【摘 要】
本文对青岛胶东国际机场工程幕墙设计过程中的技术要点进行了简要介绍，分析了主要幕墙系统的特点，包括力的传递、关键材料及做法等方面，同时也介绍了实际工程中 BIM 的应用。
【关键词】
工程的概况情况，幕墙所属于的类型，对于受力方面的分析，节点的具体做法，关键的材料情况，以及 BIM 的运用情况。
建设单位：青岛国际机场集团有限公司
建筑设计单位：中国建筑西南设计研究院有限公司
幕墙施工单位：北京江河幕墙系统工程有限公司
1、工程概况
青岛胶东国际机场处在青岛市胶州市中心东北 11 公里处，位于大沽河西岸地区。其北侧与胶济客运专线相邻，南侧与胶济铁路相邻。民航局“十二五”规划显示，青岛机场是山东首座 4F 级区域性枢纽机场，也是面向日韩的门户机场。其设计目标是到 2025 年，能够满足旅客吞吐量达到 3500 万人次，货邮吞吐量 50 万吨，飞机起降 30 万架次的使用需求。
青岛机场方案设计构型以“海星”作为造型基础，与青岛地域文化相关联。这种构型既具备集中式航站楼的优点，又具备单元式航站楼的优点，同时充分体现了青岛作为海港城市所特有的海洋文化特征。主航站楼建筑的外部造型以流畅的曲线为基础，从两侧指廊的曲面向中央汇聚，就像五洋汇聚在一起一样，气势十分宏大。五指状的对称布局设计不会片面地去追求外形的视觉效果，并且在内在联系方面也极为讲究。它采用连续曲面指廊，将指廊与大厅融合为一个整体。五个指廊的夹角比较小，这种设计符合机场的运作要求，能让旅客登机和转机更加便捷，使机场的运作更加集约高效。（图 1~2）
航站楼的建筑面积为 47.8 万平方米，其建筑高度是 42.15 米。地上地下共有 6 层，设置了 70 座登机廊桥。航站楼整体的幕墙面积约为 25 万平方米。它是世界上首个采用集中式单体五指廊造型的航站楼。
图1青岛新机场整体鸟瞰实景
图2青岛新机场整体鸟瞰实景
2、幕墙类型简介
本工程包含大板块玻璃幕墙系统、大板块抗风柱钢结构系统、登机桥幕墙系统、石材幕墙系统、水晶装饰腰线铝板幕墙系统、小板块玻璃幕墙系统、观光电梯系统这 7 大系统。本文主要对前三种主要幕墙系统进行介绍。
2.1大板块玻璃幕墙系统
大板块玻璃幕墙处于陆侧和空侧区域。其平面区位包含 A、B、C、D、E、F 五个指廊的空侧以及大厅空侧 4.5 米以上直至屋面檐口。同时，A、B 指廊的陆侧在 9 米以上至屋面檐口（如图 3 至 4 所示）。
图3 航站楼区域划分实景
图4 大板块玻璃幕墙区位局部实景
大板块玻璃幕墙是本工程的设计重点。系统设计是否合理，会对现场安装、后期使用及维护产生很大影响。设计原则是在保证建筑效果的前提下，让玻璃幕墙系统能在室外完成玻璃的安装以及后期的破损更换，并且使施工机械的使用和对玻璃幕墙的维护尽量不对室内产生影响。机场作为大型交通设施，为达到人视线的流畅通透和简洁效果。上部旅客到达的公共区域采用了大分格的玻璃幕墙，其分格尺寸为宽 3000mm 且高 2250mm。幕墙的总高度在 8 米至 17.5 米之间有所变化。玻璃选用的是钢化超白 Low-E 中空夹胶玻璃 12（超白）Low-E 加上 12Ar 再加上 10 以及 2.28PVB 再加上 8mm。
图5 大板块玻璃幕墙区位局部大样
为达到效果且使受力体系明确，通过两部分来实现。第一部分是钢结构，它负责与主体结构连接，位于最内侧。第二部分是铝合金框架系统，在正风压情况下，竖向立柱和横梁承受风压；在负压情况下，横向压板承受风压，并且在压板外侧安装装饰条，以满足建筑效果。
幕墙水平荷载传递路线：
玻璃面板与铝合金横梁相连，铝合金横梁又与铝合金立柱相连接，铝合金立柱接着与钢结构系统相衔接，钢结构系统最终与主体结构相连接（见图 6、图 7）。
图6 大板块玻璃幕墙横剖节点
图7 大板块玻璃幕墙纵剖节点
玻璃幕墙标准板块的基本构造体系中，立面是以大约 9 米作为一个基本单元的。并且，每个基准单元还会被均分成三等分。（图 8）
图8 大板块幕墙板块体系
本工程大板块幕墙的单块标准玻璃重量为 500 多公斤。若采用常规受力体系，仅支撑玻璃的重量，就需要铝合金横梁具备较大的截面，而这与原建筑设计的要求存在较大差异。为解决此问题，引入了一种思路，即通过点式玻璃幕墙夹板来承受玻璃的自重。在幕墙设计中，采用了 6061-T6 铝合金 T 型件，该 T 型件能够直接承受玻璃传来的重力荷载。同时，铝合金 T 型件还用于固定铝合金横梁，以承受铝合金横梁传来的水平荷载。（图 9~13）
图9 大板块幕墙三维装配示意
图10 大板块幕墙三维装配示意
图11 大板块幕墙三维装配示意
图12 大板块幕墙三维装配示意
图13 实际应用于本项目的承托玻璃重力作用的连接件
从玻璃幕墙的连接构造方面能够看出，那种看上去很普通的横明竖隐玻璃幕墙，实际上蕴含着不凡之处。其一，考虑到玻璃幕墙本身构造层的轻薄，玻璃是以上下两侧的横梁作为固定边进行固定的，在竖向不设置常规的附框及结构胶。其二，玻璃的传力方式与普通的横明竖隐玻璃幕墙存在差异，它通过在立柱上直接固定能够承托玻璃重力作用的连接件，这样玻璃的重力作用就无需经过横梁而直接传到立柱上观光电梯钢结构及点式玻璃幕墙工程，突破了以往横梁作为中间环节传递重力作用的常规做法。如此一来，一方面立柱不会因之而增大截面，另一方面横梁确实可以因为不承受重力作用而只承受水平力，从而减小截面。此创新节约了成本，同时避免了横梁因承受重力作用而截面过大的情况，进而提高了透明幕墙的通透性。
2.2大板块抗风柱钢结构系统
本工程的抗风柱钢结构系统处在大板块玻璃幕墙的后侧位置。它的作用是对整个大板块玻璃幕墙进行支撑。（见图 14）
图14大板块抗风柱钢结构实景
抗风柱间距依据 3 倍的玻璃分格来设置，玻璃分格大概为 3m。在土建缩缝的位置安排两根抗风柱。抗风柱下端与主体结构以合金钢销轴实现铰接。抗风柱之间借助顶部箱型钢梁进行连接，同时通过摇臂支撑杆与球网架铰接。在抵抗水平荷载时，能通过竖向间距为 4.5 米的水平钢梁将荷载传递至抗风柱。在承担幕墙自重荷载时，可通过竖向合金钢拉杆把荷载传递至顶部箱型钢梁，最终传递给竖向抗风柱。航站楼各部位的幕墙分格不同，风压大小不同，抗风柱跨度不同，受力形式也不同。基于这些差异，将航站楼幕墙支撑钢结构划分成了六个区域。不同区域的抗风柱截面、横梁截面、拉杆截面是根据实际建模计算来确定的，具体可参考图 15 至 17。
图15 抗风柱、横梁、拉杆、摇臂支撑杆立面布置示意图
图16 幕墙支撑钢结构节点图
图17 抗风柱纵剖节点图
幕墙顶部支座在风荷载作用下会承受一定侧向力。常规耳板+销轴的连接节点用于幕墙钢结构与主体结构之间已不再适用。节点设计需满足具备良好强度、刚度，有较强耐磨性和可靠性等，且能有一定水平角度转动，以此来保证结构安全使用。为解决这一问题，幕墙设计采用了向心关节轴承节点。这种节点能够实现平面内双向受力，还能自由转动。它可以避免传递力矩，从而防止销轴产生永久变形，进而延长杆件的使用寿命。
向心关节轴承由内圈和外圈两部分偶合而成，内圈具有外球面，外圈具有内球面。外圈的内球面与内圈的外球面紧密贴合，这样就能实现空间任意角度的转动与摆动。其结构组成包括向心关节轴承、轴承外圈压盖、轴承内圈定位套、销轴、销轴压盖和高强螺栓等附件。（图 18~19）
向心关节轴承节点轴向力传递路线：
连杆与轴承外圈端盖（嵌固板）相连接；轴承外圈端盖（嵌固板）嵌固着轴承外圈；轴承外圈内部有轴承内圈；轴承内圈与耳板相连；耳板与主体结构相连接。
向心关节轴承节点径向力传递路线：
连杆与轴承外圈端盖（嵌固板）相连接；轴承外圈端盖（嵌固板）嵌固着轴承外圈；轴承外圈与轴承内圈相互配合；轴承内圈通过销轴与耳板相连；耳板固定在主体结构上。
图18 幕墙支撑钢结构顶部节点图
图11 幕墙支撑钢结构顶部节点图
图19 幕墙支撑钢结构顶部三维示意
2.3登机桥幕墙系统
登机桥幕墙系统处在指廊空侧的周圈。整个航站楼拥有 70 座登机桥。为了能够满足不同种类飞机的停靠需求，登机桥被分成了三大类型。其中 A 类是单通道登机桥。B 类是双通道登机桥。C 类是三通道登机桥（如图 20 至 21 所示）。
图20 登机桥分布实景
12 登机桥分布照片
图21 登机桥外立面实景
青岛地区的环境具备风压高这一不利因素，同时也有腐蚀大以及雨水强等情况。风洞实验得出的结果表明，屋面围护结构的最不利负风压值为-6.10KPa。登机桥是整个机场中使用频率最高的建筑物，由于要考虑旅客通过桥体，这会引发桥体的震动效应，进而致使屋顶密封胶失效，出现系统渗漏等状况。经过多轮的讨论之后，最终决定登机桥的屋面采用 6 层防水材料以及三道保温岩棉构造。（图22~23）
屋面系统构造层分别为（由外到内）：
3mm 厚的氟碳喷涂铝单板，1.5mm 厚的聚氯乙烯（PVC）防水卷材，10mm 厚的水泥纤维板观光电梯钢结构及点式玻璃幕墙工程，150mm 厚的憎水岩棉，0.3mm 厚的 PE 防潮材料，30mm 厚的降噪憎水玻璃丝棉吸音棉且下贴无纺布，1.0mm 厚的 820 型彩色镀铝锌穿孔钢底板
图22 登机桥剖面节点图
图23 登机桥剖面节点图
3、BIM在本工程中的运用
本工程在过程中运用了 BIM 建模。它涵盖了前期的方案阶段，以及过程中的加工阶段，还有施工模拟阶段，一直到后期的竣工阶段。
3.1、本工程BIM在LOD300下运用情况
本工程在大范围上使用 Revit 软件进行建模，其精度达到 LOD300。在施工前期，通过模拟与主体结构的碰撞检查，能够提前发现幕墙构造与主体结构之间存在的问题，从而降低工程材料的损耗。在沟通幕墙方案时，还能将设计思路更直观地展现给建筑师，提高了工作效率。（图 24 至 25）
图24 指廊及登机桥整体Revit模型
图25 指廊及登机桥整体Revit模型
3.2、本工程BIM在LOD400下运用情况
所有登机桥都利用 Rhino 软件来进行建模。同时，借助 Grasshopper 进行参数化操作，从而导出编号图以及提料单的数据。（图 26 至 29）
图26 登机桥Rhino模型
图27 登机桥Rhino模型编号图
图28 登机桥Rhino加工放样
图29 生成提料单
4、结语
青岛胶东机场航站楼工程的立面幕墙有一些技术难点。目前机场幕墙设计存在同质化状况，本项目运用了不同的构造方式，对传统设计理念和施工方法进行了创新与改造，有望取得较好的建筑效果。随着 BIM 技术的应用，能较大地推动施工技术的进步以及施工工期的缩短。本项目的研究以及所研究或采用技术的顺利实施，保证了青岛机场工程得以顺利完成。这些技术成果能够根据不同地方的实际情况加以应用，可用于类似结构的施工。课题组的研究成果被越来越多地应用，创造了良好的社会和经济效益，致力于为中国打造世界一流的国际新航标。（文章版权归作者所有）
本文刊发在《幕墙设计》杂志2021年第四期
