北京大興國際機場南航機庫屋蓋創新設計

趙伯友 韋 恒 胡 妤

中國航空規劃設計研究總院有限公司 北京 100120

在傳統的機庫設計中，機庫大門開口邊一般設置由2榀或多榀大跨度鋼桁架組成的大門邊桁架來支承大廳鋼結構。大門邊桁架需要負擔屋蓋近一半的質量，其截面跨高比一般在10～12之間，以獲得足夠的豎向承載力以及支承剛度。

我國經濟的飛速發展，使得民航運輸業的機隊規模不斷發展壯大。一方面，國內各飛機維修公司一次性建設多機位超大跨度維修機庫的需求越來越旺盛；另一方面，國內大型機場建設與土地資源短缺的矛盾越來越突出，導致大跨度維修機庫建設場地的空域限高要求越來越苛刻[1-4]。

北京大興國際機場南航1號機庫（以下簡稱“1號機庫”），建設場地空域限高40 m，大廳凈高30 m，大門邊桁架的結構高度被限制在11.5 m以內，跨高比接近20，傳統設計方案無法實施。

為破解超低空域限高場地大跨度維修機庫結構受力所需的合理高度受限的局面，本文首次提出了一種新型W”形斜桁架屋蓋結構體系，在1號機庫屋蓋設計中得到成功應用。

1 工程概況

1號機庫位于機場西二跑道西側，坐西朝東，由機庫大廳及沿后山墻、兩側山墻全長貼建的附樓組成。

機庫大廳平面軸線尺寸405 m 100 m，屋蓋結構下弦中心標高30 m；平面上三邊支承，面向機坪的一側開敞，開敞邊設置下承重、上導向電動推拉大門，大門凈高26 m。屋蓋設置有懸掛設備系統，輻射采暖、消防噴淋等機電設備系統及與其配套的檢修走道系統。

附樓地上3層，地下1層。機庫大廳與附樓間設縫脫開，形成各自獨立的結構體系。工程效果圖及平面布局如圖1所示。

圖1 工程效果圖及平面布置

1號機庫可以容納5架大型寬體飛機同時入庫維修，在2個大型寬體機位間需穿插布置窄體飛機維修機位，大門開口邊沿跨度方向的405 m范圍內僅允許設置1根落地支承柱，大門開口邊跨度為222 m＋183 m，屬于超限大跨度機庫，建成后將成為亞洲單體規模最大的維修機庫。

2 設計條件

除了222 m的超大跨度是對現有工程技術能力的巨大挑戰外，1號機庫還存在如下苛刻的設計條件。

2.1 超低空域限高場地

建設場地空域限高40 m，屋蓋結構下弦中心標高30 m，扣除屋面圍護系統所需的合理高度，機庫大廳區域的結構高度被限制在8.5 m以內；充分利用機庫大門與大廳間4 m凈高差，大門邊桁架結構高度最大可以提升至11.5 m（圖2）。相比擬建機庫的規模體量，建設場地屬于超低空域限高場地。

圖2 空間尺寸分析

2.2 重屋蓋

機庫大廳屋蓋圍護系統及機電設備、檢修走道系統總的重力荷載超過1.5 kN/m2。屋蓋懸掛設備如圖3所示。屋蓋包括結構自重的總重力荷載超過3.0 kN/m2。懸掛設備要求在橋架間實現高空過跨，相鄰軌道間的撓度差被限制在5 mm以內，重屋蓋及苛刻的變形限值極大地增加了大跨度屋蓋的設計難度。

圖3 屋蓋懸掛設備

2.3 工期壓力大

工程實施周期不超過18個月，大跨度屋蓋是工程實施的重點及投資主體，其實施周期是保障工程工期的關鍵因素。屋蓋設計方案不僅要求技術合理、安全可靠，還需要響應工期要求，為工程實施提供足夠的便利性。

3 屋蓋創新方案

3.1 屋蓋選型分析

屋蓋結構選型時應考慮以下主要因素：在既定荷載下安全可靠、經濟合理；滿足懸掛設備運行對屋蓋變形指標的要求；大門的上支承點；空域限高40 m不能突破；工期要求。綜合考慮以上因素，可供選擇的結構方案有大門邊桁架加空間網格結構體系、平面主次桁架體系，如圖4、圖5所示。相比主次桁架方案，空間網格方案具有適應懸掛設備軌道連接的能力強、用鋼量小、在現階段加工制作及施工成本低等優點。因此，屋蓋方案設計時應立足于空間網格方案。

圖4 大門桁架加空間網格結構體系

圖5 平面主次桁架結構體系

3.2 “W”形斜桁架屋蓋體系

沿進深方向布置4道斜向桁架，角度45°，如圖6所示。沿跨度方向在進深位置中部附近結合懸掛設備軌道連接需要設置一字形桁架，大門開口邊設置222 m＋183 m跨的大跨度鋼桁架。斜桁架截面高度8.5 m；為最大限度地提高斜桁架的豎向承載能力，利用大廳內后山墻側維修機位間富裕空間設置的輔助用房，將斜桁架的一側支承柱設置在輔助用房邊墻上，將斜桁架的跨度進一步縮減至100 m左右，跨高比11.7。一字形桁架截面高度8.5 m。大門邊桁架采用下沉式，高度11.5 m，下沉3.0 m。在上述桁架的基礎上布置雙層斜放四角錐網架，厚度4.25 m，基本網格尺寸6.0 m 6.0 m，上弦中心標高38.50 m，下弦中心標高34.25 m。大門邊桁架上、下弦桿采用焊接箱形截面，腹桿根據內力大小采用焊接H形截面或焊接箱形截面；斜向桁架下弦采用焊接箱形截面；其余結構均采用球管結構，焊接球節點。

圖6 “W”形斜桁架

3.3 方案創新特點

1）化解了設計難度。斜桁架及一字形桁架的設置改變了傳力路徑，縮短了傳力路線，結構體系的傳力效率得到極大的提升；屋蓋荷載被分割包圍，大門桁架的負擔減輕了80%以上，其截面跨高比的指標要求被弱化。計算結果表明，斜桁架分擔了屋蓋靜載的80%、活荷載的88%以上，為主要的豎向承載構件。“W”形斜桁架結構體系，等效于將222 m的超大跨度化解為100 m的常規跨度，極大地提升了結構體系的傳力效率。

2）縮短了施工工期。相比傳統設計方案，斜桁架方案的桿件數量及節點數量均減少了10%以上，可以縮短屋蓋鋼結構地面拼裝工期10%以上；一字形桁架間沿大廳跨度方向由結構體系特點形成的高4.25 m、寬不小于12 m的巨大空間，可以作為物流通道及地面施工機械作業空間（圖7），降低了屋蓋鋼結構拼裝難度，提升了拼裝效率。屋蓋鋼結構于2018年5月5日開始地面拼裝，到2018年9月3日整體提升到位（圖8），僅用了不到5個月時間。屋蓋結構體系的創新性，為工期提供了有力保障。

圖7 施工作業通道

3）變形控制。按設計要求，在對大門邊桁架、斜桁架及一字形桁架按跨度的1/700施工起拱后，實測結果表明，屋蓋主承重構架的撓度均在1/2 000以下，遠小于規范對于大跨度屋蓋的變形指標要求。理論計算表明，相鄰軌道間的撓度差均小于5 mm，可滿足懸掛設備高空過跨的要求。

4 結語

工程于2017年11月底開工，2019年7月30日竣工驗收，實施效果見圖8。相比傳統設計方案，南航1號機庫屋蓋采用“W”形斜桁架方案具有如下創新性，在未來空域限高場地超大跨度維修機庫設計中的應用前景廣闊。

圖8 工程實施效果

1）斜桁架方案改變了屋蓋荷載的傳遞路徑，縮短了荷載傳遞路線，有效地提升了結構體系傳力效率。

2）結構體系特點為鋼結構的地面拼裝提供了便利性，響應了工期要求。

3）大門桁架的負擔減輕了80%以上，大門邊桁架的跨高比可以提高至20～22，成功地化解了結構受力所需合理高度與空域限高的矛盾。