北京朝陽站圍護結構設計關鍵技術

王青衣，李滇，宋新宇，王超，梁云東

（1. 中國鐵路設計集團有限公司 建筑設計研究院，天津 300308；2. 建研科技股份有限公司 工程咨詢設計院，北京 100013；3. 國家建筑工程技術研究中心，北京 100013）

作為高速鐵路的重要交通樞紐，高鐵站房的優(yōu)化建設是提升服務品質(zhì)和經(jīng)營效益的重要手段。圍護結構作為高鐵站房的重要構成，是減小建筑能耗、提升建筑品質(zhì)的突破口。傳統(tǒng)的建筑材料和技術無法滿足現(xiàn)代建筑綠色節(jié)能、低碳環(huán)保的基本理念，需要在圍護結構設計中合理運用新材料、新技術，以便在滿足建筑外觀和功能需求的同時實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展［1］。

北京朝陽站工程是中國“十三五”規(guī)劃重點建設項目，詳細介紹該高鐵站房工程外圍護結構設計中所運用的關鍵技術，可為類似工程設計提供參考。

1 工程概況

北京朝陽站站房工程位于北京市東北部四五環(huán)之間，是京哈高鐵的起點站（見圖1）。北京朝陽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)中考慮了抗風揭、防雪落、防冰凌、防雷、防墜落等復雜因素設計；無橫梁明框幕墻系統(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范圍內(nèi)首次大范圍應用。這3個系統(tǒng)是本工程圍護結構設計的創(chuàng)新點，同時也是技術難點，需要合理運用新材料、新技術以完成設計任務。

2 屋面系統(tǒng)設計關鍵技術

2.1 方案選型與設計

北京朝陽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)的立邊和咬合設備，在沿著板條長度方向上將2 塊板的立邊相咬合，從而將屋面或墻面連接成一個整體。該系統(tǒng)可大幅節(jié)省安裝時間；對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)的應用提供了有利條件。

采光天窗系統(tǒng)方案設計中，天窗頂部為固定部分，起采光作用。側立面為開啟扇，下懸外倒排煙窗。頂部玻璃采用單坡設計，有利于排水。側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險，內(nèi)側夾膠片還能防止玻璃墜落。頂面玻璃下側設置鋼絲網(wǎng)，起進一步防護作用。幕墻開啟部分采用氣動推桿，最大開啟角度為70°，與消防聯(lián)動。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)的合理設計也十分重要。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，底板設置滿鋪電伴熱。排水方式采用虹吸排水系統(tǒng)，并設置溢流雨水斗，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 金屬屋面抗風揭設計

本工程采用的直立鎖邊金屬屋面具有自重輕、強度高、施工方便、防水性能好等優(yōu)點，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械咬合連接，因此其抗風揭性能相比于抗風壓性能更弱。近年來，直立鎖邊金屬面板被大風掀起的工程事故屢見不鮮，對客流量龐大的高鐵站房來說，抗風揭性能不足無疑是危及人民群眾生命財產(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)設計時參考風洞試驗結果，大面積布置了抗風夾，并通過抗風揭試驗測試了無抗風夾和有抗風夾情況下直立鎖邊金屬屋面的抗風揭性能。結果表明，無抗風夾樣品的抗風揭強度為2.9 kPa，而有抗風夾樣品的抗風揭強度為5.7 kPa，與無抗風夾設計樣品相比強度提升了近1 倍，展現(xiàn)出優(yōu)越的抗風揭性能。

2.3 金屬屋面其他關鍵設計

除抗風揭設計外，金屬屋面的防墜落、擋雪和防雷設計對提高屋面系統(tǒng)安全性能、保障建筑使用功能也起到了至關重要的作用。本工程屋面系統(tǒng)中，屋面四周設置了防墜落鋼索，采用φ8 mm 鋼絲繩，每5 m設置1 處固定點。屋脊斜面位置，約每7 m 設置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，對屋面抗風揭起到有利作用。金屬屋面防雷設計依據(jù)GB 50057—1994《建筑物防雷設計規(guī)范》，根據(jù)規(guī)范的分類范圍和建筑物特點，本工程屋面防雷設計為二類防雷，防雷分布點10 m×10 m。金屬屋面作為防雷接閃器，通過檁條與建筑結構防雷系統(tǒng)連接。

2.4 無橫梁明框幕墻體系

無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、立柱和托板構成，無橫向龍骨，與標準豎明橫隱幕墻系統(tǒng)相比通透效果更佳，因此近年來廣受建筑設計師的青睞。北京大興國際機場大面積采用了無橫梁明框幕墻體系（見圖3（a）），本工程設計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入現(xiàn)場施工階段（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。因此如何在保證結構安全前提下，最為合理地選取構件的截面規(guī)格尺寸，保證建筑外觀效果，是本次設計亟須解決的關鍵問題。

2.5 無橫梁體系面板設計

為正確進行北京朝陽站站房工程無橫梁明框幕墻體系設計工作，首先需要明確該體系的傳力途徑。本工程無橫梁幕墻體系中，幕墻玻璃自重通過鋼托板（材質(zhì)為Q345B 級鋼）傳遞到立柱上，風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，邊界條件為對邊簡支。依據(jù)規(guī)范［2-5］計算得到，玻璃面板的最大應力為26.386 N/mm2，最大變形為24.02 mm，均滿足規(guī)范限值要求。

圖3 無橫梁明框幕墻體系的工程應用

2.6 無橫梁體系立柱設計

北京朝陽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，計算模型見圖4。

圖4 按四邊簡支面板計算的應力、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，承擔重力荷載，為典型的壓彎構件。幕墻立柱截面設計時為達到盡量通透的效果，立柱寬度取值通常較小。但幕墻立柱通高均無橫梁支撐，作為壓彎構件時長細比不易滿足規(guī)范［6］要求。為使立柱盡可能纖細，截面設計時采用增加壁厚的方式，將構件應力比控制在50%以下，根據(jù)規(guī)范［6］第7.4.6 條的規(guī)定，長細比限值可放寬至200，北立面幕墻立柱截面選取為350 mm×250 mm×14 mm。計算結果表明，模型最大應力比為0.402，最大長細比為196，滿足規(guī)范要求。

2.7 無橫梁體系托板設計

在無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，因此也需要對托板進行設計校核。由于托板受節(jié)點連接條件影響較大，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建模計算。本工程鋼托板采用有限元分析軟件的實體單元分析計算，材料選用Q345B。為真實模擬玻璃托板的受力情況，模型整個背面均設定為剛接，根據(jù)實際玻璃面板傳遞至兩端的反力大小和受荷面積，計算出均布壓應力施加于上部懸挑板上，計算結果見圖5。玻璃中部最大應力為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 折線形全玻幕墻設計關鍵技術

3.1 折線形全玻幕墻介紹

全玻幕墻因其簡潔通透的建筑效果，在工程中應用日益廣泛。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性的要求。本工程建筑設計中采用大面積的折線形全玻幕墻系統(tǒng)，每個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 設計思路

由于本工程玻璃板塊高度為6 m，且無豎向龍骨支撐，為提高板塊的穩(wěn)定性，應采用吊掛式安裝。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，無法約束板塊沿著夾具中心扭轉，因此沿板塊上下2條邊還應設置通長的水平位移約束構件，本工程在玻璃上下邊內(nèi)外兩側采用角鋼加緊（見圖7）。

圖7 頂部節(jié)點模型

折線形全玻幕墻作為一種空間外圍護結構，一方面每塊玻璃板塊對相鄰板塊都有支撐作用，具有一部分玻璃肋的受力特點，另一方面又需要承擔垂直于板塊的風荷載，與玻璃肋僅承擔面內(nèi)荷載的受力情況有所不同?？紤]到規(guī)范［4］中并無玻璃肋承受面外風荷載時的計算方法，因此本項目每塊玻璃板塊按一般玻璃面板來進行設計計算，而對于各個玻璃板塊與其連接用的結構膠構成的整體折線形全玻幕墻結構體系，則通過建立有限元分析模型進行設計，同時也對所設計的玻璃面板進行校核。

3.3 有限元計算

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

經(jīng)計算得到的計算模型中玻璃面板的最大應力和變形見圖9，由圖9（a）可以看出，玻璃板塊邊緣出現(xiàn)了壓應力，表明結構膠對兩側板塊起到了約束作用，與普通幕墻面板按照四邊簡支板設計的計算模型有所差別。位移最大的節(jié)點出現(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計時出現(xiàn)吊掛孔應力集中現(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，為確保板塊間結構膠規(guī)格尺寸滿足規(guī)范要求，設計時可采用變位承受能力較大的結構膠。

4 結論

以北京朝陽站站房工程為例，介紹該高鐵站房工程圍護結構設計中所運用的關鍵技術，主要結論如下：

（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)；通過進行抗風揭試驗，證實設置抗風夾可以明顯提升直立鎖邊金屬屋面的抗風揭性能。

（2）高鐵站房工程屋面系統(tǒng)應進行防墜落、防雪落、防冰凌等設計。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）本工程北立面無橫梁明框幕墻系統(tǒng)立柱同時起到支承屋蓋的作用，為典型的壓彎構件。截面設計時為使立柱盡可能纖細，可采用增加壁厚的方式，控制構件應力比低于50%，從而放寬長細比限值。

（4）折線形全玻幕墻傳力機制復雜，宜采用有限元分析計算，設計時需在上下端采用穩(wěn)定的線約束來保障體系的邊界條件與計算模型相符；結構膠對其連接的玻璃面板起到了半剛性約束作用，設計時可采用變位承受能力較大的結構膠。