鐵路站房雙曲屋面鈦鋅板安裝技術*

裴 健，郝天坤，劉 玲

(中鐵六局集團建筑安裝工程有限公司，山西 太原 030045)

1 工程概況

新型現代化鐵路旅客站房是我國高速鐵路技術的重要組成部分，太子城站是京張高速鐵路崇禮支線終點站，位于張家口市崇禮區，距離2022年冬奧會崇禮賽區奧運村2km，是2022年冬奧會的集散地和頒獎儀式的背景建筑。太子城站采用先進的設計理念及成熟可靠的建筑技術實現站房“功能齊全、系統完備、設施先進、創意卓越”的設計，做到合理經濟、美觀協調(見圖1)。車站為線側下式站房，規模3臺4線，站房建筑面積11 998m2。車站建筑外形呈月牙形雙曲弧面落地，長210m，中間部分寬27m，建筑高度16.8m，逐漸向兩側端部對稱自然收斂，站房屋面鈦鋅板覆蓋面積5 912m2，鈦鋅復合板為褐灰色，顏色與周邊山體自然融合，達到站房造型設計與環境和諧統一。鈦鋅板在國內高速鐵路站房工程中首次應用，工程設計造型復雜，施工難度大，具有以下特點：①大面積異形雙曲面4 980塊面板外形尺寸均不相同，表面曲率各異，加工難度大，安裝精度要求高；②進口鈦鋅面板復合加工工藝復雜；③鋼結構主體施工誤差和變形對屋面三維坐標控制影響復雜。

圖1 太子城站房鳥瞰

2 鈦鋅板材料的復合機理及加工技術

鈦鋅板板材具有良好的延伸率和抗拉強度力學性能，可塑性好、可加工性好，金屬質感強，顏色均勻，美觀簡潔，整體觀感質量好，能充分滿足建筑師的創作理念和設計意圖。

鈦鋅合金是由高純度金屬鋅(99.995%)與少量的鈦和銅熔煉而成，鈦的含量為0.06%～0.20%，可改善合金的抗蠕變性；銅的含量為0.08%～1.00%，用以增加合金的硬度。鈦鋅板材膨脹系數降低，更加適應溫差較大地區。

鈦鋅板是一種高級金屬合金板，由鈦鋅合金經過輥軋成片、條或板狀的建材板稱為鈦鋅板。將鈦鋅板和防火板材料復合成鈦鋅復合板，從而實現在滿足鈦鋅板基本功能設計的前提下提高鈦鋅復合板的強度和承載力。鈦鋅板經鈍化處理后，可在表面形成一層致密的保護層從而使鈦鋅板表面保持一個極慢的腐蝕率，為建筑物提供有效持久的保護，保證鈦鋅板具有較長的使用壽命。建筑屋面鈦鋅板在受到雨水的沖刷后即可實現表面自潔，無須清洗、無須涂層保護也可長期保持外觀效果。鈦鋅板基于鋅表面有自動愈合的能力，當面層被劃傷，經過一段時間后，仍能愈合恢復本來的顏色和保護層，長期使用也能保持金屬光澤。目前鈦鋅板以其優越的性能和良好的性價比在歐美國家應用較多，但在國內還屬于起步嘗試階段，最典型的國家大劇院幕墻工程的金屬幕墻采用鈦鋅板覆面幕墻形式作為建筑物的外墻及屋面系統。本工程屋面裝飾板采用0.7mm鈦鋅板+2.8mm A級防火PE膜+0.7mm鋁板復合裝飾板制作，經實際復合加工取得較好效果，各項指標滿足設計要求。鈦鋅板屋蓋采用立邊咬合接口系統施工，施工安裝靈活、快速。

3 鈦鋅屋面板施工工藝流程

雙曲屋面BIM模型深化設計→鈦鋅板加工復合→鈦鋅板單元加工→智能3D點云掃描測量→基層屋面體系測量放線及安裝→鈦鋅板安裝→曲面屋面整體調整→屋面其他配套系統安裝→去除保護膜。

屋面工程結構層做法內容包括屋面底板、防塵層、吸聲層、支撐層、隔汽層、防水層、鋁鎂錳合金屋面，屋面裝飾層為鈦鋅復合板，屋面附屬設施包括不銹鋼天溝、防墜落系統、電伴熱融雪系統、擋雪系統、檐口鋁單板做法。

本工程施工部署主要考慮：鋼結構主體結構完成及驗收交付的時間和條件、施工區段劃分、屋面安全設施準備和水平運輸通道、機械選擇和布置、勞務班組資源配備、專業工序銜接、施工節點工期、流水節拍要求等方面。施工順序按鋼結構主體結構完成提供作業面順序，由中間向兩端的順序進行施工。將工作面劃分為A，B施工區段進行平行施工，提高施工效率，保證工期。每個區段均配備充足的人力、機具，各區段組織平行流水施工，充分發揮專業技術優勢，降低施工成本，保證現場施工質量及工期(見圖2)。

圖2 屋面工程施工段劃分

4 關鍵技術及操作要點

4.1 鈦鋅屋面板深化設計

通過建立BIM模型對屋面板曲率進行數據分析、深化設計。在沿著站房長度方向應用以直代曲的原理將鈦鋅面板單元進行細分，使單塊面板的長度順向弦高在視覺上可忽略不計；在沿著站房垂直方向利用錯臺原理降低了鈦鋅面板單元的曲率，從而降低了鈦鋅板的加工和安裝難度，使站房大型雙曲屋面整體圓順、層次豐富。

太子城站房屋面為雙曲落地，從中部向兩端逐漸收斂。通過建立BIM模型對屋面整體曲率變化進行預先控制，對每塊鈦鋅板單元的幾何尺寸和曲率變化進行明確，對正確指導工廠加工和現場拼裝及調整具有重要意義(見圖3，4)。由于該車站站房屋面4 980塊面板幾何尺寸均不相同，故需在深化設計時就對每塊面板進行統一編號。應用相關軟件通過對建筑屋面表面和鋼結構主體結構系統進行一體化參數化研究，基于車站屋面的三維空間模型和空間約束關系構建建筑屋面的參數化模型，進行結構參數模型優化，完成對每塊鈦鋅面板的加工放樣圖形。

圖3 屋面曲率分析

圖4 雙曲屋面鈦鋅板深化設計分格

4.2 鈦鋅復合板加工技術

站房屋面鈦鋅復合板加工具有以下特點：①站房屋面4 980塊面板外形尺寸均不相同，加工難度大，安裝精度要求高，需統一編號；②進口鈦鋅復合面板封邊、折角、焊接加工工藝復雜，質量要求較高。利用在豎向荷載作用下板的結構設計力學分析原理，將鈦鋅板和防火板材料進行復合，從而實現在滿足鈦鋅板基本設計功能的前提下提高鈦鋅復合板的強度和承載力。本工程采用0.7mm鈦鋅板+2.8mm A級防火PE膜+0.7mm鋁板復合裝飾板制作，龍骨采用50mm×50mm×4mm鋁合金方管。鈦鋅板單元即單塊鈦鋅復合板及其封邊、框架、可調節支座等部分。按以折代曲的設計理念，該單元板表面加工可視為平面的。鈦鋅板單元加工大樣如圖5所示，圖中編號指從結構鋁鎂錳合金屋面到上部的龍骨體系、支座和鈦鋅復合板等做法。

圖5 鈦鋅板單元加工大樣

4.3 應用3D點云測量技術

由于從主體鋼結構網架施工到屋面結構做法的全過程施工質量精度控制對最后的工序表層鈦鋅板的安裝精度影響很大，所以必須通過先進的測量儀器對高大空間屋面的坐標位置變化有效掌控。應用智能3D點云測量儀器及其配套軟件，結合激光測量和攝影測量原理得到點云，包括三維坐標(Oxyz)、激光反射強度(intensity)和顏色信息(RGB)。在獲取車站站房屋面表面每個采樣點的空間坐標后，得到的是一個點的集合，與之前應用BIM建立的屋面模型進行對照比較，從而可修正在施工過程中各點具體實際位置的變化，以指導屋面鈦鋅板的測量放線、單元板加工、現場安裝等。使用的智能3D點云測量掃描儀器能快速準確測量和形成實時建筑的三維坐標，保證了施工測量和誤差控制精度。站房屋蓋結構施工3D點云測量掃描模型如圖6所示。

圖6 站房屋蓋3D點云測量掃描

4.4 鈦鋅復合板安裝

站房屋面裝飾鈦鋅復合板安裝流程為：結構屋面上夾具安裝→鈦鋅復合板龍骨安裝→屋面鈦鋅復合板安裝→支座調節圓順。先在鋁鎂錳合金屋面基層上安裝鈦鋅屋面板的龍骨體系，龍骨體系起到整體鈦鋅屋面板的控制定位和固定支撐作用。龍骨體系通過專用特制的夾具支架固定在鋁鎂錳合金屋面直立鎖邊立邊上，牢固可靠。龍骨體系與這些支架連接固定形成預期的網格分布，然后鈦鋅面板即可按預先編號對號入座安裝就位。鈦鋅屋面板單元安裝由專用卡具和支座將單元板固定在屋面龍骨體系上，能通過支座調節高度使整體屋面達到圓順。本工程采用的鈦鋅屋面板可調支座體系可實現板單元單獨拆卸安裝，方便維修清理。鈦鋅屋面板單元專用卡具和支座固定如圖7所示。

圖7 鈦鋅屋面板單元專用卡具和支座固定

鈦鋅板自地面調運至屋面可采用人工或機械吊運，在站房側面檐口位置用鋼管焊接臨時龍門架，人工用滑輪和纜繩將鋁板拉運至屋面。機械吊運可采用汽車式起重機或利用現場主體施工用的塔式起重機將鋁板直接吊運至屋面，每次吊運時必須保證鈦鋅屋面板或其他材料綁扎牢固無松散，鋼絲纜對鈦鋅板不得有損傷。鈦鋅板吊運至屋面后應注意分散堆放，避免過于集中地堆放，且不能將棱角擱置于下層屋面板上，防止造成板變形。對暫時不安裝的鈦鋅板必須用纜繩固定于結構上，防止大風吹落。鈦鋅板的固定采用自攻螺釘與骨架結構相連，做到每個固定點必須有螺栓固定，不允許有跳打現象。鈦鋅復合板單元可調支架安裝由專用卡具和支座將單元板固定在屋面龍骨體系上，能通過支座調節高度使整體屋面達到圓順，還可單獨拆卸，方便維修清理。

4.5 屋面其他配套系統安裝

屋面其他配套工程包括雨水天溝及電伴熱防凍裝置、擋雪系統、防墜落系統、檐口鋁單板等。基于曲面金屬屋面的降雨匯水和積雪分析，從防排水、防滑移和防堆積的角度綜合分析各種工況，優化方案，建立防排水、阻雪和融雪相結合的構造設施，實現建筑功能和設計要求。防墜落系統包括T字板安裝和鋼索安裝。檐口鋁單板系統包括鋁板龍骨和鋁板安裝，應與站房立面外墻石材和鋁板幕墻施工綜合考慮，統一策劃，達到整體一致效果。鈦鋅復合板及相關工程完成后即可去除保護膜。

5 安全質量環保施工措施

1)鈦鋅板材料質量是影響工程質量的關鍵因素之一，材料進場時，供應商應提供發貨清單、出廠合格證、材質單、進口產品還必須有商檢證明書。鈦鋅復合板進入工地現場應全數檢查，重點檢查幾何尺寸。鈦鋅板的顏色應提前經業主、設計和監理各方確認，并進行封樣備查。

2)由于太子城車站站房屋面鈦鋅板4 980塊幾何尺寸規格均不相同，需進行統一編號管理，保證在加工、運輸和安裝時不會造成混亂，從而保證現場施工組織有序。

3)施工過程在材料碼放、搬運、安裝過程中嚴格文明施工，注意材料及成品保護，在安裝完成前不允許將保護膜掀除。

4)施工進場前必須對工人進行安全交底。在弧形屋面上由于不是平面，為保證操作工人上下移動和施工操作需要，在屋面上要預先安裝若干根鋼絲繩作為安全生命線，高空作業人員必須佩掛安全帶，掛在鋼絲繩上。

5)高空作業要搭設腳手架或操作臺，上下屋面要使用軟梯，操作人員嚴禁穿硬底鞋及有跟鞋作業。

6)在屋面上與其他安裝專業交叉施工時，應做到工序合理銜接，安全措施到位，保證施工安全。

7)5級及以上大風、雨雪天氣不得在屋面上作業。

8)對鈦鋅板和龍骨型材的剩余材料統一集中收集，按可回收利用資源規定處理。

6 結語

新建京張高速鐵路崇禮支線太子城站站房屋面采用雙曲落地的復雜空間結構形式和選用富有現代建筑風格的鈦鋅板材料，是國內高速鐵路客站的首例實踐，填補了我國鐵路站房工程施工技術的空白，項目部在大面積復雜雙曲面分格和曲率深化設計、施工方案優化、施工安全質量控制等方面開展科技研發和技術創新，解決了一系列施工難題。