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鐵路客站綠色建造模式的應用探索——以鄭州南站預制裝配清水混凝土聯方網殼雨棚的工業化設計為例

發布時間:2022年9月27日 點擊數:1591

1 建筑產業的轉型發展

1.1 當前國內建筑業現狀

傳統建筑業為我國高能耗行業,每年生產建材消耗各種礦產資源100億t以上,水泥、鋼鐵、鋁板等各類建筑材料生產能耗、建筑工程施工能耗等廣義建造能耗約占全國能耗總量的26%[1]。

相比發達國家,國內建筑業還較為粗放,科技水平低,以現場濕作業、半手工操作為主,施工質量、進度不僅受制于施工人員綜合素質,同時受季節、氣候影響較大。進而加劇建筑工程建設活動與自然環境的矛盾,高能耗、高污染、低效率的傳統建造模式與當前的新型城鎮化、工業化、信息化發展要求不相適應,也與我國承諾2030年前實現“碳達峰”的目標背道而馳。

1.2 綠色建造模式的意義

為改變建筑工程帶來的資源消耗、環境污染等問題,自1992年里約熱內盧“聯合國環境與發展大會”首次提出“綠色建筑”概念后,綠色建筑在越來越多的國家實施和推廣。在發展過程中,專家學者逐漸認識到綠色建筑不應僅僅是一個結果,還應貫徹在工程建造全過程。因而近幾年,各國紛紛將綠色建造納入國家戰略。2018年,美國發布《美國重建基礎設施立法綱要》,關注工程建造過程的經濟效益和可持續發展,提出建筑產品全壽命周期成本到2025年降低50%,到2030年實現工程建造過程100%碳中和。英國則制定了《英國建造2025》,提出通過數字設計、智慧建造等措施實現綠色、可持續的工程建造過程[2]。

我國住建部于2021年1月發布《關于開展綠色建造試點工作的函》,要求在湖南省、廣東省深圳市、江蘇省常州市開展綠色建造試點工作,到2023年底形成可復制推廣的綠色建造技術體系、管理體系、實施體系和評價體系,為全國其他地區推行綠色建造奠定基礎[3]。通過采用多種綠色技術、一體化設計、裝配化施工、信息化管理等生產方式推廣綠色建造模式,不僅將明顯降低建筑工程資源消耗和環境影響,并將促進我國建筑業轉型發展,實現我國建筑產業的現代化。

2 鐵路客站綠色建造模式應用的新切入點

2.1 綠色建造模式在鐵路客站工程中的應用內容

從國外的工程經驗來看,目前綠色建造模式的體系化應用還主要集中于居住建筑[4],并逐步推廣至辦公、酒店等功能相對簡單、單元性強的建筑工程,大型交通工程應用實例較少,但其中部分內容對于鐵路客站的設計、施工有著同樣積極的指導意義。

1)前期設計綠色化。在鐵路客站設計前期,結合工程所在地氣候條件、環境特征進行綠色設計策劃,統籌考慮建筑形態、地方特色材料、綠色建筑技術、能源使用方案等設計內容,實現節地、節材、節能的綠色設計目標。

2)工程體系工業化。在鐵路客站分部分項工程設計、建設過程中制定模數協調、構件選型、連接方式等標準,逐步建立鐵路客站工程標準部品構件庫,采用少規格、多組合的設計方法,建立鐵路客站工業化體系。

3)建設過程信息化。在應用BIM技術輔助鐵路客站設計、施工的基礎上,搭建整合能源管理、設備管理、客運管理等系統信息的集成平臺,采集并分析設計、施工、運營各階段信息,提高工程管理效率。

4)工程管理集約化。充分利用鐵路客站工程管理中全過程設計、設計采購施工總承包(EPC)等模式,促進設計、生產、施工深度融合,提高工程管理集約化水平。

2.2 鐵路客站的工業化設計

建筑工程工業化體系包含建筑設計工業化、建筑體系裝配化、構件生產工廠化、現場施工機械化、組織管理科學化各個環節。全過程以設計為主導,協同生產、施工、管理各個環節,以工廠化生產、實施的建筑工程為最終成果[5]。

鐵路客站建筑規模較大、工藝流線復雜、關聯專業眾多,在現階段工程整體采用工業化體系難度較大,因而相比其他幾項綠色建造模式內容,鐵路客站的工業化發展尚在起步階段。但相較其他類型工程,鐵路客站的部分設計特性對促進工業化設計頗為有利。

其一,體現在鐵路客站的功能布局。為滿足列車運營的安全性及旅客上下客的舒適性,鐵路客站工程中的站臺、站臺雨棚、進出站口等分部分項工程設計標準相對統一,在單個客站工程內具有同一性,在不同類型鐵路客站中具有規律性,通過工業化設計、工廠化生產,逐步建立標準構件庫,進而適用于不同類型鐵路客站,形成規模效應后可提高工程質量、施工效率及經濟效益。

其二,體現在鐵路客站的設計模式。鐵路客站設計實行設計方全過程負責制,把握整體方案、室內外裝修、景觀照明等各個設計環節。這與由設計為主導的工業化建造方式極為契合,能有效保障裝修與建筑同步開展、裝修與結構一體化設計、深化設計與施工協同推進,有利于在建造全過程中貫徹“少規格、多組合”的工業化設計核心理念并形成系統的技術標準,兼顧建筑功能與造型的同時提高建筑工程經濟性,從而逐步建立鐵路客站工業化設計體系。

因而,采用工業化設計思想開展鐵路客站中具有同一性、規律性的分部分項工程建設,將成為在鐵路客站中應用綠色建造模式的新切入點。

3 鄭州南站雨棚的工業化設計探索

受到同濟大學禮堂拱形屋頂采用裝配式鋼筋混凝土網殼結構的啟發[6],綜合考慮建筑造型、結構受力、施工便利等不同影響因素,鄭州南站站臺雨棚設計采用工業化設計思想,對構件模數、構件單元尺寸、構件單元拼裝方式進行研究,將鄭州南站預制裝配清水混凝土聯方網殼雨棚作為鐵路客站工業化設計的一次積極探索。

鄭州南站雨棚為無站臺柱雨棚,位于站房南北兩側,單側站臺雨棚由17拱連續而成,順軌方向長98.1 m,垂軌方向長370 m,兩側站臺雨棚投影總面積為66 420 m2。站臺雨棚采用的混凝土聯方網殼結構,兼顧結構耐久性及維護便利性,斜向交叉的次梁不僅有效傳遞受力且形成了富有韻律感的菱形單元,充分表達了結構之美(圖1)。

圖1 鄭州南站預制裝配清水混凝土聯方網殼雨棚效果圖

圖1 鄭州南站預制裝配清水混凝土聯方網殼雨棚效果圖   下載原圖


3.1 模數與構件單元的確定

模數協調是實現建筑工程工業化設計的基礎,便于大批量構件的規格化和定型化生產,從而穩定工程質量并降低生產成本。我國建筑工程結構構件所采用的基本模數1M為100 mm,在具體工程中結合建筑布置特點會采用擴大模數,即基本模數的整數倍,用Nm表示。鄭州南站雨棚順軌方向柱跨為11 400 mm,因此擬選用2M (200 mm)或3M (300mm)為雨棚構件單元的模數尺寸。

鄭州南站雨棚順軌方向柱跨為22 800 mm,垂軌方向跨度有21 240/21 500/21 800 mm等7種(圖2),以21 500 mm居多,拱矢高4 100 mm,矢跨比約1/5,網殼板厚120 mm,肋梁截面200 mm×500 mm。

圖2 鄭州南站雨棚垂軌剖面

圖2 鄭州南站雨棚垂軌剖面   下載原圖


取22 800 mm×21 500 mm為一個屋面研究單元,拱形屋面弧長約為21 400 mm。將順軌柱跨11400 mm分別按4等分/3等分/2.5等分及2等分斜向劃分后,可得到以下4種菱形構件單元(圖3):

*單元邊長為2 200 mm,垂軌方向分為7格;

*單元邊長為2 700 mm,垂軌方向分為6格;

*單元邊長為3 600 mm,垂軌方向分為4格;

*單元邊長為4 700 mm,垂軌方向分為3格。

圖3 鄭州南站雨棚俯視展開圖

圖3 鄭州南站雨棚俯視展開圖   下載原圖


除邊長為4 700 mm的構件單元外,其余構件單元尺寸為2M(200 mm)或3M(300 mm),符合雨棚構件模數尺寸。

從建筑造型角度來看,構件單元尺寸變化會明顯影響空間感受。單元邊長為2 200 mm時,與1 300 mm見方的雨棚柱尺寸較相近,形成的整體網殼較為密集,與站臺空間尺度感不相匹配;網殼單元邊長為4 700 mm時,順軌方向僅有3個單元,整體網殼過于稀疏,難以形成令人愉悅的韻律感。

從結構受力角度來看,聯方網殼結構荷載主要為結構自重,通過肋梁將網殼板、梁荷載轉遞到兩個方向主梁。聯方網殼結構單元為22 800 mm×21 500 mm,縱橫柱距比例接近1:1,網殼單元夾角接近90°時,肋梁相互垂直,傳力更均衡,結構整體受力更合理。

從裝配工藝角度來看,聯方網殼構件在工廠完成預制,運輸到現場并起吊至離地面10 m以上進行拼接,網殼構件單元越小、單元數越多,則運輸、起吊、拼裝工作量越大。構件單元擴大,則構件單元自重相應增加。4種網殼構件單元對應的構件自重分別約為320 kg、460 kg、720 kg和1 100 kg,其中邊長為4 700 mm的網殼單元自重超過1 t,大幅增加起吊和拼接難度。同時,網殼構件單元擴大、單元數減少后,需要較高的預制精度及現場拼接精度,才能保證整個雨棚網殼屋面的圓順光滑。

綜合考慮建筑造型、結構受力、施工便利三方面制約因素,邊長為2 700 mm的構件單元便于吊裝,對施工精度要求較低,結構受力合理,且形成的整體聯方網殼空間效果較為理想,較好地平衡了三方面要素。

3.2 構件單元的拼接方式

在確定聯方網殼構件單元尺寸后,仍以順軌柱跨21 500 mm,拱矢高4 100 mm的斷面為研究對象,進一步研究可適應各種跨度的構件拼裝方式,以獲得較高的預制裝配率。因雨棚結構斷面為拱形,如按豎向受力結構方向拼裝構件單元,單個構件的上下表面尺寸一致,但順軌方向的網殼板、肋梁構件尺寸均有微差,不僅增加構件種類,還會增加現場拼裝的難度。

因此,將邊長2 700 mm,厚度120的菱形網殼板及200 mm×500 mm肋梁作為一個網殼標準構件單元,單個網殼構件單元順軌方向弧長約為3 600mm、夾角為15.69°,5個構件單元沿網殼弧線法線方向拼接,與主梁連接處為半個構件單元。頂部設置天窗的構件單元,外形尺寸與標準構件相同,其天窗尺寸由標準構件尺寸內偏400 mm,為邊長2 300 mm的菱形單元(圖4)。

圖4 鄭州南站雨棚標準構件單元圖

圖4 鄭州南站雨棚標準構件單元圖   下載原圖


其余網殼結構斷面順軌柱跨不等,但拱高一致,因而如以相同方式拼接構件單元,對應的構件單元尺寸有一定差異,如21 240 mm柱跨對應的構件單元弧長為3 520 mm、夾角為15.71°,而21 800mm柱跨對應的構件單元弧長為3 605 mm、夾角15.28°。多個相近且未對應模數的構件單元尺寸明顯增加工廠預制及現場拼裝難度,與“少規格多組合”的工業化設計思想相違背?紤]到不同柱跨所對應的構件尺寸差值較小,因而嘗試在柱跨為21 800 mm、21 240 mm這兩種網殼結構斷面沿用弧長約為3 600 mm、夾角為15.69°的標準構件,即圖5中紅色區域用標準構件拼裝,與主梁相連的半個構件單元尺寸(圖5藍色區域)根據不同柱跨調整尺寸(圖5)。

圖5 鄭州南站雨棚標準構件單元排布圖

圖5 鄭州南站雨棚標準構件單元排布圖   下載原圖


通過模擬以標準單元為主的拼裝方式在21 800 mm、21 240 mm這兩種網殼結構斷面的排布效果,最外側半個單元與標準單元拼接處在理論上存在的折角對實際空間效果影響較小。隨后,對聯方網殼整體建模以進一步驗證該種拼接方式的可行性。除部分雨棚端部曲線半徑較小處,弧長約為3 600 mm、夾角為15.69°的標準構件可適用于不同柱跨的大部分區域,整體裝配率可達87%。

3.3 標準構件單元與其他部件的連接方式

在常規裝配式混凝土結構工程中,標準構件整體在工廠預制加工、非標構件現澆施工,構件之間的拼裝節點是結構抗震的薄弱環節,一般通過在節點部位加強配筋、提高鋼筋接頭性能、在結合面上設置鍵槽、粗糙面等方式提高節點強度。鄭州南站站房承軌結構采用“橋建合一”形式,正線高速列車通過時產生的激勵力對站房結構的振動影響較為明顯。而聯方網殼構件單元結合面高度僅120 mm,采用加強措施后雖能保證其結構安全性,但在長期振動影響下,構件單元結合面易開裂,進而降低結構耐久性、防水性。

因而,鄭州南站聯方網殼構件單元最終采用預制疊合構件,即60 mm預制屋面板+60 mm疊合現澆屋面板,利用預制屋面板作為上層疊合現澆屋面板的模板,與梁模板密封后,現澆肋梁作為剛性節點將預制構件可靠連接(圖6)。

圖6 鄭州南站雨棚預制疊合構件示意圖

圖6 鄭州南站雨棚預制疊合構件示意圖   下載原圖


確定標準構件的預制疊合做法后,為降低運輸成本,選擇距離工程所在地1 h車程以內的專業PC構件廠作為鄭州南站雨棚的疊合板構件樣板生產廠家。樣板生產時模板采用6 mm不銹鋼板,并通過激光切割拼焊成模板鋼骨架,流水線工藝完成混凝土施工,樣板成品顏色均勻,表面光潔,重量適中,便于裝配施工。

鄭州南站站臺雨棚燈具、視頻監控、廣播等設施沿聯方網殼肋梁點狀布置,所需電纜按20%的備用量在施工網殼肋梁時預埋鋼管。確保站臺空間效果的同時,也便于日后維護。此外,還在屋面板內預埋6 mm厚鋼板,預設光伏板支架及避雷帶措施。

3.4 工業化設計的現場印證

現場大面積施工前,為保證清水混凝土結構的整體成型效果,對于混凝土配比、模板體系、現澆部分梁板結構是否分次澆筑等關鍵點通過多次試驗、研究樣板,確定采用木模板體系、一次澆筑梁板結構的施工方案。

施工雨棚屋面時,待梁模板搭建完畢后起吊預制屋面板并封閉木模板與預制板間隙。因預制屋面板強度較高,現場待屋面板鋪裝完畢后即可綁扎梁、板面筋,在拱形屋面底部傾角較大處增加鋼絲網進行阻隔,減小混凝土向下流動,隨后一次澆筑梁、板。

因單跨屋面順軌長度98.1 m,超過50 m,根據規范要求分兩次澆筑混凝土,采用上述工序施工一跨雨棚屋面,9天可完成一半預制屋面板吊裝,4天完成一半梁板面筋綁扎,1天完成一半混凝土澆筑,同時穿插組織施工,合計21天完成一跨雨棚屋面,充分體現在實際工程應用工業化設計的優越性。

4 結語

鄭州南站雨棚采用預制裝配清水混凝土聯方網殼結構,將工業化設計方法與工程固有特性相結合,標準構件采用工廠預制構件與現澆相結合的預制疊合構件,兼顧了結構安全性和裝配施工經濟性,將建筑造型、結構形式和施工工藝三者相融合,是鐵路客站工業化設計的一次有效嘗試,也為鐵路客站綠色建造模式的發展開拓新思路。

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