從首都機場到北京大興國際機場看工程建造施工技術發展

張晉勛，李建華，段先軍，劉云飛，雷素素

(北京城建集團有限責任公司，北京 100088)

2019年9月，北京大興國際機場正式投入運營，北京擁有了兩座大型國際樞紐機場。北京城建集團先后承攬施工了首都國際機場T3航站樓A標段和北京大興國際機場航站樓核心區工程。首都國際機場T3航站樓于2008年3月投入運營，兩個項目相隔11年，現從兩個航站樓建造的角度談施工技術的發展變化。

1 民航飛速發展，航站樓擴容，數字化施工技術應用提升

隨著經濟的發展，民航機場建設近10年高速發展，2008年全國民用機場158座，2019年全國民用機場達到238座，總吞吐量由4.06億人次增長到13.5億人次。首都國際機場T3航站樓設計之初，年吞吐量為4 500萬人次，是當時國內最大的，加上當時已有的T1，T2航站樓，首都國際機場的總吞吐量達到7 800萬人次。然而，T3航站樓僅啟用3年，年吞吐量就突破了8 000萬人次，并在2018年突破了1億人次，民航發展的速度遠超很多人預期。大興國際機場在規劃之初就按照1億人次以上的客流量考慮，分南北兩個航站區，北航站區先建設1個主航站樓，僅主航站樓年旅客吞吐量就可達到7 200萬人次。首都國際機場T3航站樓和大興國際機場航站樓如圖1所示。

圖1 首都國際機場T3航站樓和大興國際機場航站樓

在工程規模上，盡管首都國際機場T3航站樓建筑面積達到96.8萬m2，因是擴建工程，受到周邊條件限制，航站樓呈南北狹長布局，且又被兩條滑行道切分為前后3段，航站樓南北呈三角形、中間為一字形，航站樓分成了3座，每座的建筑面積和尺寸并不十分夸張。北京大興國際機場航站樓為了提高旅客體驗，采用了放射性的五指廊構型，5條指廊包絡在1個直徑1 200m的圓內，旅客值機后自中心到任何一個指廊近機位的步行距離不超過600m，時間不超過8min，很好地詮釋了集中式航站樓的概念，同時航站區面積也達到了143萬m2，即使扣除綜合服務樓、停車樓、軌道區，僅航站樓單體面積就超過了78萬m2，集中式布局形成了平面尺寸達565m×437m的超長、超寬、超大面積中心區，混凝土主體結構無任何變形縫，給施工帶來了極大挑戰。

首都國際機場T3航站樓自2004年開工至2008年竣工，總工期45個月；大興國際機場航站樓工程自2015年開工至2019年竣工，總工期為42個月。工程規模增加、施工難度增加，工程總工期反而縮短，一方面取決于項目管理團隊高效的施工組織，另一方面工程施工技術創新應用功不可沒，尤其是數字化技術。

1.1 測量技術

測量工作是工程施工最基本也是最重要的一項，航站樓工程占地規模大，工程定位、施工測量的工作量大、精度要求高。在首都國際機場T3航站樓施工時測量工作以光學經緯儀、水準儀為主，全站儀剛剛起步，航站樓工程也僅是總承包配置了全站儀用于驗線，施工測設仍是傳統的經緯儀等。大興國際機場航站樓施工期間，測量儀器設備的數字化程度顯著提高，可以說是跨越性提升。工程定位控制網應用GNSS(全球衛星導航系統)靜態定位，實現長距離、高精度、全天候作業，通視限制少，數據自動采集。航站樓工程全部采用混凝土灌注樁基礎，在核心區的1萬多根基礎樁施工過程中，應用CORS(連續運行參考站)系統移動站測量方法，僅1個測量組就完成了以往需要5,6個測量組的工作量，在實現高精度、高效率的同時顯著降低了勞動強度。結構施工期間，全站儀測量機器人被廣泛應用，可實現施工放樣的自動化、自動測量、記錄并計算整理數據和遙控測量等。大興國際機場的鋼結構屋蓋為自由曲面設計，核心區工程的屋面鋼結構達到了18萬m2，在鋼結構分區施工、合攏及卸載后都需要對鋼結構進行變形觀測以對成型的節點及桿件進行定位，保證工程安裝精度并為后續屋面、吊頂施工提供依據。在鋼結構施工期間，應用三維掃描技術進行了節點和構件的定位測量，其工作方法為在現場建立多個基站，對鋼結構進行多角度的三維掃描儀作業，得到數據經軟件處理后擬合成點云模型(見圖2)，與設計模型比對，可直接得到安裝的偏差和變形結果。

圖2 點云拼接模型及模型比對

鋼結構測量同時應用多種測量方法進行相互印證，如數字攝影測量法、擬合球心法等。數字攝影法是在典型位置的構件上粘貼專用標靶和基線尺，使用無人機或人工拍攝數碼標靶，得到數據后經處理可得到節點球球心三維坐標，進行變形分析。擬合球心法是在桿結構節點球上設置觀測點，監測同一球節點上的4個不同點，即可計算得到球心坐標，從而分析偏差。

混凝土結構施工過程中應用測量機器人(高端全站儀)，現場自動測量、記錄并計算整理數據，測量數據擬量傳輸，可遙控測量。T3航站樓和大興國際機場航站樓屋蓋均為鋼結構，施工過程中需要得到大跨度網架鋼結構的球節點定位及變形數據。大興國際機場屋面鋼結構施工測量采用了三維掃描設備，對安裝的構件進行三維掃描，數據經后臺處理后可生成施工實體的點云模型，通過與設計模型比對，直觀得到各球節點變形數據，為后續施工提供數據支持。在鋼結構測量上另采用了數字攝影測量法和全站儀觀測擬合球心方法進行了相互印證。數字攝影測量法通過無人機低空航拍結合人工拍攝構件上的標靶經后臺處理得到數據，可與設計模型數據比對，分析位置偏差。

1.2 深化設計

大興國際機場航站樓工程設計方案集合了多家方案的優點，形成了特色鮮明的五指廊構型并具有典型的“扎哈曲線”特征，屋面為自由曲面，室內的值機島、檐口、墻面等均為曲面設計，造型優美(見圖3)，同時也帶來了建造的挑戰。

圖3 大興國際機場值機島、C形柱及吊頂

首都國際機場T3航站樓施工過程中的設計及深化是以CAD為主的，使用的都是二維平面圖紙，T3航站樓屋面也是雙曲設計，但在實現的方法上還是投影二維手段；而在大興國際機場航站樓核心區工程施工建造過程中，BIM(building information modeling)技術得到了充分應用，工程實現了全專業的三維建模，如圖4所示。

圖4 大興國際機場航站樓核心區地下1層管線模型

施工技術中CAD取代手工制圖是一次跨越性的發展，BIM技術的應用帶來了建筑業的又一次跨越性發展。BIM技術于2002年被率先提出，逐步發展并已被廣泛認可。BIM技術和CAD的區別在于它不是一款軟件，而是一種附帶信息的模型，多種三維模型軟件都可提供相應支撐，BIM技術具有可視化、協調性、模擬性、優化性、可出圖性的顯著特點。通過模型，現場人員不需要再通過二維圖紙去想象實體形狀，而是直觀得到實體形狀，所見即所得。對于航站樓這樣復雜的共建工程，有多達100多個專業系統，各系統的管線排布是一個非常復雜、繁瑣的工程，在CAD平面制圖技術應用階段，盡管設計師在空間上進行了細致排布，但不可避免要進行局部的拆改以實現綜合排布。應用BIM技術，可在施工前的深化階段進行三維排布，自行進行管線的碰撞檢查、優化，各專業協調一致。同時，BIM技術還可以對施工過程或者應用場景進行模擬，用于指導施工并進行優化。在賦予三維模型時間信息后可進行4D模擬施工，另增加造價信息后可進行5D模擬實現成本控制。BIM技術的應用具有廣闊前景。

2 施工機械化、自動化程度提升，工程裝配化程度提升

工程施工發展水平的一個直觀表現就是施工過程中機械化、自動化的程度，在首都國際機場T3航站樓和大興國際機場航站樓施工過程中可直觀體會到工程施工建造水平的進步。

2.1 鋼筋加工

在混凝土結構施工過程中，鋼筋加工是一項勞動強度非常大的工作，在首都國際機場T3航站樓施工期間采用手工翻樣，使用切斷機、彎曲機等小型機械配合人工加工。大興國際機場航站樓施工期間，軟件翻樣已得到普及，現場加工配備了自動化設備，如自動彎箍機、直螺紋接頭加工生產線等，降低勞動強度的同時提高了效率。

2.2 物料運輸

北京大興國際機場航站樓呈五指廊放射形構型，各指廊呈60°夾角，為了飛機的近機位停靠，指廊間的弧線較大，形成了中心區無任何變形縫的超長、超寬混凝土結構。在混凝土結構施工階段，塔式起重機是物料垂直與水平運輸最經濟高效的設備，對于超長、超寬的混凝土結構，塔式起重機的布置可以做到全面覆蓋，但中間區域的塔式起重機沒有喂料口，依靠傳遞接力倒運，效率非常低。施工過程中創新設計了施工棧橋，在航站樓核心區南北設置了2座棧橋，現場配備了16臺自行研發的載重可達25t的遙控軌道車，使中心區的物料運輸工效可提高4倍。

2.3 模架支撐體系

建筑業之所以被列為高危行業，主要是由于施工過程中風險點多、風險大，尤其是在模架及高空施工作業方面。首都國際機場T3航站樓的混凝土結構施工以碗扣架為主，并配合鋼管扣件腳手架，碗扣架在搭設到一定高度后，因為連接節點限制，架體不可避免產生變形，鋼管扣件腳手架作為傳統架體，操作靈活，但工效相對較低且需要專業工人進行搭設。北京大興國際機場航站樓結構施工期間應用了新型盤扣架，立柱為Q345鍍鋅桿件，水平桿與立柱為自鎖節點設計，連接快速、牢固，具有配套斜撐桿，可快速搭設出穩定的格構支撐體系，提高了架體的安全可靠性和施工效率。

2.4 鋼結構施工

首都國際機場T3航站樓和北京大興國際機場航站樓的屋面均為鋼結構，在方案上T3航站樓屋面鋼結構為雙曲面，北京大興國際機場航站樓屋面鋼結構為自由曲面。T3航站樓屋面鋼結構施工整體方案采用了整體拼裝、整體卸載的方式，安裝方法上采用了高空散拼，鋼支撐用量大；北京大興國際機場航站樓的屋面鋼結構結合工程特點采用了“分區安裝、分區卸載、變形協調、總體合攏”的整體部署，各安裝分區進行分片地面拼裝、整體數控提升方法，分區安裝完畢后即進行卸載，支撐胎架可周轉使用，最后進行天窗部位的合攏施工。在鋼結構施工方案上，大興國際機場航站樓屋面鋼結構施工的機械化、裝配化程度更高，高空作業少，分區卸載、總體合攏的整體部署實現了合攏部位的零應力合攏。北京大興國際機場航站樓核心區的18萬m2鋼結構中心區域僅設有8根C形柱，C形柱間的最大跨度超過了180m，巨型格構C形柱實現了免支撐安裝，鋼結構工程施工成果達到了國際領先水平。在大興國際機場航站樓屋蓋鋼結構的地面拼裝焊接過程中，焊接機器人也得到了應用，顯著提高了焊接效率，焊接質量穩定，勞動強度低。

2.5 吊頂施工

鋼結構屋蓋下的吊頂施工是航站樓裝飾施工階段的重點。首都國際機場T3航站樓鋼結構屋蓋下的吊頂安裝采用高空散裝，搭設了滿堂腳手架，腳手架搭設是一項龐大的工程。大興國際機場航站樓鋼結構屋蓋下鋁板吊頂施工采用模塊化安裝，將裝飾面板和安裝龍骨組裝成拼裝單元，在屋面鋼結構與面板間的轉換框上設置施工作業通道，形成操作面，實現模塊化施工；在航站樓中心區及采光天窗區域，由于采光需要，頂棚的裝飾板呈倒三角布置，內部空間不適合設置作業平臺，安裝過程中采用支臂高空作業車作業，高空作業車的臂長可達40多米，可實現快速安裝作業，如圖5所示。

圖5 大興國際機場航站樓鋼結構屋蓋下鋁板吊頂施工

2.6 施工作業平臺

作為大型公共建筑，航站樓工程的樓層較高，裝飾、機電安裝需要作業平臺。在首都國際機場T3航站樓施工期間以鋼管架及門式架搭設的架體為主，而北京大興國際機場航站樓施工則基本實現了直臂車和升降平臺車作業，如圖6所示。

圖6 高空作業車與升降平臺車

3 智慧建造管理水平提升

3.1 智慧工地集成平臺

在T3航站樓施工期間，工程現場對智慧建造尚無相應的具體技術應用，現場的各項管理工作均設置專門的管理人員，現場需要的各項數據人工錄入到計算機，形成相應記錄，為工程項目管理提供決策依據。大興國際機場施工期間，智慧建造水平發展迅速，工程建立了智慧平臺，在人員管理、現場安全隱患排查、機械管理、物資管理、造價管理等方面取得良好效果，如圖7所示。

圖7 智慧工地集成平臺

3.2 勞務實名制管理

在首都國際機場T3航站樓施工階段，對于現場工人的管理方式是在進場前進行登記，管理相對粗放。在大興國際機場航站樓工程施工階段，建立了勞務實名制管理系統，通過在辦公區、生活區、施工區設置閘機系統，工人進場安全培訓教育考核合格、保險生效后一次錄入，可實現行動軌跡、作業時間的統計以及工人性別、年齡、籍貫、工種的大數據分析，很大程度上避免了勞務糾紛的產生。

3.3 安全管理

安全管理是現場管理的一個重點和難點。北京大興國際機場航站樓施工階段采取了多種方式加強安全管理力度。首先是可視化安防系統，通過在辦公區、生活區、施工區布置攝像頭實現公共區域全覆蓋，同時通過手機可實現移動端的實時查詢，動態掌握現場實際情況。塔式起重機是施工物料運輸的主要設備，航站樓核心區工程1個標段就布置有27臺塔式起重機，中心區域塔式起重機會與周邊相鄰的6臺塔式起重機存在大臂交叉，通過在塔式起重機上安裝傳感器可實現塔式起重機狀態的自動監控，對運行狀態進行監測，可實現吊重、變幅、高度等預警，并在達到設定臨界狀態自動停機，預控作業風險。同時，通過建立安全管理平臺，記錄、統計現場風險，分析風險發展趨勢，有針對性地采取預控措施。塔式起重機傳感器及系統界面如圖8所示。

圖8 塔式起重機傳感器及系統界面

3.4 施工環境監控

北京大興國際機場施工現場建立環境監測系統，動態記錄現場噪聲、粉塵等信息，實現現場環境的自動監控，可根據需要調用數據，如圖9所示。

圖9 現場環境監測系統

3.5 BIM5D管理平臺

北京大興國際機場航站樓工程施工過程中建立了基于BIM模型的BIM5D管理平臺，為項目的進度、成本、物料控制及時提供準確信息，幫助項目管理人員基于數據進行有效決策，如圖10所示。

圖10 BIM5D管理平臺

將模型直接導入BIM5D平臺，軟件會根據所選的條件，自動生成土建專業和機電專業的物資計劃需求表，提交物資采購部門進行采購，如圖11所示。

圖11 基于BIM的物料提取

通過將模型構建與進度計劃相關聯，實現對施工進度的精細化管理，可將工程實際進度與計劃進度進行模擬比對，并進行資金、資源曲線分析。

基于BIM模型的管理平臺可根據工程實際進度同步進行模型數字化同步虛擬施工，在現場人員巡查過程中可對模型中的構件或部位賦予相應的檢查記錄信息，形成安全與質量巡檢記錄，并提示相關部門進行工作跟進。

4 綠色設計、綠色施工，施工節能減排效益顯著

建筑業在我國的國民經濟中占有重要位置，根據國家統計局的數據，2008年全國國內生產總值300 670億元，其中建筑業實現增加值17 071億元，占國內生產總值的5.68%。2019年全國國內生產總值986 515億元，其中建筑業實現增加值70 904億元，占全國國內生產總值的7.16%。同時，建筑業也是自然資源和能源消耗較高的產業，在首都國際機場T3航站樓建設的“十一五”期間，“十一五”規劃綱要中提出了貫徹落實建筑“四節”方針，大幅度降低能源資源消耗，組織實施“建筑節能工程”。在T3航站樓施工期間，正處于綠色施工的承上啟下階段，而大興國際機場航站樓施工處于綠色施工的全面展開階段，在綠色工程設計、施工上都有顯著提高。在北京大興國際機場航站樓設計方案上，綠色建筑比例達到了100%，綠色設計涵蓋了全專業，達到了綠建三星標準。大興國際機場航站樓綠色措施如圖12所示。

圖12 大興國際機場航站樓綠色措施

4.1 采光天窗設計

大興國際機場航站樓一個最直觀的綠色節能措施就是采光天窗設計。航站樓采用五指廊設計，背側的綜合服務樓形同第六指廊，各指廊總線的夾角為60°等分，指廊的邊緣布置有近機位，指廊間的弧度較大，以便于飛機停靠，從而形成了最窄30m，輪廓達到565m×437m的超長、超寬、超大面積的核心區。和其他航站樓全天候采用人工照明的方案相比較，大興國際機場航站樓采用了采光天窗設計，自中心區沿各指廊屋面的中心線設置采光天窗，同時在8根屋面支撐C形柱的頂部也設置了曲面采光頂，采光天窗的設計使航站樓在正常的天氣條件下實現白天的自然采光，同時也給乘客帶來一種自然的舒適環境體驗，如圖13，14所示。

圖13 屋面采光天窗布置

圖14 C形柱采光天窗

大興國際機場航站樓屋面天窗的比例也進行了優化設計，創新性采用了狹長六邊形鋁網玻璃，在保證光線投射滿足采光的條件下可反射陽光照射，控制溫度，避免溫室效應造成樓內運維高耗能。

室內的泛光照明設計也是大興國際機場航站樓另一個綠色措施的亮點。在航站樓內部泛光照明設計上，屋頂僅沿采光天窗邊緣布置少量筒燈，屋頂裝飾板為白色鋁板，板面經過處理后泛光率達到了95%，公共空間的照明主要依靠在商業頂部設置投射燈具經屋面鋁板反射后達到照度要求，設計方案新穎，節能、高效。

4.2 綠色施工

綠色建造理念貫穿了大興國際機場航站樓工程整個建造過程。北京大興國際機場的交通設計采用了零距離換乘的方案，軌道層設置在地下2層，結構施工期間開挖的土方全部場內消化，實現機場范圍內土方平衡。地下2層的軌道層寬度達到270m，其規模相當于北京火車站，設有5條軌道線16個站臺，西側的高鐵設計時速不低于300km/h，高速通行列車的軌道對差異沉降要求非常高。同時大興國際機場在工程選址上位于永定河北側，屬于永定河沖洪積的扇緣地帶，土層層狀分布情況復雜，且存在軟弱泥炭質土層，因此航站樓工程采用了混凝土灌注樁基礎。在基礎樁施工階段，采用了多項綠色新技術，包括快速樁頭剔鑿、檢測樁樁頭加固一體化施工、樁頭混凝土再生利用等，不僅提高了工作效率、降低了勞動強度，同時也取得了較好的經濟效益，尤其是樁頭混凝土的再生利用，使整個基坑工程施工期間基本實現了建筑垃圾的零排放。

4.3 集成箱式房應用

大型機場建設的選址都需要遠離城市繁華區，機場建設期間的基礎設施不完善，且建設周期相對較長，建設期間需要解決數以萬計建設者的辦公、住宿問題。在首都國際機場T3航站樓施工期間，現場人員的辦公、住宿使用彩鋼板房，雖然也是裝配式施工，但由于材料等問題，拆除后損耗大，周轉使用效率不高，也沒有相應配套的集成產品。大興國際機場航站樓施工階段，大規模應用集成箱式房，辦公區基本實現100%應用箱式房，現場只需要做好基礎、提供電源、水源和排水設施，打包箱具有辦公、通道、樓梯間、廁浴等各種功能的模塊，可直接現場吊裝組拼，快速形成各種功能區，并能夠100%周轉使用，從側面也體現了建筑配套產業的工業化發展。

4.4 生活區污水處理

機場建設需要的工人數量龐大，僅航站樓核心區一個標段高峰期間就接近萬人，生活區污水排放是一個非常實際的問題。在首都國際機場T3航站樓施工階段，生活區設置了化糞池，委托專業公司使用車輛定期抽排。隨著綠色施工的開展和綠色創新技術應用的推廣，在大興國際機場航站樓施工階段，現場的生活區建立了污水處理中心，將生活污水處理達到中水標準后，用于揚塵灑水、綠化灌溉、廁所沖洗等。現場的污水處理站日處理能力達到500m3，解決了污水排放的問題，同時節約了大量水資源，如圖15所示。

圖15 生活區污水處理中心

4.5 節約能耗

在節約能耗方面，大興國際機場建造期間施工現場、生活區、辦公區的常規照明全部采用太陽能路燈，節能燈具的使用率達到100%。辦公區、生活區的冬季供暖、夏季供冷采用空氣源熱泵系統，其制熱工效可達傳統方式的3倍，節能高效。現場的淋浴熱水采用太陽能+空氣源熱泵相結合的方式，低碳環保。

5 結語

建筑行業是一個成熟的傳統行業，但在相隔約10年的2個航站樓施工過程中，我們仍看到了施工機械設備、工程材料、數字化、信息化、綠色施工等方面的進步。我國建筑行業的快速發展得益于國家的城鎮化發展部署，2008年全國城鎮化率為47%，到2019年突破60%，距離2030年城鎮化率達到70%的要求仍有相當大的差距。城鎮化的發展，必然需要基礎設施建設的支撐，乘坐飛機是中遠距離出行的首選，航站樓作為航空樞紐工程，在城鎮化的發展過程中也仍有相當大的市場份額。隨著信息技術的飛速發展，航站樓建設也必將迎來新的技術創新和應用，降低施工資源消耗和勞動強度，提高工作效率，以滿足綠色可持續發展的要求。航站樓工程的總體規模在建筑業內的占比不是很高，但作為大型公共建筑往往會引領科技創新應用，樹立階段性標桿。