筑結(jié)構(gòu)防雷系統(tǒng)連接。

2.4 無(wú)橫梁明框幕墻體系

無(wú)橫梁明框幕墻體系是一種新興的幕墻系統(tǒng)形式。與傳統(tǒng)框架式幕墻不同，該體系由面板、立柱和托板構(gòu)成，無(wú)橫向龍骨，與標(biāo)準(zhǔn)豎明橫隱幕墻系統(tǒng)相比通透效果更佳，因此近年來(lái)廣受建筑設(shè)計(jì)師的青睞。北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)大面積采用了無(wú)橫梁明框幕墻體系（見圖3（a）），本工程設(shè)計(jì)也首次在鐵路站房建筑采用這一體系。目前該部分工程已進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)施工階段（見圖3（b））。由于取消橫向龍骨，該幕墻體系的受力模式與傳統(tǒng)框架式幕墻有較大差別。因此如何在保證結(jié)構(gòu)安全前提下，最為合理地選取構(gòu)件的截面規(guī)格尺寸，保證建筑外觀效果，是本次設(shè)計(jì)亟須解決的關(guān)鍵問題。

2.5 無(wú)橫梁體系面板設(shè)計(jì)

為正確進(jìn)行北京朝陽(yáng)站站房工程無(wú)橫梁明框幕墻體系設(shè)計(jì)工作，首先需要明確該體系的傳力途徑。本工程無(wú)橫梁幕墻體系中，幕墻玻璃自重通過鋼托板（材質(zhì)為Q345B 級(jí)鋼）傳遞到立柱上，風(fēng)荷載由玻璃面板單向傳遞到立柱上。面板選用HS8/1.52PVB/HS8+12A+HS8/1.52PVB/HS8Low-E夾層中空玻璃，最大玻璃分格尺寸為2 000 mm×2 780 mm，邊界條件為對(duì)邊簡(jiǎn)支。依據(jù)規(guī)范［2-5］計(jì)算得到，玻璃面板的最大應(yīng)力為26.386 N/mm2，最大變形為24.02 mm，均滿足規(guī)范限值要求。

圖3 無(wú)橫梁明框幕墻體系的工程應(yīng)用

2.6 無(wú)橫梁體系立柱設(shè)計(jì)

北京朝陽(yáng)站站房工程北立面幕墻立柱上部與屋面鋼梁相連，呈倒L形，立柱高度為13.5 m，間距為2 m，計(jì)算模型見圖4。

圖4 按四邊簡(jiǎn)支面板計(jì)算的應(yīng)力、變形云圖

與傳統(tǒng)幕墻立柱不同的是，該立面鋼立柱既是幕墻立柱，又是支承屋蓋的立柱，承擔(dān)重力荷載，為典型的壓彎構(gòu)件。幕墻立柱截面設(shè)計(jì)時(shí)為達(dá)到盡量通透的效果，立柱寬度取值通常較小。但幕墻立柱通高均無(wú)橫梁支撐，作為壓彎構(gòu)件時(shí)長(zhǎng)細(xì)比不易滿足規(guī)范［6］要求。為使立柱盡可能纖細(xì)，截面設(shè)計(jì)時(shí)采用增加壁厚的方式，將構(gòu)件應(yīng)力比控制在50%以下，根據(jù)規(guī)范［6］第7.4.6 條的規(guī)定，長(zhǎng)細(xì)比限值可放寬至200，北立面幕墻立柱截面選取為350 mm×250 mm×14 mm。計(jì)算結(jié)果表明，模型最大應(yīng)力比為0.402，最大長(zhǎng)細(xì)比為196，滿足規(guī)范要求。

2.7 無(wú)橫梁體系托板設(shè)計(jì)

在無(wú)橫梁玻璃幕墻體系中，玻璃面板的自重通過托板傳遞給立柱，因此也需要對(duì)托板進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。由于托板受節(jié)點(diǎn)連接條件影響較大，造型不一，受力模式較為特殊，因此需要用專門的有限元分析軟件單獨(dú)建模計(jì)算。本工程鋼托板采用有限元分析軟件的實(shí)體單元分析計(jì)算，材料選用Q345B。為真實(shí)模擬玻璃托板的受力情況，模型整個(gè)背面均設(shè)定為剛接，根據(jù)實(shí)際玻璃面板傳遞至兩端的反力大小和受荷面積，計(jì)算出均布?jí)簯?yīng)力施加于上部懸挑板上，計(jì)算結(jié)果見圖5。玻璃中部最大應(yīng)力為185.017 MPa，小于規(guī)范［6］規(guī)定的305 MPa，滿足要求。

圖5 鋼托板有限元分析

3 折線形全玻幕墻設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 折線形全玻幕墻介紹

全玻幕墻因其簡(jiǎn)潔通透的建筑效果，在工程中應(yīng)用日益廣泛。常見的全玻幕墻連接方式有玻璃肋膠連接和玻璃肋點(diǎn)連接2 種［7-8］；按支撐形式的不同，全玻幕墻也可采用落地式連接和吊掛式連接。折線形是全玻幕墻的一種新穎形式，除了具有通透的視覺效果外，還具有空間立體感，能夠滿足建筑師追求個(gè)性的要求。本工程建筑設(shè)計(jì)中采用大面積的折線形全玻幕墻系統(tǒng)，每個(gè)幕墻分格采用一整塊玻璃，板塊呈平面投影90°折線形排列，整個(gè)立面看不到幕墻龍骨，效果見圖6。

圖6 折線形全玻幕墻效果圖

3.2 設(shè)計(jì)思路

由于本工程玻璃板塊高度為6 m，且無(wú)豎向龍骨支撐，為提高板塊的穩(wěn)定性，應(yīng)采用吊掛式安裝。板塊頂部采用專業(yè)玻璃吊夾，下部采用開豎向長(zhǎng)孔的夾具。玻璃吊夾僅能限制每一玻璃板塊單元的豎向位移，無(wú)法約束板塊沿著夾具中心扭轉(zhuǎn)，因此沿板塊上下2條邊還應(yīng)設(shè)置通長(zhǎng)的水平位移約束構(gòu)件，本工程在玻璃上下邊內(nèi)外兩側(cè)采用角鋼加緊（見圖7）。

圖7 頂部節(jié)點(diǎn)模型

折線形全玻幕墻作為一種空間外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，一方面每塊玻璃板塊對(duì)相鄰板塊都有支撐作用，具有一部分玻璃肋的受力特點(diǎn)，另一方面又需要承擔(dān)垂直于板塊的風(fēng)荷載，與玻璃肋僅承擔(dān)面內(nèi)荷載的受力情況有所不同?？紤]到規(guī)范［4］中并無(wú)玻璃肋承受面外風(fēng)荷載時(shí)的計(jì)算方法，因此本項(xiàng)目每塊玻璃板塊按一般玻璃面板來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，而對(duì)于各個(gè)玻璃板塊與其連接用的結(jié)構(gòu)膠構(gòu)成的整體折線形全玻幕墻結(jié)構(gòu)體系，則通過建立有限元分析模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)也對(duì)所設(shè)計(jì)的玻璃面板進(jìn)行校核。

3.3 有限元計(jì)算

由于相鄰玻璃板塊之間通過結(jié)構(gòu)膠連接，因此為保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，需按實(shí)際連接情況及材料性質(zhì)進(jìn)行建模。計(jì)算分析采用有限元軟件進(jìn)行實(shí)體單元建模，計(jì)算時(shí)考慮幾何非線性。為排除邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，共建立了6個(gè)分格的玻璃板塊，計(jì)算結(jié)果取最中間2個(gè)板塊。施加荷載時(shí)，取風(fēng)荷載和地震作用垂直于玻璃面板為最不利工況，分別按2個(gè)方向施加表面吸力和壓力。在模型節(jié)點(diǎn)的位置分別建立玻璃和結(jié)構(gòu)膠并相互綁接。面板頂邊設(shè)為鉸接，端部的2塊面板最外側(cè)豎向邊緣及底邊均約束2 個(gè)方向的水平位移。模型網(wǎng)格劃分和節(jié)點(diǎn)連接見圖8。

經(jīng)計(jì)算得到的計(jì)算模型中玻璃面板的最大應(yīng)力和變形見圖9，由圖9（a）可以看出，玻璃板塊邊緣出現(xiàn)了壓應(yīng)力，表明結(jié)構(gòu)膠對(duì)兩側(cè)板塊起到了約束作用，與普通幕墻面板按照四邊簡(jiǎn)支板設(shè)計(jì)的計(jì)算模型有所差別。位移最大的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在板塊中部，玻璃最大變形為0.76 mm≤l/60=18.3 mm，滿足規(guī)范要求。

為避免此類大板塊的折線形全玻幕墻在設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)吊掛孔應(yīng)力集中現(xiàn)象，可用高硬度膠填充吊掛孔，待硬化后再重新開孔吊掛。此外，為確保板塊間結(jié)構(gòu)膠規(guī)格尺寸滿足規(guī)范要求，設(shè)計(jì)時(shí)可采用變位承受能力較大的結(jié)構(gòu)膠。

4 結(jié)論

以北京朝陽(yáng)站站房工程為例，介紹該高鐵站房工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所運(yùn)用的關(guān)鍵技術(shù)，主要結(jié)論如下：

（1）直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)施工便捷，節(jié)約成本，適用于高鐵站房工程屋面系統(tǒng)；通過進(jìn)行抗風(fēng)揭試驗(yàn)，證實(shí)設(shè)置抗風(fēng)夾可以明顯提升直立鎖邊金屬屋面的抗風(fēng)揭性能。

（2）高鐵站房工程屋面系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行防墜落、防雪落、防冰凌等設(shè)計(jì)。為減少漏水隱患，屋面排水溝宜布置于幕墻完成面之外，并采用虹吸排水系統(tǒng)。

（3）本工程北立面無(wú)橫梁明框幕墻系統(tǒng)立柱同時(shí)起到支承屋蓋的作用，為典型的壓彎構(gòu)件。截面設(shè)計(jì)時(shí)為使立柱盡可能纖細(xì)，可采用增加壁厚的方式，控制構(gòu)件應(yīng)力比低于50%，從而放寬長(zhǎng)細(xì)比限值。

（4）折線形全玻幕墻傳力機(jī)制復(fù)雜，宜采用有限元分析計(jì)算，設(shè)計(jì)時(shí)需在上下端采用穩(wěn)定的線約束來(lái)保障體系的邊界條件與計(jì)算模型相符；結(jié)構(gòu)膠對(duì)其連接的玻璃面板起到了半剛性約束作用，設(shè)計(jì)時(shí)可采用變位承受能力較大的結(jié)構(gòu)膠。