北京大兴国际机场南航机库屋盖创新设计

赵伯友 韦 恒 胡 妤

中国航空规划设计研究总院有限公司 北京 100120

在传统的机库设计中，机库大门开口边一般设置由2榀或多榀大跨度钢桁架组成的大门边桁架来支承大厅钢结构。大门边桁架需要负担屋盖近一半的质量，其截面跨高比一般在10～12之间，以获得足够的竖向承载力以及支承刚度。

我国经济的飞速发展，使得民航运输业的机队规模不断发展壮大。一方面，国内各飞机维修公司一次性建设多机位超大跨度维修机库的需求越来越旺盛；另一方面，国内大型机场建设与土地资源短缺的矛盾越来越突出，导致大跨度维修机库建设场地的空域限高要求越来越苛刻[1-4]。

北京大兴国际机场南航1号机库（以下简称“1号机库”），建设场地空域限高40 m，大厅净高30 m，大门边桁架的结构高度被限制在11.5 m以内，跨高比接近20，传统设计方案无法实施。

为破解超低空域限高场地大跨度维修机库结构受力所需的合理高度受限的局面，本文首次提出了一种新型W”形斜桁架屋盖结构体系，在1号机库屋盖设计中得到成功应用。

1 工程概况

1号机库位于机场西二跑道西侧，坐西朝东，由机库大厅及沿后山墙、两侧山墙全长贴建的附楼组成。

机库大厅平面轴线尺寸405 m 100 m，屋盖结构下弦中心标高30 m；平面上三边支承，面向机坪的一侧开敞，开敞边设置下承重、上导向电动推拉大门，大门净高26 m。屋盖设置有悬挂设备系统，辐射采暖、消防喷淋等机电设备系统及与其配套的检修走道系统。

附楼地上3层，地下1层。机库大厅与附楼间设缝脱开，形成各自独立的结构体系。工程效果图及平面布局如图1所示。

图1 工程效果图及平面布置

1号机库可以容纳5架大型宽体飞机同时入库维修，在2个大型宽体机位间需穿插布置窄体飞机维修机位，大门开口边沿跨度方向的405 m范围内仅允许设置1根落地支承柱，大门开口边跨度为222 m＋183 m，属于超限大跨度机库，建成后将成为亚洲单体规模最大的维修机库。

2 设计条件

除了222 m的超大跨度是对现有工程技术能力的巨大挑战外，1号机库还存在如下苛刻的设计条件。

2.1 超低空域限高场地

建设场地空域限高40 m，屋盖结构下弦中心标高30 m，扣除屋面围护系统所需的合理高度，机库大厅区域的结构高度被限制在8.5 m以内；充分利用机库大门与大厅间4 m净高差，大门边桁架结构高度最大可以提升至11.5 m（图2）。相比拟建机库的规模体量，建设场地属于超低空域限高场地。

图2 空间尺寸分析

2.2 重屋盖

机库大厅屋盖围护系统及机电设备、检修走道系统总的重力荷载超过1.5 kN/m2。屋盖悬挂设备如图3所示。屋盖包括结构自重的总重力荷载超过3.0 kN/m2。悬挂设备要求在桥架间实现高空过跨，相邻轨道间的挠度差被限制在5 mm以内，重屋盖及苛刻的变形限值极大地增加了大跨度屋盖的设计难度。

图3 屋盖悬挂设备

2.3 工期压力大

工程实施周期不超过18个月，大跨度屋盖是工程实施的重点及投资主体，其实施周期是保障工程工期的关键因素。屋盖设计方案不仅要求技术合理、安全可靠，还需要响应工期要求，为工程实施提供足够的便利性。

3 屋盖创新方案

3.1 屋盖选型分析

屋盖结构选型时应考虑以下主要因素：在既定荷载下安全可靠、经济合理；满足悬挂设备运行对屋盖变形指标的要求；大门的上支承点；空域限高40 m不能突破；工期要求。综合考虑以上因素，可供选择的结构方案有大门边桁架加空间网格结构体系、平面主次桁架体系，如图4、图5所示。相比主次桁架方案，空间网格方案具有适应悬挂设备轨道连接的能力强、用钢量小、在现阶段加工制作及施工成本低等优点。因此，屋盖方案设计时应立足于空间网格方案。

图4 大门桁架加空间网格结构体系

图5 平面主次桁架结构体系

3.2 “W”形斜桁架屋盖体系

沿进深方向布置4道斜向桁架，角度45°，如图6所示。沿跨度方向在进深位置中部附近结合悬挂设备轨道连接需要设置一字形桁架，大门开口边设置222 m＋183 m跨的大跨度钢桁架。斜桁架截面高度8.5 m；为最大限度地提高斜桁架的竖向承载能力，利用大厅内后山墙侧维修机位间富裕空间设置的辅助用房，将斜桁架的一侧支承柱设置在辅助用房边墙上，将斜桁架的跨度进一步缩减至100 m左右，跨高比11.7。一字形桁架截面高度8.5 m。大门边桁架采用下沉式，高度11.5 m，下沉3.0 m。在上述桁架的基础上布置双层斜放四角锥网架，厚度4.25 m，基本网格尺寸6.0 m 6.0 m，上弦中心标高38.50 m，下弦中心标高34.25 m。大门边桁架上、下弦杆采用焊接箱形截面，腹杆根据内力大小采用焊接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；其余结构均采用球管结构，焊接球节点。

图6 “W”形斜桁架

3.3 方案创新特点

1）化解了设计难度。斜桁架及一字形桁架的设置改变了传力路径，缩短了传力路线，结构体系的传力效率得到极大的提升；屋盖荷载被分割包围，大门桁架的负担减轻了80%以上，其截面跨高比的指标要求被弱化。计算结果表明，斜桁架分担了屋盖静载的80%、活荷载的88%以上，为主要的竖向承载构件。“W”形斜桁架结构体系，等效于将222 m的超大跨度化解为100 m的常规跨度，极大地提升了结构体系的传力效率。

2）缩短了施工工期。相比传统设计方案，斜桁架方案的杆件数量及节点数量均减少了10%以上，可以缩短屋盖钢结构地面拼装工期10%以上；一字形桁架间沿大厅跨度方向由结构体系特点形成的高4.25 m、宽不小于12 m的巨大空间，可以作为物流通道及地面施工机械作业空间（图7），降低了屋盖钢结构拼装难度，提升了拼装效率。屋盖钢结构于2018年5月5日开始地面拼装，到2018年9月3日整体提升到位（图8），仅用了不到5个月时间。屋盖结构体系的创新性，为工期提供了有力保障。

图7 施工作业通道

3）变形控制。按设计要求，在对大门边桁架、斜桁架及一字形桁架按跨度的1/700施工起拱后，实测结果表明，屋盖主承重构架的挠度均在1/2 000以下，远小于规范对于大跨度屋盖的变形指标要求。理论计算表明，相邻轨道间的挠度差均小于5 mm，可满足悬挂设备高空过跨的要求。

4 结语

工程于2017年11月底开工，2019年7月30日竣工验收，实施效果见图8。相比传统设计方案，南航1号机库屋盖采用“W”形斜桁架方案具有如下创新性，在未来空域限高场地超大跨度维修机库设计中的应用前景广阔。

图8 工程实施效果

1）斜桁架方案改变了屋盖荷载的传递路径，缩短了荷载传递路线，有效地提升了结构体系传力效率。

2）结构体系特点为钢结构的地面拼装提供了便利性，响应了工期要求。

3）大门桁架的负担减轻了80%以上，大门边桁架的跨高比可以提高至20～22，成功地化解了结构受力所需合理高度与空域限高的矛盾。