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铁路客站绿色建造模式的应用探索——以郑州南站预制装配清水混凝土联方网壳雨棚的工业化设计为例

发布时间:2022年9月27日 点击数:399

1 建筑产业的转型发展

1.1 当前国内建筑业现状

传统建筑业为我国高能耗行业,每年生产建材消耗各种矿产资源100亿t以上,水泥、钢铁、铝板等各类建筑材料生产能耗、建筑工程施工能耗等广义建造能耗约占全国能耗总量的26%[1]

相比发达国家,国内建筑业还较为粗放,科技水平低,以现场湿作业、半手工操作为主,施工质量、进度不仅受制于施工人员综合素质,同时受季节、气候影响较大。进而加剧建筑工程建设活动与自然环境的矛盾,高能耗、高污染、低效率的传统建造模式与当前的新型城镇化、工业化、信息化发展要求不相适应,也与我国承诺2030年前实现“碳达峰”的目标背道而驰。

1.2 绿色建造模式的意义

为改变建筑工程带来的资源消耗、环境污染等问题,自1992年里约热内卢“联合国环境与发展大会”首次提出“绿色建筑”概念后,绿色建筑在越来越多的国家实施和推广。在发展过程中,专家学者逐渐认识到绿色建筑不应仅仅是一个结果,还应贯彻在工程建造全过程。因而近几年,各国纷纷将绿色建造纳入国家战略。2018年,美国发布《美国重建基础设施立法纲要》,关注工程建造过程的经济效益和可持续发展,提出建筑产品全寿命周期成本到2025年降低50%,到2030年实现工程建造过程100%碳中和。英国则制定了《英国建造2025》,提出通过数字设计、智慧建造等措施实现绿色、可持续的工程建造过程[2]

我国住建部于2021年1月发布《关于开展绿色建造试点工作的函》,要求在湖南省、广东省深圳市、江苏省常州市开展绿色建造试点工作,到2023年底形成可复制推广的绿色建造技术体系、管理体系、实施体系和评价体系,为全国其他地区推行绿色建造奠定基础[3]。通过采用多种绿色技术、一体化设计、装配化施工、信息化管理等生产方式推广绿色建造模式,不仅将明显降低建筑工程资源消耗和环境影响,并将促进我国建筑业转型发展,实现我国建筑产业的现代化。

2 铁路客站绿色建造模式应用的新切入点

2.1 绿色建造模式在铁路客站工程中的应用内容

从国外的工程经验来看,目前绿色建造模式的体系化应用还主要集中于居住建筑[4],并逐步推广至办公、酒店等功能相对简单、单元性强的建筑工程,大型交通工程应用实例较少,但其中部分内容对于铁路客站的设计、施工有着同样积极的指导意义。

1)前期设计绿色化。在铁路客站设计前期,结合工程所在地气候条件、环境特征进行绿色设计策划,统筹考虑建筑形态、地方特色材料、绿色建筑技术、能源使用方案等设计内容,实现节地、节材、节能的绿色设计目标。

2)工程体系工业化。在铁路客站分部分项工程设计、建设过程中制定模数协调、构件选型、连接方式等标准,逐步建立铁路客站工程标准部品构件库,采用少规格、多组合的设计方法,建立铁路客站工业化体系。

3)建设过程信息化。在应用BIM技术辅助铁路客站设计、施工的基础上,搭建整合能源管理、设备管理、客运管理等系统信息的集成平台,采集并分析设计、施工、运营各阶段信息,提高工程管理效率。

4)工程管理集约化。充分利用铁路客站工程管理中全过程设计、设计采购施工总承包(EPC)等模式,促进设计、生产、施工深度融合,提高工程管理集约化水平。

2.2 铁路客站的工业化设计

建筑工程工业化体系包含建筑设计工业化、建筑体系装配化、构件生产工厂化、现场施工机械化、组织管理科学化各个环节。全过程以设计为主导,协同生产、施工、管理各个环节,以工厂化生产、实施的建筑工程为最终成果[5]

铁路客站建筑规模较大、工艺流线复杂、关联专业众多,在现阶段工程整体采用工业化体系难度较大,因而相比其他几项绿色建造模式内容,铁路客站的工业化发展尚在起步阶段。但相较其他类型工程,铁路客站的部分设计特性对促进工业化设计颇为有利。

其一,体现在铁路客站的功能布局。为满足列车运营的安全性及旅客上下客的舒适性,铁路客站工程中的站台、站台雨棚、进出站口等分部分项工程设计标准相对统一,在单个客站工程内具有同一性,在不同类型铁路客站中具有规律性,通过工业化设计、工厂化生产,逐步建立标准构件库,进而适用于不同类型铁路客站,形成规模效应后可提高工程质量、施工效率及经济效益。

其二,体现在铁路客站的设计模式。铁路客站设计实行设计方全过程负责制,把握整体方案、室内外装修、景观照明等各个设计环节。这与由设计为主导的工业化建造方式极为契合,能有效保障装修与建筑同步开展、装修与结构一体化设计、深化设计与施工协同推进,有利于在建造全过程中贯彻“少规格、多组合”的工业化设计核心理念并形成系统的技术标准,兼顾建筑功能与造型的同时提高建筑工程经济性,从而逐步建立铁路客站工业化设计体系。

因而,采用工业化设计思想开展铁路客站中具有同一性、规律性的分部分项工程建设,将成为在铁路客站中应用绿色建造模式的新切入点。

3 郑州南站雨棚的工业化设计探索

受到同济大学礼堂拱形屋顶采用装配式钢筋混凝土网壳结构的启发[6],综合考虑建筑造型、结构受力、施工便利等不同影响因素,郑州南站站台雨棚设计采用工业化设计思想,对构件模数、构件单元尺寸、构件单元拼装方式进行研究,将郑州南站预制装配清水混凝土联方网壳雨棚作为铁路客站工业化设计的一次积极探索。

郑州南站雨棚为无站台柱雨棚,位于站房南北两侧,单侧站台雨棚由17拱连续而成,顺轨方向长98.1 m,垂轨方向长370 m,两侧站台雨棚投影总面积为66 420 m2。站台雨棚采用的混凝土联方网壳结构,兼顾结构耐久性及维护便利性,斜向交叉的次梁不仅有效传递受力且形成了富有韵律感的菱形单元,充分表达了结构之美(图1)。

图1 郑州南站预制装配清水混凝土联方网壳雨棚效果图

图1 郑州南站预制装配清水混凝土联方网壳雨棚效果图   下载原图


3.1 模数与构件单元的确定

模数协调是实现建筑工程工业化设计的基础,便于大批量构件的规格化和定型化生产,从而稳定工程质量并降低生产成本。我国建筑工程结构构件所采用的基本模数1M为100 mm,在具体工程中结合建筑布置特点会采用扩大模数,即基本模数的整数倍,用Nm表示。郑州南站雨棚顺轨方向柱跨为11 400 mm,因此拟选用2M (200 mm)或3M (300mm)为雨棚构件单元的模数尺寸。

郑州南站雨棚顺轨方向柱跨为22 800 mm,垂轨方向跨度有21 240/21 500/21 800 mm等7种(图2),以21 500 mm居多,拱矢高4 100 mm,矢跨比约1/5,网壳板厚120 mm,肋梁截面200 mm×500 mm。

图2 郑州南站雨棚垂轨剖面

图2 郑州南站雨棚垂轨剖面   下载原图


取22 800 mm×21 500 mm为一个屋面研究单元,拱形屋面弧长约为21 400 mm。将顺轨柱跨11400 mm分别按4等分/3等分/2.5等分及2等分斜向划分后,可得到以下4种菱形构件单元(图3):

*单元边长为2 200 mm,垂轨方向分为7格;

*单元边长为2 700 mm,垂轨方向分为6格;

*单元边长为3 600 mm,垂轨方向分为4格;

*单元边长为4 700 mm,垂轨方向分为3格。

图3 郑州南站雨棚俯视展开图

图3 郑州南站雨棚俯视展开图   下载原图


除边长为4 700 mm的构件单元外,其余构件单元尺寸为2M(200 mm)或3M(300 mm),符合雨棚构件模数尺寸。

从建筑造型角度来看,构件单元尺寸变化会明显影响空间感受。单元边长为2 200 mm时,与1 300 mm见方的雨棚柱尺寸较相近,形成的整体网壳较为密集,与站台空间尺度感不相匹配;网壳单元边长为4 700 mm时,顺轨方向仅有3个单元,整体网壳过于稀疏,难以形成令人愉悦的韵律感。

从结构受力角度来看,联方网壳结构荷载主要为结构自重,通过肋梁将网壳板、梁荷载转递到两个方向主梁。联方网壳结构单元为22 800 mm×21 500 mm,纵横柱距比例接近1:1,网壳单元夹角接近90°时,肋梁相互垂直,传力更均衡,结构整体受力更合理。

从装配工艺角度来看,联方网壳构件在工厂完成预制,运输到现场并起吊至离地面10 m以上进行拼接,网壳构件单元越小、单元数越多,则运输、起吊、拼装工作量越大。构件单元扩大,则构件单元自重相应增加。4种网壳构件单元对应的构件自重分别约为320 kg、460 kg、720 kg和1 100 kg,其中边长为4 700 mm的网壳单元自重超过1 t,大幅增加起吊和拼接难度。同时,网壳构件单元扩大、单元数减少后,需要较高的预制精度及现场拼接精度,才能保证整个雨棚网壳屋面的圆顺光滑。

综合考虑建筑造型、结构受力、施工便利三方面制约因素,边长为2 700 mm的构件单元便于吊装,对施工精度要求较低,结构受力合理,且形成的整体联方网壳空间效果较为理想,较好地平衡了三方面要素。

3.2 构件单元的拼接方式

在确定联方网壳构件单元尺寸后,仍以顺轨柱跨21 500 mm,拱矢高4 100 mm的断面为研究对象,进一步研究可适应各种跨度的构件拼装方式,以获得较高的预制装配率。因雨棚结构断面为拱形,如按竖向受力结构方向拼装构件单元,单个构件的上下表面尺寸一致,但顺轨方向的网壳板、肋梁构件尺寸均有微差,不仅增加构件种类,还会增加现场拼装的难度。

因此,将边长2 700 mm,厚度120的菱形网壳板及200 mm×500 mm肋梁作为一个网壳标准构件单元,单个网壳构件单元顺轨方向弧长约为3 600mm、夹角为15.69°,5个构件单元沿网壳弧线法线方向拼接,与主梁连接处为半个构件单元。顶部设置天窗的构件单元,外形尺寸与标准构件相同,其天窗尺寸由标准构件尺寸内偏400 mm,为边长2 300 mm的菱形单元(图4)。

图4 郑州南站雨棚标准构件单元图

图4 郑州南站雨棚标准构件单元图   下载原图


其余网壳结构断面顺轨柱跨不等,但拱高一致,因而如以相同方式拼接构件单元,对应的构件单元尺寸有一定差异,如21 240 mm柱跨对应的构件单元弧长为3 520 mm、夹角为15.71°,而21 800mm柱跨对应的构件单元弧长为3 605 mm、夹角15.28°。多个相近且未对应模数的构件单元尺寸明显增加工厂预制及现场拼装难度,与“少规格多组合”的工业化设计思想相违背。考虑到不同柱跨所对应的构件尺寸差值较小,因而尝试在柱跨为21 800 mm、21 240 mm这两种网壳结构断面沿用弧长约为3 600 mm、夹角为15.69°的标准构件,即图5中红色区域用标准构件拼装,与主梁相连的半个构件单元尺寸(图5蓝色区域)根据不同柱跨调整尺寸(图5)。

图5 郑州南站雨棚标准构件单元排布图

图5 郑州南站雨棚标准构件单元排布图   下载原图


通过模拟以标准单元为主的拼装方式在21 800 mm、21 240 mm这两种网壳结构断面的排布效果,最外侧半个单元与标准单元拼接处在理论上存在的折角对实际空间效果影响较小。随后,对联方网壳整体建模以进一步验证该种拼接方式的可行性。除部分雨棚端部曲线半径较小处,弧长约为3 600 mm、夹角为15.69°的标准构件可适用于不同柱跨的大部分区域,整体装配率可达87%。

3.3 标准构件单元与其他部件的连接方式

在常规装配式混凝土结构工程中,标准构件整体在工厂预制加工、非标构件现浇施工,构件之间的拼装节点是结构抗震的薄弱环节,一般通过在节点部位加强配筋、提高钢筋接头性能、在结合面上设置键槽、粗糙面等方式提高节点强度。郑州南站站房承轨结构采用“桥建合一”形式,正线高速列车通过时产生的激励力对站房结构的振动影响较为明显。而联方网壳构件单元结合面高度仅120 mm,采用加强措施后虽能保证其结构安全性,但在长期振动影响下,构件单元结合面易开裂,进而降低结构耐久性、防水性。

因而,郑州南站联方网壳构件单元最终采用预制叠合构件,即60 mm预制屋面板+60 mm叠合现浇屋面板,利用预制屋面板作为上层叠合现浇屋面板的模板,与梁模板密封后,现浇肋梁作为刚性节点将预制构件可靠连接(图6)。

图6 郑州南站雨棚预制叠合构件示意图

图6 郑州南站雨棚预制叠合构件示意图   下载原图


确定标准构件的预制叠合做法后,为降低运输成本,选择距离工程所在地1 h车程以内的专业PC构件厂作为郑州南站雨棚的叠合板构件样板生产厂家。样板生产时模板采用6 mm不锈钢板,并通过激光切割拼焊成模板钢骨架,流水线工艺完成混凝土施工,样板成品颜色均匀,表面光洁,重量适中,便于装配施工。

郑州南站站台雨棚灯具、视频监控、广播等设施沿联方网壳肋梁点状布置,所需电缆按20%的备用量在施工网壳肋梁时预埋钢管。确保站台空间效果的同时,也便于日后维护。此外,还在屋面板内预埋6 mm厚钢板,预设光伏板支架及避雷带措施。

3.4 工业化设计的现场印证

现场大面积施工前,为保证清水混凝土结构的整体成型效果,对于混凝土配比、模板体系、现浇部分梁板结构是否分次浇筑等关键点通过多次试验、研究样板,确定采用木模板体系、一次浇筑梁板结构的施工方案。

施工雨棚屋面时,待梁模板搭建完毕后起吊预制屋面板并封闭木模板与预制板间隙。因预制屋面板强度较高,现场待屋面板铺装完毕后即可绑扎梁、板面筋,在拱形屋面底部倾角较大处增加钢丝网进行阻隔,减小混凝土向下流动,随后一次浇筑梁、板。

因单跨屋面顺轨长度98.1 m,超过50 m,根据规范要求分两次浇筑混凝土,采用上述工序施工一跨雨棚屋面,9天可完成一半预制屋面板吊装,4天完成一半梁板面筋绑扎,1天完成一半混凝土浇筑,同时穿插组织施工,合计21天完成一跨雨棚屋面,充分体现在实际工程应用工业化设计的优越性。

4 结语

郑州南站雨棚采用预制装配清水混凝土联方网壳结构,将工业化设计方法与工程固有特性相结合,标准构件采用工厂预制构件与现浇相结合的预制叠合构件,兼顾了结构安全性和装配施工经济性,将建筑造型、结构形式和施工工艺三者相融合,是铁路客站工业化设计的一次有效尝试,也为铁路客站绿色建造模式的发展开拓新思路。

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