北京朝阳站围护结构设计关键技术

王青衣，李滇，宋新宇，王超，梁云东

（1. 中国铁路设计集团有限公司 建筑设计研究院，天津 300308；2. 建研科技股份有限公司 工程咨询设计院，北京 100013；3. 国家建筑工程技术研究中心，北京 100013）

作为高速铁路的重要交通枢纽，高铁站房的优化建设是提升服务品质和经营效益的重要手段。围护结构作为高铁站房的重要构成，是减小建筑能耗、提升建筑品质的突破口。传统的建筑材料和技术无法满足现代建筑绿色节能、低碳环保的基本理念，需要在围护结构设计中合理运用新材料、新技术，以便在满足建筑外观和功能需求的同时实现可持续发展［1］。

北京朝阳站工程是中国“十三五”规划重点建设项目，详细介绍该高铁站房工程外围护结构设计中所运用的关键技术，可为类似工程设计提供参考。

1 工程概况

北京朝阳站站房工程位于北京市东北部四五环之间，是京哈高铁的起点站（见图1）。北京朝阳站工程主要包括以下幕墙系统：（1）屋面系统；（2）铝单板幕墙系统；（3）无横梁明框幕墙系统；（5）折线形全玻幕墙系统；（6）陶板幕墙系统；（7）采光顶系统；（8）明框幕墙系统；（9）候车厅内站台入口幕墙系统；（10）百叶、门斗、雨棚、公交站棚等系统。其中，屋面系统中考虑了抗风揭、防雪落、防冰凌、防雷、防坠落等复杂因素设计；无横梁明框幕墙系统为铁路站房首次采用的幕墙体系；而折线形全玻幕墙则在全国范围内首次大范围应用。这3个系统是本工程围护结构设计的创新点，同时也是技术难点，需要合理运用新材料、新技术以完成设计任务。

2 屋面系统设计关键技术

2.1 方案选型与设计

北京朝阳站站房工程屋面系统由金属屋面系统、采光天窗系统以及玻璃幕墙系统组成。金属屋面系统采用传统的铝镁锰直立锁边系统，通过使用专业的立边和咬合设备，在沿着板条长度方向上将2 块板的立边相咬合，从而将屋面或墙面连接成一个整体。该系统可大幅节省安装时间；对于面积较大的屋面或墙面，采用该系统也可有效降低成本。本项目的双坡屋面造型规则而宽广，为直立锁边屋面系统的应用提供了有利条件。

采光天窗系统方案设计中，天窗顶部为固定部分，起采光作用。侧立面为开启扇，下悬外倒排烟窗。顶部玻璃采用单坡设计，有利于排水。侧面玻璃距离金属屋面550 mm，防止溢水。采光天窗顶部和立面均采用TP8+12A+HS6+1.52PVB+HS6 夹胶中空双银LOW-E玻璃，且均为隐框幕墙系统，分格尺寸为2 000 mm×1 500 mm。此种玻璃不仅具有良好的保温隔热性能，采用半钢化玻璃也可有效降低玻璃自爆风险，内侧夹胶片还能防止玻璃坠落。顶面玻璃下侧设置钢丝网，起进一步防护作用。幕墙开启部分采用气动推杆，最大开启角度为70°，与消防联动。直立锁边屋面系统和采光天窗系统材料选择见图2。

图2 直立锁边屋面系统和采光天窗系统材料选择

除上述系统外，屋面排水系统的合理设计也十分重要。本工程屋面排水系统采用不锈钢排水槽。为减少漏水隐患，屋面所有排水沟均布置于幕墙完成面之外。排水沟宽1 000 mm，深约600 mm，底板设置满铺电伴热。排水方式采用虹吸排水系统，并设置溢流雨水斗，落水管从室内沿幕墙立柱布置。此外，屋面系统中，屋脊处采用专业打折工艺屋脊盖板；屋面边缘采用单层铝板收口，铝板向内有坡度排水，防止冬季檐口产生冰凌。

2.2 金属屋面抗风揭设计

本工程采用的直立锁边金属屋面具有自重轻、强度高、施工方便、防水性能好等优点，在大跨度屋面系统中广泛使用。但由于其板面连接部位采用机械咬合连接，因此其抗风揭性能相比于抗风压性能更弱。近年来，直立锁边金属面板被大风掀起的工程事故屡见不鲜，对客流量庞大的高铁站房来说，抗风揭性能不足无疑是危及人民群众生命财产安全的一大隐患。

为解决上述问题，本工程金属屋面系统设计时参考风洞试验结果，大面积布置了抗风夹，并通过抗风揭试验测试了无抗风夹和有抗风夹情况下直立锁边金属屋面的抗风揭性能。结果表明，无抗风夹样品的抗风揭强度为2.9 kPa，而有抗风夹样品的抗风揭强度为5.7 kPa，与无抗风夹设计样品相比强度提升了近1 倍，展现出优越的抗风揭性能。

2.3 金属屋面其他关键设计

除抗风揭设计外，金属屋面的防坠落、挡雪和防雷设计对提高屋面系统安全性能、保障建筑使用功能也起到了至关重要的作用。本工程屋面系统中，屋面四周设置了防坠落钢索，采用φ8 mm 钢丝绳，每5 m设置1 处固定点。屋脊斜面位置，约每7 m 设置1 道挡雪系统，挡雪系统采用60 mm×2 mm 铝合金挡雪杆及2 mm厚铝合金挡雪板。挡雪系统通过夹具与锁边连接，对屋面抗风揭起到有利作用。金属屋面防雷设计依据GB 50057—1994《建筑物防雷设计规范》，根据规范的分类范围和建筑物特点，本工程屋面防雷设计为二类防雷，防雷分布点10 m×10 m。金属屋面作为防雷接闪器，通过檩条与建筑结构防雷系统连接。

2.4 无横梁明框幕墙体系

无横梁明框幕墙体系是一种新兴的幕墙系统形式。与传统框架式幕墙不同，该体系由面板、立柱和托板构成，无横向龙骨，与标准竖明横隐幕墙系统相比通透效果更佳，因此近年来广受建筑设计师的青睐。北京大兴国际机场大面积采用了无横梁明框幕墙体系（见图3（a）），本工程设计也首次在铁路站房建筑采用这一体系。目前该部分工程已进入现场施工阶段（见图3（b））。由于取消横向龙骨，该幕墙体系的受力模式与传统框架式幕墙有较大差别。因此如何在保证结构安全前提下，最为合理地选取构件的截面规格尺寸，保证建筑外观效果，是本次设计亟须解决的关键问题。

2.5 无横梁体系面板设计

为正确进行北京朝阳站站房工程无横梁明框幕墙体系设计工作，首先需要明确该体系的传力途径。本工程无横梁幕墙体系中，幕墙玻璃自重通过钢托板（材质为Q345B 级钢）传递到立柱上，风荷载由玻璃面板单向传递到立柱上。面板选用HS8/1.52PVB/HS8+12A+HS8/1.52PVB/HS8Low-E夹层中空玻璃，最大玻璃分格尺寸为2 000 mm×2 780 mm，边界条件为对边简支。依据规范［2-5］计算得到，玻璃面板的最大应力为26.386 N/mm2，最大变形为24.02 mm，均满足规范限值要求。

图3 无横梁明框幕墙体系的工程应用

2.6 无横梁体系立柱设计

北京朝阳站站房工程北立面幕墙立柱上部与屋面钢梁相连，呈倒L形，立柱高度为13.5 m，间距为2 m，计算模型见图4。

图4 按四边简支面板计算的应力、变形云图

与传统幕墙立柱不同的是，该立面钢立柱既是幕墙立柱，又是支承屋盖的立柱，承担重力荷载，为典型的压弯构件。幕墙立柱截面设计时为达到尽量通透的效果，立柱宽度取值通常较小。但幕墙立柱通高均无横梁支撑，作为压弯构件时长细比不易满足规范［6］要求。为使立柱尽可能纤细，截面设计时采用增加壁厚的方式，将构件应力比控制在50%以下，根据规范［6］第7.4.6 条的规定，长细比限值可放宽至200，北立面幕墙立柱截面选取为350 mm×250 mm×14 mm。计算结果表明，模型最大应力比为0.402，最大长细比为196，满足规范要求。

2.7 无横梁体系托板设计

在无横梁玻璃幕墙体系中，玻璃面板的自重通过托板传递给立柱，因此也需要对托板进行设计校核。由于托板受节点连接条件影响较大，造型不一，受力模式较为特殊，因此需要用专门的有限元分析软件单独建模计算。本工程钢托板采用有限元分析软件的实体单元分析计算，材料选用Q345B。为真实模拟玻璃托板的受力情况，模型整个背面均设定为刚接，根据实际玻璃面板传递至两端的反力大小和受荷面积，计算出均布压应力施加于上部悬挑板上，计算结果见图5。玻璃中部最大应力为185.017 MPa，小于规范［6］规定的305 MPa，满足要求。

图5 钢托板有限元分析

3 折线形全玻幕墙设计关键技术

3.1 折线形全玻幕墙介绍

全玻幕墙因其简洁通透的建筑效果，在工程中应用日益广泛。常见的全玻幕墙连接方式有玻璃肋胶连接和玻璃肋点连接2 种［7-8］；按支撑形式的不同，全玻幕墙也可采用落地式连接和吊挂式连接。折线形是全玻幕墙的一种新颖形式，除了具有通透的视觉效果外，还具有空间立体感，能够满足建筑师追求个性的要求。本工程建筑设计中采用大面积的折线形全玻幕墙系统，每个幕墙分格采用一整块玻璃，板块呈平面投影90°折线形排列，整个立面看不到幕墙龙骨，效果见图6。

图6 折线形全玻幕墙效果图

3.2 设计思路

由于本工程玻璃板块高度为6 m，且无竖向龙骨支撑，为提高板块的稳定性，应采用吊挂式安装。板块顶部采用专业玻璃吊夹，下部采用开竖向长孔的夹具。玻璃吊夹仅能限制每一玻璃板块单元的竖向位移，无法约束板块沿着夹具中心扭转，因此沿板块上下2条边还应设置通长的水平位移约束构件，本工程在玻璃上下边内外两侧采用角钢加紧（见图7）。

图7 顶部节点模型

折线形全玻幕墙作为一种空间外围护结构，一方面每块玻璃板块对相邻板块都有支撑作用，具有一部分玻璃肋的受力特点，另一方面又需要承担垂直于板块的风荷载，与玻璃肋仅承担面内荷载的受力情况有所不同。考虑到规范［4］中并无玻璃肋承受面外风荷载时的计算方法，因此本项目每块玻璃板块按一般玻璃面板来进行设计计算，而对于各个玻璃板块与其连接用的结构胶构成的整体折线形全玻幕墙结构体系，则通过建立有限元分析模型进行设计，同时也对所设计的玻璃面板进行校核。

3.3 有限元计算

由于相邻玻璃板块之间通过结构胶连接，因此为保证模拟结果的准确性，需按实际连接情况及材料性质进行建模。计算分析采用有限元软件进行实体单元建模，计算时考虑几何非线性。为排除边界条件对计算结果的影响，共建立了6个分格的玻璃板块，计算结果取最中间2个板块。施加荷载时，取风荷载和地震作用垂直于玻璃面板为最不利工况，分别按2个方向施加表面吸力和压力。在模型节点的位置分别建立玻璃和结构胶并相互绑接。面板顶边设为铰接，端部的2块面板最外侧竖向边缘及底边均约束2 个方向的水平位移。模型网格划分和节点连接见图8。

经计算得到的计算模型中玻璃面板的最大应力和变形见图9，由图9（a）可以看出，玻璃板块边缘出现了压应力，表明结构胶对两侧板块起到了约束作用，与普通幕墙面板按照四边简支板设计的计算模型有所差别。位移最大的节点出现在板块中部，玻璃最大变形为0.76 mm≤l/60=18.3 mm，满足规范要求。

为避免此类大板块的折线形全玻幕墙在设计时出现吊挂孔应力集中现象，可用高硬度胶填充吊挂孔，待硬化后再重新开孔吊挂。此外，为确保板块间结构胶规格尺寸满足规范要求，设计时可采用变位承受能力较大的结构胶。

4 结论

以北京朝阳站站房工程为例，介绍该高铁站房工程围护结构设计中所运用的关键技术，主要结论如下：

（1）直立锁边金属屋面系统施工便捷，节约成本，适用于高铁站房工程屋面系统；通过进行抗风揭试验，证实设置抗风夹可以明显提升直立锁边金属屋面的抗风揭性能。

（2）高铁站房工程屋面系统应进行防坠落、防雪落、防冰凌等设计。为减少漏水隐患，屋面排水沟宜布置于幕墙完成面之外，并采用虹吸排水系统。

（3）本工程北立面无横梁明框幕墙系统立柱同时起到支承屋盖的作用，为典型的压弯构件。截面设计时为使立柱尽可能纤细，可采用增加壁厚的方式，控制构件应力比低于50%，从而放宽长细比限值。

（4）折线形全玻幕墙传力机制复杂，宜采用有限元分析计算，设计时需在上下端采用稳定的线约束来保障体系的边界条件与计算模型相符；结构胶对其连接的玻璃面板起到了半刚性约束作用，设计时可采用变位承受能力较大的结构胶。