铁路站房双曲屋面钛锌板安装技术*

裴 健，郝天坤，刘 玲

(中铁六局集团建筑安装工程有限公司，山西 太原 030045)

1 工程概况

新型现代化铁路旅客站房是我国高速铁路技术的重要组成部分，太子城站是京张高速铁路崇礼支线终点站，位于张家口市崇礼区，距离2022年冬奥会崇礼赛区奥运村2km，是2022年冬奥会的集散地和颁奖仪式的背景建筑。太子城站采用先进的设计理念及成熟可靠的建筑技术实现站房“功能齐全、系统完备、设施先进、创意卓越”的设计，做到合理经济、美观协调(见图1)。车站为线侧下式站房，规模3台4线，站房建筑面积11 998m2。车站建筑外形呈月牙形双曲弧面落地，长210m，中间部分宽27m，建筑高度16.8m，逐渐向两侧端部对称自然收敛，站房屋面钛锌板覆盖面积5 912m2，钛锌复合板为褐灰色，颜色与周边山体自然融合，达到站房造型设计与环境和谐统一。钛锌板在国内高速铁路站房工程中首次应用，工程设计造型复杂，施工难度大，具有以下特点：①大面积异形双曲面4 980块面板外形尺寸均不相同，表面曲率各异，加工难度大，安装精度要求高；②进口钛锌面板复合加工工艺复杂；③钢结构主体施工误差和变形对屋面三维坐标控制影响复杂。

图1 太子城站房鸟瞰

2 钛锌板材料的复合机理及加工技术

钛锌板板材具有良好的延伸率和抗拉强度力学性能，可塑性好、可加工性好，金属质感强，颜色均匀，美观简洁，整体观感质量好，能充分满足建筑师的创作理念和设计意图。

钛锌合金是由高纯度金属锌(99.995%)与少量的钛和铜熔炼而成，钛的含量为0.06%～0.20%，可改善合金的抗蠕变性；铜的含量为0.08%～1.00%，用以增加合金的硬度。钛锌板材膨胀系数降低，更加适应温差较大地区。

钛锌板是一种高级金属合金板，由钛锌合金经过辊轧成片、条或板状的建材板称为钛锌板。将钛锌板和防火板材料复合成钛锌复合板，从而实现在满足钛锌板基本功能设计的前提下提高钛锌复合板的强度和承载力。钛锌板经钝化处理后，可在表面形成一层致密的保护层从而使钛锌板表面保持一个极慢的腐蚀率，为建筑物提供有效持久的保护，保证钛锌板具有较长的使用寿命。建筑屋面钛锌板在受到雨水的冲刷后即可实现表面自洁，无须清洗、无须涂层保护也可长期保持外观效果。钛锌板基于锌表面有自动愈合的能力，当面层被划伤，经过一段时间后，仍能愈合恢复本来的颜色和保护层，长期使用也能保持金属光泽。目前钛锌板以其优越的性能和良好的性价比在欧美国家应用较多，但在国内还属于起步尝试阶段，最典型的国家大剧院幕墙工程的金属幕墙采用钛锌板覆面幕墙形式作为建筑物的外墙及屋面系统。本工程屋面装饰板采用0.7mm钛锌板+2.8mm A级防火PE膜+0.7mm铝板复合装饰板制作，经实际复合加工取得较好效果，各项指标满足设计要求。钛锌板屋盖采用立边咬合接口系统施工，施工安装灵活、快速。

3 钛锌屋面板施工工艺流程

双曲屋面BIM模型深化设计→钛锌板加工复合→钛锌板单元加工→智能3D点云扫描测量→基层屋面体系测量放线及安装→钛锌板安装→曲面屋面整体调整→屋面其他配套系统安装→去除保护膜。

屋面工程结构层做法内容包括屋面底板、防尘层、吸声层、支撑层、隔汽层、防水层、铝镁锰合金屋面，屋面装饰层为钛锌复合板，屋面附属设施包括不锈钢天沟、防坠落系统、电伴热融雪系统、挡雪系统、檐口铝单板做法。

本工程施工部署主要考虑：钢结构主体结构完成及验收交付的时间和条件、施工区段划分、屋面安全设施准备和水平运输通道、机械选择和布置、劳务班组资源配备、专业工序衔接、施工节点工期、流水节拍要求等方面。施工顺序按钢结构主体结构完成提供作业面顺序，由中间向两端的顺序进行施工。将工作面划分为A，B施工区段进行平行施工，提高施工效率，保证工期。每个区段均配备充足的人力、机具，各区段组织平行流水施工，充分发挥专业技术优势，降低施工成本，保证现场施工质量及工期(见图2)。

图2 屋面工程施工段划分

4 关键技术及操作要点

4.1 钛锌屋面板深化设计

通过建立BIM模型对屋面板曲率进行数据分析、深化设计。在沿着站房长度方向应用以直代曲的原理将钛锌面板单元进行细分，使单块面板的长度顺向弦高在视觉上可忽略不计；在沿着站房垂直方向利用错台原理降低了钛锌面板单元的曲率，从而降低了钛锌板的加工和安装难度，使站房大型双曲屋面整体圆顺、层次丰富。

太子城站房屋面为双曲落地，从中部向两端逐渐收敛。通过建立BIM模型对屋面整体曲率变化进行预先控制，对每块钛锌板单元的几何尺寸和曲率变化进行明确，对正确指导工厂加工和现场拼装及调整具有重要意义(见图3，4)。由于该车站站房屋面4 980块面板几何尺寸均不相同，故需在深化设计时就对每块面板进行统一编号。应用相关软件通过对建筑屋面表面和钢结构主体结构系统进行一体化参数化研究，基于车站屋面的三维空间模型和空间约束关系构建建筑屋面的参数化模型，进行结构参数模型优化，完成对每块钛锌面板的加工放样图形。

图3 屋面曲率分析

图4 双曲屋面钛锌板深化设计分格

4.2 钛锌复合板加工技术

站房屋面钛锌复合板加工具有以下特点：①站房屋面4 980块面板外形尺寸均不相同，加工难度大，安装精度要求高，需统一编号；②进口钛锌复合面板封边、折角、焊接加工工艺复杂，质量要求较高。利用在竖向荷载作用下板的结构设计力学分析原理，将钛锌板和防火板材料进行复合，从而实现在满足钛锌板基本设计功能的前提下提高钛锌复合板的强度和承载力。本工程采用0.7mm钛锌板+2.8mm A级防火PE膜+0.7mm铝板复合装饰板制作，龙骨采用50mm×50mm×4mm铝合金方管。钛锌板单元即单块钛锌复合板及其封边、框架、可调节支座等部分。按以折代曲的设计理念，该单元板表面加工可视为平面的。钛锌板单元加工大样如图5所示，图中编号指从结构铝镁锰合金屋面到上部的龙骨体系、支座和钛锌复合板等做法。

图5 钛锌板单元加工大样

4.3 应用3D点云测量技术

由于从主体钢结构网架施工到屋面结构做法的全过程施工质量精度控制对最后的工序表层钛锌板的安装精度影响很大，所以必须通过先进的测量仪器对高大空间屋面的坐标位置变化有效掌控。应用智能3D点云测量仪器及其配套软件，结合激光测量和摄影测量原理得到点云，包括三维坐标(Oxyz)、激光反射强度(intensity)和颜色信息(RGB)。在获取车站站房屋面表面每个采样点的空间坐标后，得到的是一个点的集合，与之前应用BIM建立的屋面模型进行对照比较，从而可修正在施工过程中各点具体实际位置的变化，以指导屋面钛锌板的测量放线、单元板加工、现场安装等。使用的智能3D点云测量扫描仪器能快速准确测量和形成实时建筑的三维坐标，保证了施工测量和误差控制精度。站房屋盖结构施工3D点云测量扫描模型如图6所示。

图6 站房屋盖3D点云测量扫描

4.4 钛锌复合板安装

站房屋面装饰钛锌复合板安装流程为：结构屋面上夹具安装→钛锌复合板龙骨安装→屋面钛锌复合板安装→支座调节圆顺。先在铝镁锰合金屋面基层上安装钛锌屋面板的龙骨体系，龙骨体系起到整体钛锌屋面板的控制定位和固定支撑作用。龙骨体系通过专用特制的夹具支架固定在铝镁锰合金屋面直立锁边立边上，牢固可靠。龙骨体系与这些支架连接固定形成预期的网格分布，然后钛锌面板即可按预先编号对号入座安装就位。钛锌屋面板单元安装由专用卡具和支座将单元板固定在屋面龙骨体系上，能通过支座调节高度使整体屋面达到圆顺。本工程采用的钛锌屋面板可调支座体系可实现板单元单独拆卸安装，方便维修清理。钛锌屋面板单元专用卡具和支座固定如图7所示。

图7 钛锌屋面板单元专用卡具和支座固定

钛锌板自地面调运至屋面可采用人工或机械吊运，在站房侧面檐口位置用钢管焊接临时龙门架，人工用滑轮和缆绳将铝板拉运至屋面。机械吊运可采用汽车式起重机或利用现场主体施工用的塔式起重机将铝板直接吊运至屋面，每次吊运时必须保证钛锌屋面板或其他材料绑扎牢固无松散，钢丝缆对钛锌板不得有损伤。钛锌板吊运至屋面后应注意分散堆放，避免过于集中地堆放，且不能将棱角搁置于下层屋面板上，防止造成板变形。对暂时不安装的钛锌板必须用缆绳固定于结构上，防止大风吹落。钛锌板的固定采用自攻螺钉与骨架结构相连，做到每个固定点必须有螺栓固定，不允许有跳打现象。钛锌复合板单元可调支架安装由专用卡具和支座将单元板固定在屋面龙骨体系上，能通过支座调节高度使整体屋面达到圆顺，还可单独拆卸，方便维修清理。

4.5 屋面其他配套系统安装

屋面其他配套工程包括雨水天沟及电伴热防冻装置、挡雪系统、防坠落系统、檐口铝单板等。基于曲面金属屋面的降雨汇水和积雪分析，从防排水、防滑移和防堆积的角度综合分析各种工况，优化方案，建立防排水、阻雪和融雪相结合的构造设施，实现建筑功能和设计要求。防坠落系统包括T字板安装和钢索安装。檐口铝单板系统包括铝板龙骨和铝板安装，应与站房立面外墙石材和铝板幕墙施工综合考虑，统一策划，达到整体一致效果。钛锌复合板及相关工程完成后即可去除保护膜。

5 安全质量环保施工措施

1)钛锌板材料质量是影响工程质量的关键因素之一，材料进场时，供应商应提供发货清单、出厂合格证、材质单、进口产品还必须有商检证明书。钛锌复合板进入工地现场应全数检查，重点检查几何尺寸。钛锌板的颜色应提前经业主、设计和监理各方确认，并进行封样备查。

2)由于太子城车站站房屋面钛锌板4 980块几何尺寸规格均不相同，需进行统一编号管理，保证在加工、运输和安装时不会造成混乱，从而保证现场施工组织有序。

3)施工过程在材料码放、搬运、安装过程中严格文明施工，注意材料及成品保护，在安装完成前不允许将保护膜掀除。

4)施工进场前必须对工人进行安全交底。在弧形屋面上由于不是平面，为保证操作工人上下移动和施工操作需要，在屋面上要预先安装若干根钢丝绳作为安全生命线，高空作业人员必须佩挂安全带，挂在钢丝绳上。

5)高空作业要搭设脚手架或操作台，上下屋面要使用软梯，操作人员严禁穿硬底鞋及有跟鞋作业。

6)在屋面上与其他安装专业交叉施工时，应做到工序合理衔接，安全措施到位，保证施工安全。

7)5级及以上大风、雨雪天气不得在屋面上作业。

8)对钛锌板和龙骨型材的剩余材料统一集中收集，按可回收利用资源规定处理。

6 结语

新建京张高速铁路崇礼支线太子城站站房屋面采用双曲落地的复杂空间结构形式和选用富有现代建筑风格的钛锌板材料，是国内高速铁路客站的首例实践，填补了我国铁路站房工程施工技术的空白，项目部在大面积复杂双曲面分格和曲率深化设计、施工方案优化、施工安全质量控制等方面开展科技研发和技术创新，解决了一系列施工难题。