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【詹天佑奖】北京大兴国际机场航站楼工程:新世界七大奇迹之首

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4年时间,63个天安门广场的大小,800亿投资,1亿人次的年客流吞吐量……

中国正用自己的方式,向世界展示着“中国力量”。

北京大兴国际机场航站楼工程位于北京市大兴区与廊坊市广阳区之间,是全球一次建设的最大的单体航站楼、最大的单体减隔震建筑。工程由航站楼及综合换乘中心、停车楼组成,总建筑面积105.2万㎡,其中航站楼780028.05㎡,地下2层,地上局部5层,最大高度50.9m;停车楼地下1层,地上3层,建筑面积272103.36㎡,停车位4228个。航站楼及换乘中心主体结构为现浇钢筋混凝土框架结构,局部为型钢混凝土结构,屋面北京新机场工程(航站楼及换乘中心、停车楼)及其支撑为钢结构;停车楼为现浇钢筋混凝土结构。基础形式为桩筏基础、桩基独立承台+防水板基础。



工程是国家“十二五”规划重点工程,北京市“十二五”重大基础设施发展规划一号工程,民航“十二五”重点项目,是京津冀协同发展中“交通先行、民航率先突破”的最大亮点工程。北京大兴国际机场将与北京首都国际机场形成具有国际竞争力的“双枢纽”,服务“一带一路”国家倡议,是国家发展的一个新动力源。

工程于2015年9月26日开工建设,2019年9月12日竣工,总投资150.05亿元。而大兴机场的实际意义远不只是北京的新机场,它还将带动北京南城的经济,并有效加快京津冀一体化进程。1小时内可到天津、唐山、保定等城市;2小时内到石家庄、秦皇岛、济南等城市;3小时内更可通达太原、郑州、沈阳。

在北京大兴国际机场航站楼建设中,面对史无前例的建造难题,建设团队致力于技术创新,解决了超大平面混凝土结构施工关键技术、超大平面层间隔震综合技术、超大平面复杂空间曲面钢网格结构屋盖施工技术、超大平面不规则曲面双层节能型金属屋面施工技术、超大平面航站楼屋盖大吊顶装修施工关键技术、超大型多功能航站楼机电工程综合安装技术等技术难题,为解决机场建设的世界级难题交上了完美的“中国方案”,取得了令世人瞩目的施工成果。



叹为观止的功能

大型机场的跑道,每天会迎来送往几百吨重的飞机从这里经过,飞机起飞时的速度在每小时500公里左右,这就要求跑道必须坚固耐用。修建跑道也需要极为精细的功夫,保证跑道路面经年不变形,不会出现高低不平的错台。如果错台大于2毫米,就极易引发起降飞机爆胎,引发空难。



据了解,要确保跑道平整,每个跑道的地基都要找到将近两万个点,通过夯锤均匀砸向地面,每一锤的力度都要精准,分毫不差,以保证路面的平整,这是个纷繁浩杂的工程。工程师们攻坚克难,运用科技技术,一次次科学实验、测量测算,不断解决四条跑道建设的一项项难题。

此外,更为关键的是,主航站楼超大基坑地质复杂、工序多且相互影响大、施工组织难度大。基础施工利用GNSS快速动态单基站RTK测量技术,研发了超大平面大规模机械运行环境下桩位快速动态控制放样技术,该技术在桩基施工的复杂环境下经受住了考验,经过桩基开挖后的测量评定,精度满足设计和规范要求,节约了大量的人力物力,工程实施效果好;采取“外侧围降,内部疏干”的降水方案,规避了深槽区基础桩后压浆、支护锚杆施工对降水效果的影响;通过建立高精度BIM模型,解决了深区护坡桩锚杆与浅区基础桩的冲突问题;研发并成功应用二次劈裂注浆工艺,解决了泥炭质土层内锚杆锚拉力低的难题;在钻孔桩施工中,创新采用聚合物泥浆护壁和二次清孔施工工艺,解决了粉细砂层孔壁坍塌及沉渣厚度控制问题,提高了桩基施工效率,保证了桩基质量。

主航站楼混凝土结构平面超长超宽,为此施工中创新应用了一系列“放”“抗”“防”相结合,以放为主的综合技术,对混凝土构件裂缝进行控制,主要措施有:(1)除间隔40m设置宽1m的一般施工后浇带外,另每隔150m设宽4~6m钢筋断开的结构后浇带;(2)设置抗裂钢筋;(3)采用纤维混凝土;(4)使用补偿收缩混凝土(聚丙烯纤维、粉煤灰、USA膨胀剂、减水剂);(5)设置无粘结的温度预应力筋;(6)在超长墙体上设置诱导缝;(7)在±0.000楼板下结构柱顶部设置大直径橡胶隔震支座,采用层间隔震技术控制由超大平面混凝土收缩应力和温度应力引起的楼板开裂。

通过数字仿真模拟温度场以及现场布置监测点,研究季节性温度变化对超大平面结构的影响,指导结构后浇带封闭时间、顺序,完美实现结构顺利施工,是本工程核心创新技术。

由于航站楼高大空间设计、下穿高铁隧道平面布置、抗震性能要求高等特点,主航站楼各楼层布置了大量劲性结构,劲性钢结构总重量1万多吨。针对劲性结构钢筋与钢结构连接节点复杂难题,全面采用数字施工技术,开发了全新的劲性结构节点施工技术路线:应用BIM技术对钢结构与钢筋连接节点放样建模→确定在钢骨周边的钢筋排布方式→在钢结构加工阶段完成钢骨数控开孔和钢筋连接器焊接工作→采用BIM模型三维交底,动态展示钢筋安装先后关系,指导现场施工。并利用BIM技术对超重构件吊装、劲性构件与混凝土交叉施工工序进行模拟优化,实现劲性结构施工方案最优,增强了施工预控性,提高了效率,节省了成本。针对复杂节点,还发明了一种快速连接节点,解决了梁柱劲性结构梁柱节点钢筋排布困难、节点连接质量差、现场连接操作复杂和梁柱节点位置多向非正交状态下钢筋多层排布及密集交叉的问题。通过节点有限元受力分析计算及节点型式检验,证明此连接节点受力、传力的安全性。

由于主航站楼结构超长、超大、钢结构复杂,同时航站楼下部高铁通过,涉及减震、隔震问题,因此主航站楼核心区采用隔震技术。航站楼地下一层与首层之间设置隔震层,在±0.000楼板下结构柱柱头设置隔震橡胶支座1124座,隔震弹性滑板支座108套,粘滞阻尼器144套,为目前世界最大的隔震建筑。

针对主航站楼庞大的隔震系统,通过BIM技术对隔震支座近20道工序进行施工模拟,增强技术交底的可视性和准确性,提高现场施工人员对施工节点的理解程度,缩短工序交底的时间。针对使用过程隔震支座可能遇到的地震、火灾等外因损坏,研究并试验验证了隔震支座更换成套技术。

由于隔震层位于楼内层间,致使首层楼板与地下一层外墙顶部不连续设置,以及楼内楼梯、电梯、扶梯结构均由首层结构下挂设置,与地下一层结构完全分离。为了实现相邻但断开的结构之间满足变形空间,主航站楼设计有大量隔震沟、隔震缝,建造过程研发了世界领先的成套限位滑移隔震沟装置,该装置主要包括:钢箱隔震盖板、销轴铰支座、全向滑移球支座、限位调向楔形板、装饰盖板组成。

主航站楼屋盖钢结构投影面积18万m2,为自由曲面空间网架结构,由8颗C型柱和12组支撑筒、6根钢管柱以及五组幕墙柱支撑,屋盖最大跨度达180m。针对屋顶钢结构跨度大、曲线变化复杂、位形控制精度要求高、下方混凝土结构错层复杂等施工难点,通过多方案比选,对施工工况采用有限元计算软件进行受力和变形分析,确定了“分区安装,分区卸载,位形控制,变形协调,总体合拢”的施工原则。整个屋盖钢结构安装共进行26次分块提升,13块原位拼装,31次小合龙,7次卸载,1次大合龙。合龙长度达9008m,对接口达8274个,对接精度符合设计和规范要求。焊缝长度约19万延米,现场焊缝探伤合格率100%。合拢的焊接间隙控制在10毫米以内,错边控制在2毫米以内。针对屋盖钢结构杆件多的特点,研究了基于BIM模型与物联网的钢结构预制装配技术,将BIM模型、三维激光扫描、物联网传感器等集成为智能虚拟安装系统,开发APP应用移动平台和二维码识别系统,实现了在BIM模型里实时显示构件状态。施工过程中,还参照BIM模型采用三维激光扫描技术与放样机器人相结合,建立了高精度三维工程控制网,严格控制网架拼装、提升等各阶段位形,确保了最终位形与设计模型吻合。钢结构加工、安装方案的关键创新,是屋架四个月成功安装的关键。



绿色低碳机场的先行者

围绕绿色建筑、绿色能源、绿色环境、绿色交通、绿色机制5个方面,大兴机场运用多种创新科技,建成了一批绿色示范工程。

大兴机场绿色建筑占比达100%,其中70%以上的建筑达到我国最高等级的三星级绿色建筑标准。旅客航站楼集成优化被动式节能设计,最大限度地利用天然光和自然通风,实现室内自然光采光面积占比超过60%。航站楼能耗小于29.51千克标准煤/平方米,比国家公建节能标准提高30%,每年减少二氧化碳排放2.2万吨。

大兴机场加强可再生能源利用,通过地源热泵、光伏发电等形式,实现全场可再生能源占总能耗比例16%以上。以景观湖作为集中埋管区,布置地埋孔1万余个,通过耦合设计,形成稳定可靠的地源热泵系统,可满足周边257万平方米建筑的供暖制冷需求,每年可减少二氧化碳排放3万吨。在停车楼、能源中心及飞行区侧向跑道旁等区域大力推进太阳能光伏系统建设,全场装机容量10兆瓦以上,全部投用后可实现年节约标准煤1900吨。积极参与绿色电力交易,使用来自青海省、山西省的水电、风电及太阳能等清洁电力,2020—2021年,较传统火电减少二氧化碳排放约4万吨。

大兴机场的新能源车辆占比在国内外机场中处于领先地位。截至2022年6月,新能源车辆超过1500辆,占挂内场牌照车辆的77%,同时配套建设充电桩500余个,保障新能源车辆高效运行。自2019年9月开航至今,场内电动车辆已经累计行驶1450万公里,充电101万余次,减少汽、柴油使用量约2098吨。

此外,大兴机场还创新采用了飞机地面专用空调系统及供电。机场所有近机位100%配备地井式飞机地面专用空调(PCA)和400赫兹静变电源系统,可保障飞机在停靠港湾期间,关闭飞机发动机辅助动力装置(APU),降低燃油消耗。自开航至今,实现节约航空燃油约3.6万吨,减少二氧化碳排放10万吨左右。



项目成果

(1)多

多个世界第一,世界最大单体航站楼、“新世界七大奇迹”之首(英国《卫报》)、最大的单体抗震建筑、首个高铁下穿航站楼,北京也成为世界首个拥有双国际枢纽机场的城市。

(2)快

交付快,45个月完成落地交付,“中国速度”再次震惊世界

速度快,由机场出发,驾车20分钟到达向西北方向运行的地铁“新机场线”,通过高铁20分钟即可到达雄安核心地区。

登机快,从中心的大厅算起,最远的登机口距离中心不超过600米,步行8分钟就可以走到,登机、安检环节全部实现人工智能,极大缩短候机时间。

(3)好

质量好,大兴机场共创造40余项国际、国内新纪录,国产化率达到98%以上,工程验收一次合格率100%,13项关键建设指标全部达到世界一流。

科技高,大兴机场还是凝聚高科技、黑科技的佳作,其省时省力的候机通道、节能省电的玻璃屋顶、C型通透节能柱子、刷脸登机、机器人泊车….真的做到了“以人为本、科技为民”。

(4)美

设计美,实现工艺水准和美学呈现的和谐统一,充分展示东方之美。机场的外形宛如凤凰展翅,浪漫灵动。

文化美,以中国元素为主题的丝、茶、瓷、田及中国文化露天庭院,让旅客在候机时可以体验到古与今、人工与自然的巧妙融合。



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