太原南站站房工程的設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)

程小春

中鐵北京工程局集團北京有限公司 北京 100070

1 工程概況

太原南站作為山西省第一座大型現(xiàn)代化高鐵客站，對接石太、大西客運專線以及太中銀等線路，位居山西省十大建筑之首。車站由東站房、西站房、高架候車廳三部分組成（圖1）。站房總建筑面積203 000 m2，地下1層，地上2層，地下為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地上為傘狀單元體鋼結(jié)構(gòu)。外圍護體系廣泛采用雙層仿青磚窗花式組合幕墻，屋蓋采用直立鎖邊鋁鎂錳合金金屬屋面配合聚碳酸酯板采光天窗。車站于2008年12月28日開工，2014年7月1日開通運營。

圖1 太原南站實景

太原南站作為大型鐵路客站，工程設(shè)計新穎、構(gòu)思獨特，高大空間，通透舒適。車站結(jié)構(gòu)巧妙運用“斗拱飛檐”“窗花幕墻”等建筑形式，體現(xiàn)“唐風(fēng)晉韻”設(shè)計理念。結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、技術(shù)含量高。針對這些特點、難點，經(jīng)不斷探索、研究，總結(jié)出了一系列適用于大型鐵路客站的施工技術(shù)，如大跨度放射傘狀空間桁架的分塊安裝技術(shù)、仿青磚式窗花組合幕墻施工技術(shù)、輕質(zhì)異形屋面施工技術(shù)、32 m高空間反吊頂施工技術(shù)等綜合施工技術(shù)，解決了施工中的難題，社會效益與經(jīng)濟效益顯著。

2 大跨度放射傘狀空間桁架的分塊安裝技術(shù)

2.1 設(shè)計綜述

太原南站主站房鋼結(jié)構(gòu)屋蓋由48個36.0 m×42.8 m傘狀單元組合成整體屋蓋，包含西站房A區(qū)2排傘狀單元結(jié)構(gòu)，高架候車廳B區(qū)5排傘狀單元結(jié)構(gòu)，東站房C區(qū)1排傘狀單元結(jié)構(gòu)（圖2）。屋蓋在選型時，汲取了唐朝宮殿斗拱飛檐的形象，將建筑形態(tài)與結(jié)構(gòu)受力特點相結(jié)合，不但結(jié)構(gòu)受力合理、經(jīng)濟，同時也滿足建筑形體美的要求。

圖2 太原南站站房屋蓋分區(qū)

2.2 主要施工技術(shù)

根據(jù)本工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，鋼結(jié)構(gòu)采用分塊拼裝、高空安裝的施工方法：結(jié)構(gòu)分塊增加每次吊裝量，減少了吊次；分塊拼裝在地面進行，減少高空的工作量，保證了施工質(zhì)量；吊裝時，桁架底部設(shè)臨時支撐，待主次桁架與柱及柱頂節(jié)點焊接完成后，卸載拆除[1]。

2.2.1 屋蓋分塊劃分形式及拼裝技術(shù)

1）分塊劃分：根據(jù)傘狀單元的結(jié)構(gòu)形式，柱頂節(jié)點為放射傘狀空間桁架的中心，起到連接主次桁架和變截面鋼-混凝土桁架的關(guān)鍵作用，因此，每把單元傘劃分為柱頂節(jié)點分塊、主桁架分塊和次桁架分塊，如圖3所示。

圖3 屋蓋分塊劃分示意

2）分塊拼裝：采用地面活動拼裝胎架，隨拼裝進度移動拼裝胎架的方式進行拼裝（圖4、圖5），確保屋蓋桁架焊接精度，減少高空焊接工作量，充分利用大型履帶吊的特性及優(yōu)點。

圖4 桁架分塊拼裝胎架設(shè)置

圖5 桁架分塊桿件組拼

2.2.2 臨時支撐設(shè)置技術(shù)

根據(jù)屋蓋分塊及安裝方式，合理設(shè)置臨時支撐。臨時支撐體系設(shè)計除滿足其上部吊裝分塊的承重要求與定位精度外，還必須考慮其下部支撐面的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，其支撐反力必須小于下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計承載力。必要時需增設(shè)過渡梁、路基箱等工裝，將其支撐反力轉(zhuǎn)換到相鄰的梁、柱上，或擴大其底部受力面積，其間必須經(jīng)過嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)驗算計算與反復(fù)比較。

2.2.3 屋蓋分塊安裝技術(shù)

根據(jù)構(gòu)件分塊安裝的條件，通過對吊車的選型、吊裝工況的數(shù)據(jù)分析計算以及桁架分塊安裝的起拱量數(shù)據(jù)分析計算，屋蓋主桁架采用兩點吊裝法，其中一端采用倒鏈葫蘆進行掛鉤，以便在進行主桁架的安裝就位時進行調(diào)節(jié)，通過全站儀對主桁架進行精確的測量定位，確保屋面分塊順利安裝；柱頂節(jié)點、屋分塊采用四點吊裝法，其中2個掛點采用鋼絲繩，另外2個掛點采用倒鏈葫蘆進行鉤掛（圖6）。

圖6 鋼結(jié)構(gòu)分塊吊裝

2.2.4 多節(jié)點對稱焊接技術(shù)

傘狀單元體單個平面投影尺寸為36.0 m×42.8 m，主桁架與柱頂節(jié)點單元一共有12個對接焊接接頭，次桁架與主桁架一共有112個焊接接頭。主桁架采用對稱施焊，次桁架采用從里向外放射推進施焊技術(shù)，先焊接主桁架，再進行次桁架分塊接頭與主桁架的節(jié)點對稱焊接。吊裝單元之間采用循序推進的原則，使焊接應(yīng)力均勻分布。

2.2.5 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)卸載技術(shù)

鋼結(jié)構(gòu)卸載通過理論研究分析和應(yīng)力應(yīng)變試驗相互驗證的方法進行，采用同區(qū)等距、分步實施的卸載方法和卸載控制技術(shù)措施。單個傘狀單元體的卸載遵循由外向里的原則，使荷載逐步集中，傳遞到鋼柱結(jié)構(gòu)體系上。單個支撐的卸載采用切割法，通過分級拆除在支架或支撐頂部的胎架模板，按多次循環(huán)、微量下降的原則，來實現(xiàn)荷載的平穩(wěn)轉(zhuǎn)移。

2.3 實施效果

該項鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)在國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用屬于首創(chuàng)，其將單元體中的主次桁架拆分并組合成柱頂節(jié)點分塊、主桁架分塊、次桁架分塊進行吊裝，減少了吊次和高空操作。該技術(shù)的應(yīng)用提高了大型機械的使用效率，保證了施工進度，同時也保證了鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量和安全。

3 雙層仿青磚式窗花組合幕墻施工技術(shù)

3.1 設(shè)計綜述

太原南站雙層仿青磚式窗花組合幕墻由室外和室內(nèi)雙層幕墻組成。該幕墻將厚25 mm濟南青花崗巖石材加工成石材盒子，表面打磨成約45°斜紋，制作成仿青磚形式，然后與玻璃安裝在一起，組成內(nèi)外雙層幕墻，突顯凹凸窗花形式（圖7）。

圖7 仿青磚組合幕墻節(jié)點

3.2 主要施工技術(shù)

3.2.1 雙層仿青磚式窗花組合幕墻龍骨及玻璃安裝技術(shù)

雙層仿青磚式窗花組合幕墻安裝在幕墻鋼結(jié)構(gòu)的裝飾槽鋼上，在裝飾槽鋼測量放線檢測完畢后，最后確定需要安裝的組合式幕墻豎向鋼龍骨分格與進出位置。石材與玻璃利用豎向龍骨及角碼連接，無橫向龍骨；石材盒子側(cè)面壓玻璃鋁邊框，縫隙寬8 mm，石材與石材之間縫隙寬3 mm，均采用黑色中性硅酮耐候密封膠密封。為防止通過玻璃透視內(nèi)部龍骨，背面采用與石材顏色相近的鋁塑板封修整體龍骨體系。

3.2.2 雙層仿青磚式窗花組合幕墻安裝技術(shù)

幕墻面材板塊以256 mm為模數(shù)，錯落對縫安裝，安裝時由下向上逐層安裝，第1層石材安裝基準(zhǔn)線精度控制是關(guān)鍵。在保證基準(zhǔn)線精度的基礎(chǔ)上，通過橫向水平通線、豎向垂直通線，對石材盒子水平、垂直、平整度、間隙尺寸等進行嚴(yán)格控制和校核，逐層安裝、逐層檢測，減少安裝誤差。

3.2.3 石材板塊制作成仿青磚石材盒子技術(shù)

石材通過選擇同礦山、同層、同陰陽面荒料來保證色澤均勻；用砂鋸將荒料切割成厚25 mm的標(biāo)準(zhǔn)毛板，再按加工需要的尺寸用紅外線切割儀進行切割，保證對角線誤差不超過1 mm。石材盒子需加工約35 000個，首先自制鋼制固定模具，把切好的石材小板塊加工成石材盒子。要求加工出來的石材盒子尺寸誤差小于1 mm，垂直角度誤差小于20′。石材盒子板塊拼接處開短槽，槽內(nèi)設(shè)置長5 cm鋼銷連接加強，然后用石材黏結(jié)專用膠將板塊拼接處填縫飽滿。

3.2.4 石材盒子表面機磨紋處理技術(shù)

石材盒子外表面用手持角磨機進行機磨處理，打磨成約45°斜紋，形成整體仿青磚效果。打磨時必須注意消除側(cè)面拼縫處石材黏結(jié)痕跡，保證整體磨紋協(xié)調(diào)統(tǒng)一（圖8）。

圖8 石材表面機磨紋處理

3.2.5 保溫節(jié)能降噪技術(shù)

通過四重密封膠、空氣隔離帶（2層仿青磚式窗花組合幕墻中間為寬800 mm的空氣隔離帶）、石材盒子背后填塞50 mm厚保溫巖棉等措施，Low-E中空玻璃在保溫、隔熱、降噪隔聲、采光等方面有無與倫比的優(yōu)勢，節(jié)能效果顯著（圖9）。

圖9 石材盒子安裝完成

3.3 實施效果

太原南站組合幕墻將玻璃與石材這2種建筑材料結(jié)合成一種幕墻形式，打破了傳統(tǒng)幕墻形式，在國內(nèi)大型工程中的應(yīng)用尚屬首創(chuàng)。在工程施工期間通過專家論證、施工樣板等，保證2種不同形式的幕墻相互交融、相互結(jié)合。

4 輕質(zhì)異形屋面施工技術(shù)

4.1 設(shè)計綜述

太原南站主站房屋面為直立鎖邊鋁鎂錳合金金屬屋面，該屋面結(jié)構(gòu)部分采用H型鋼及C型鋼作為主次檁條；面層系統(tǒng)依次為鍍鋅鋼絲網(wǎng)、鋁合金支座、隔氣膜、保溫棉、防水透氣膜以及壓型鋁鎂錳金屬屋面板；排水系統(tǒng)采用厚2.0 mm的SS304不銹鋼板，采用冷彎成型工藝制作成寬600、700、800 mm，高300 mm的天溝；采光系統(tǒng)使用厚25 mm聚碳酸酯板，在每把單元傘上形成X形采光天窗；檐口部分采用型鋼龍骨及厚3 mm鋁單板制作而成；另外，屋面設(shè)計有28個通風(fēng)塔，分布于單元傘的中心（圖10）。

圖10 金屬屋面全景實體

4.2 主要施工技術(shù)

4.2.1 屋面板施工技術(shù)

1）屋面結(jié)構(gòu)層次：本工程屋面結(jié)構(gòu)層次為鋼結(jié)構(gòu)、主檁條、次檁條、鋼絲網(wǎng)、支架、隔氣膜、保溫棉、防水膜、屋面板（圖11）。面板采用板型為65/400型、寬400 mm、厚0.9 mm、長0.5～18.5 m的彩色瓦楞鋼板；防水隔氣膜采用厚0.49 mm的特衛(wèi)強防水透氣膜、厚度0.25 mm的特衛(wèi)強隔氣膜；保溫棉采用厚100 mm、密度為24 kg/m3的玻璃絲棉。

圖11 兩板接頭節(jié)點

2）防水性：屋面板設(shè)計有一定的坡度，順排水方向的屋面板都是整板、無搭接，防水效果好；屋面板塊之間采用機械直立鎖邊咬合形成密合的連接，屋面板上無任何穿孔，防水性好（圖12）。

圖12 聚碳酸酯板施工完成

3）抗風(fēng)性：屋面設(shè)置專用防風(fēng)卡。防風(fēng)卡為高60 mm、寬70 mm的鋁合金卡件，單個防風(fēng)卡采用2顆螺絲進行固定，安裝位置從外檐口第1排固定支座開始安裝，布設(shè)橫向間距為1.2 m，縱向間距為4.5 m。

4.2.2 屋面系統(tǒng)構(gòu)造防水、節(jié)能、耐久施工技術(shù)

1）屋面系統(tǒng)構(gòu)造防水：天溝與屋面交接處、屋脊與采光天窗交接處應(yīng)用了構(gòu)造防水措施。天溝與屋面交接處采用專用密封條及披水板、L30滴水線，使水垂直滴入水槽中，不會形成倒流現(xiàn)象；屋面板與采光天窗采用Z字形披水板進行過渡，屋面板伸入披水板250 mm，伸入屋面板端頭上彎50 mm，并且設(shè)置擋水片，以保證水不會倒流。

2）屋面節(jié)能、耐久技術(shù)：屋面上部設(shè)有自動通風(fēng)塔進行室內(nèi)外空氣流通，根據(jù)室內(nèi)溫度需要，自動調(diào)節(jié)電動百葉，從而降低了空調(diào)用電量。本工程屋面為點支撐方式，面板只與支架發(fā)生接觸，支架底部特別設(shè)計有阻隔塑料墊，將支架與檁條相阻隔，避免產(chǎn)生結(jié)露，避免了長久使用中檁條對支架可能產(chǎn)生的銹蝕。

4.2.3 聚碳酸酯板施工技術(shù)

采光天窗采用聚碳酸酯板，采光面積達15 000 m2，每把單元傘采光形式為X形。采用拜耳品牌中的厚25 mm聚碳酸酯板（聚碳酸酯板具有高透光性、強隔聲性、低熱導(dǎo)率、難燃性、強抗沖擊性等特點），板材采用寬65 mm專用鋁型材固定，在溫度變化時，能起到伸縮作用，且能達到防水效果。

4.2.4 通風(fēng)塔采用聯(lián)動技術(shù)

屋面共設(shè)28個通風(fēng)塔，采用聯(lián)動技術(shù)，在正常情況下自動控制通風(fēng)換氣。控制通過遙控和樓宇監(jiān)控系統(tǒng)及消防聯(lián)動系統(tǒng)來完成，在發(fā)生火災(zāi)時電動通風(fēng)百葉自動排煙。

4.3 實施效果

太原南站站房金屬屋面的屋面板采用直立鎖邊技術(shù)，采光天窗采用聚碳酸酯板，根據(jù)傘狀屋面的幾何尺寸及大跨度的屋面特性，選用了構(gòu)造防水做法，既保證了結(jié)構(gòu)安全，同時也滿足了建筑美學(xué)及使用功能的要求。

5 32 m高空間反吊頂施工技術(shù)

5.1 設(shè)計綜述

太原南站站房由48把傘狀單元體組成，室內(nèi)主天花板吊頂整體設(shè)計效果呈傘形，每把傘形成倒四棱錐形的不同斜面。天花板采用鋁板吊頂，空間層高為19～28 m不等，每把傘面積約1 400 m2，主要規(guī)格為400 mm×4 000 mm、400 mm×4 500 mm，鋁板間橫向留縫5 cm，縱向留縫1 cm。

5.2 主要施工技術(shù)

5.2.1 安全保障措施

1）荷載計算：反吊頂施工之前對主龍骨荷載進行計算，通過龍骨的多樣選擇和試驗確定龍骨類型，確保結(jié)構(gòu)安全。

2）施工平臺、安全生命線設(shè)置：單元傘施工區(qū)域合理利用鋼結(jié)構(gòu)下弦桿鋪設(shè)木跳板并進行固定，同時在鋼結(jié)構(gòu)斜支撐上捆綁鋼絲繩（安全生命線），施工操作面滿掛安全網(wǎng)，確保施工中人員安全。

3）抗風(fēng)性：在專用掛件上預(yù)設(shè)專用防風(fēng)掛件扣鎖，保證鋁板的抗風(fēng)安全。

5.2.2 質(zhì)量控制措施

1）預(yù)測量：施工前根據(jù)施工圖紙，對整個單元傘結(jié)構(gòu)的平整度、垂直度、標(biāo)高等尺寸進行預(yù)測量，確保精準(zhǔn)度。

2）板面平整度：板面平整度主要從兩方面進行控制，一是鋁板材質(zhì)的選擇，二是施工過程中的控制。鋁板采用AA5050系列厚1.5 mm氟碳輥涂沖孔鋁板，從材料源頭保證板面平整度。施工過程中通過對專用掛件間距的控制、吊桿長度的控制、主龍骨角度的控制，保證板面的平整度。

3）板縫：鋁板縱向間距10 mm，橫向間距50 mm，施工過程中采用專用的離縫卡件保證縫隙大小勻稱。

5.3 實施效果

該項技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)滿堂紅腳手架，既節(jié)約了大量的材料，降低了造價，也為施工提供了有效的工作面，便于組織立體交叉施工，保證了工期。

6 結(jié)語

太原南站嚴(yán)格按照“汾水杯”“魯班獎”要求施工，力求把太原南站打造為精品工程。建設(shè)施工過程中，針對太原南站工程特點、難點，在解決實際問題的同時，對設(shè)計和施工技術(shù)進行了詳細的研究和總結(jié)，尤其是大跨度放射傘狀空間桁架的分塊安裝技術(shù)、仿青磚式窗花組合幕墻施工技術(shù)、輕質(zhì)異形屋面施工技術(shù)、32 m高空間反吊頂施工技術(shù)等多項綜合施工技術(shù)的研究應(yīng)用，很好地解決了施工中存在的問題，保證了工程工期、質(zhì)量，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益，為今后大型公共建筑施工提供了示范作用，具有較大的推廣和借鑒價值。