北京大兴国际机场:世界最大单体隔震建筑

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9月25日上午,在万众瞩目之下,北京大兴国际机场正式投入运营。金色的五条指廊由航站楼中心辐射而出,宛如展翅起舞的凤凰。除了“高颜值”外,北京大兴国际机场创造的各项“世界之最”也成为大家关注的焦点。

北京大兴国际机场:世界最大单体隔震建筑

世界最大综合交通枢纽、世界首座“双进双出”式航站楼、世界首座高铁下穿的航站楼……初步统计,北京大兴国际机场已经创造了40余个国际、国内第一。英国《卫报》更是将其评为 “新世界七大奇迹”之首。而在该机场的众多头衔中,有一个尤为特殊——世界最大单体隔震建筑

我国是多地震灾害、高地震风险的国家,超大城市、重点工程都有着抗震设防的迫切需要。按照2016年实施的国家强制性标准《中国地震动参数区划图》,北京大兴国际机场已经达到所在区域的抗震设防标准,按8度设防。

这个“世界最大单体隔震建筑”头衔的背后潜藏着哪些不为人知的技术创新?北京大兴国际机场又是如何实现高标准的防震减灾设计目标的?记者日前专访了有关专家。

25个足球场大小

结构抗震设防难度大

机场作为城市重要的基础设施和生命线工程,抗震设防能力十分关键。“就北京大兴国际机场而言,各项安全指标尤为严格,航站楼设计工作面临的挑战前所未有。”作为北京大兴国际机场航站楼设计团队成员,北京市建筑设计研究院有限公司副总工程师朱忠义告诉记者,体型大、跨度大、结构复杂是他们面临的首要难题。

从空中看,北京大兴国际机场的主体建筑——航站楼分为两大部分:中心区和位于中央南、东北、东南、西北、西南方向的五条互呈60度夹角的指廊。据测算,仅中心区的屋顶投影面积就有18万平方米,相当于25个标准足球场的大小。

“作为一个巨型单体隔震建筑,中心区的关键在首层(地面层)。”朱忠义介绍,该层的地面是用钢筋混凝土浇筑成的一个完整“地板”,将整个楼体分隔成地面以上的上部结构和地面以下的地下空间。

北京大兴国际机场:世界最大单体隔震建筑

但浇筑面积如此大的钢筋混凝土板,国内外少有先例。如果按照传统做法,用柱子直接支承这块“地板”,承受温度荷载时,在热胀冷缩的作用下,“地板”连接部位会因非常大的水平拉伸而留下安全隐患。

为何不将这块巨型“地板”切割成更小的部分呢?与朱忠义同一团队的成员,北京市建筑设计研究院有限公司高级工程师张琳说,他们也曾考虑过这个办法,但最终放弃了。

张琳解释,这样做虽然便于施工,但被切割部分之间的拉伸作用更加复杂,与上部结构的受力关系也会发生变化,不利于安全。

而且,当遭遇地震时,拼接处存在不确定因素。此外,分割成小块,还会给航站楼的设备布置带来困难。

为了既保证首层“地板”的完整性,又到达建筑整体的抗震设防要求,并且减小温度变化产生的变形影响,设计团队把目光聚焦到了隔震技术上。

1152套隔震装置

刷新多项纪录

“隔震技术是指在建筑物的基础与主体结构之间采取技术措施,隔断或减少地震波向主体结构传递,大大减轻主体结构的地震破坏。”中国地震局地球物理研究所研究员高孟潭告诉记者,常见的做法是在建筑结构底部设置由柔性隔震装置(如橡胶隔震支座)组成的隔震层

采用隔震技术后,上部结构就会“悬浮”在柔性隔震层上,地震发生时,上部结构的地震作用会明显减小:大震,建筑物和基础设施不会遭受严重破坏或减小倒塌风险;中强震,室内装修、非结构构件、室内设备、仪器等不受损坏。

张琳介绍,在北京大兴国际机场项目中,航站楼的隔震装置采用了铅芯橡胶隔震支座、普通橡胶隔震支座、滑移隔震橡胶支座粘滞阻尼器等,整个航站楼总共使用了1152套隔震装置,防震能力显著提升。

张琳说,不仅如此,北京大兴国际机场采用的橡胶隔震支座,无论是体量还是单个支座的吨位都创下国内之最,刷新了此前云南昆明长水机场保持的纪录,仅使用的隔震垫直径就达到1.5米。

因为当时国内缺乏大型隔震支座量产的经验,业主组织专家研讨,并开展了一系列产品性能及破坏性试验。

“这些试验的要求十分严苛,每个出厂的隔震支座送达北京后,还要像过筛子一样,逐一接受第三方开展的多轮专业检测,直到确认合格后才能送到施工现场。”张琳说。

层间隔震

保证列车下穿安全

上千套隔震装置都安装在哪里?张琳告诉记者,如今在机场航站楼的负一层,我们可以看到很多直径2米的柱子支承着首层(地面层)。在柱子的顶端有一个明显的凸起。这是用多层防火材料制成的保护罩,里面便“藏着”橡胶支座等隔震装置。

因为机场地下空间设计的人流量巨大,所以火灾风险需要特别注意。

“当然,安装在这个位置也是另有玄机的。”张琳解释,常见的隔震装置多位于建筑最底层,与基座相连。北京大兴国际机场航站楼楼层较多,首层(地面层)之上有五层,地下有两层。

为了实现不同交通工具同站换乘,航站楼的负二层供高铁、地铁和城际列车通行。但列车的高速出入会产生较强的震动和较大的风压。试想,这样一个巨型建筑,在上述影响因素的耦合作用下,安全风险会有多大?

“所以,我们放弃了传统做法,将隔震装置上移至负一层的柱子顶端,有效减少了列车通行带来的干扰。”张琳描述的这种做法被称为“层间隔震”,该项技术目前在国内属于首创。

不过,“层间隔震”也使得一些新的安全因素被考虑进来。比如,加装了隔震支座的首层“地板”及其上部结构,在遇到地震时可以通过发生合理位移,起到减轻灾害的作用,但穿越该层的各种管线就没那么幸运了,可能会被“折损”。为此,航站楼的越层管线都采用了柔性设计,以保证突发情况下,关键线路不被破坏。

有助国家韧弹性建设和

经济社会可持续发展

在采访中记者了解到,北京大兴国际机场采用的多项隔震技术都属国内首创。然而,隔震理念和有关应用并不新鲜。

高孟潭告诉记者,中国传统建筑中就应用了类似隔震技术,并取得了很好的防灾减灾效果。现代建筑的隔震技术研究与应用起步于上个世纪80年代,并在本世纪得到迅速发展。如今,减隔震技术已经被逐步纳入各类建筑抗震设计规范的内容。一些地震易发区的地方政府已将隔震技术应用作为重要的政策导向。

经过不懈努力,我国隔震技术的应用已经处于国际领先水平。截至2015年,全国采用隔震技术的楼房已经有6000多栋,远超日本的5000栋和美国的180栋。

随着人口、财富和产业快速向城市聚集,城市所面临的地震风险也与日俱增。

对此,北京市地震局局长孙建中呼吁,相关部门共同努力,协同推广减震、隔震等抗震技术的应用,不但在新建工程中鼓励采用减震和隔震技术,在既有建筑物抗震加固工程中也应积极采用减震和隔震技术,不断提升建筑物和基础设施的抗震能力,为应急救援和灾后恢复工作提供更大帮助,不断推动国家韧弹性建设,实现经济社会可持续发展。

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  • 本文由 发表于 2019年10月24日 13:39:57
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