摘要：本文针对北京大兴机场航站楼采光顶曲面复杂造型特点进行了形体分析，阐述了采光顶与主体结构连接问题，主次钢龙骨（词条“龙骨”由行业大百科提供）、铝合金网壳结构（词条“网壳结构”由行业大百科提供）、三角形玻璃以及收边铝板（词条“铝板”由行业大百科提供）的设计下单问题。
关键词: 曲面采光顶、单层铝合金网壳、BIN技术、形体分析
1、工程概况
北京大兴机场航站楼采光顶主要由中央区钢结构（词条“钢结构”由行业大百科提供）采光顶和八个椭圆气泡窗铝结构采光顶以及指廊带型采光顶所组成(见图一)。其中中央区以及八个椭圆形为曲面采光顶。
北京大兴机场航站楼支撑采光顶的主体钢网架结构曲面造型变化复杂，相比于常规的采光顶，设计与施工都面临前所未有的挑战，由于钢结构网架的特殊构造，采光顶结构与网架结构连接的必须考虑全面和准确无误，为了提高施工质量，采光顶结构的设计与加工应该兼具安全和方便施工安装的特点，玻璃等脆性材料的下单必须高效、准确、无误。为了项目的进度、质量、成本目标，设计应该全面细致的服务好加工、采购、施工管理工作，保证项目的顺利完工。
2、中央区钢结构采光顶系统分析
钢结构采光顶主龙骨为300X200钢方管，次龙骨为80X60钢方管，铝合金横梁扣座通过自攻钉固定在次龙骨上(见图二)，主龙骨和次龙骨都连接形成三角形网格骨架(见图三)。
1)、碰撞检查分析
北京新机场的主体屋顶钢结构为复杂空间网架体系(见图四)，并且整体外形为变化起伏的空间曲面，在这样的体系上设计采光顶，必定会存在一些技术难题需要解决，且考虑到钢结构施工误差和温度作用，如果设计时考虑不深入全面，势必会在后期的表皮施工中埋下重大隐患，所以在前期设计阶段，就应该结合复杂主体钢结构的特点，采取必要的技术手段。
由于采光顶的面积达几万平米，主龙骨组框类型多，采光顶有形状各异的小采光顶单元组成，这些小采光顶单元就像巨龙身上的鳞片一样，贴合在此起披伏的空间网架体系上(见图五)，设计师首先要考虑的第一个问题就是，按照原招标图纸，必须检查采光顶主龙骨与空间网架存在碰撞的可能。
为了解决这个问题，设计师建立了所有采光顶主龙骨的模型，通过BIM软件将采光顶主龙骨与主体钢结构网架做碰撞检查分析(见图六)，找出所有的碰撞点，通过与设计院的沟通，排除了95%的碰撞隐患。
在排除了碰撞问题后，采光顶主龙骨与空间网架的连接方式，也是本工程设计的关键之处。采光顶主龙骨属于附属结构，而空间网架的荷载只能作用在网架节点（词条“节点”由行业大百科提供）上，所以设计院要求幕墙单位提供所需要的连接点的数量和位置，以便在钢结构上设计檩托，方便采光顶后续的施工(见图七)。
采光顶的连接位置达2500多个，(见图八、图九)如此多的连接位的设计将是一个难题，为了解决这个难题，设计师采用了参数化的设计方法，采用一定的算法，最终完成了连接位的全部设计。
2)、主次钢龙骨设计及生产
通过前期主钢龙骨与主体钢结构复杂空间网架的碰撞分析后发现，由于部分空间网架的节点球比较大，所以主钢龙骨与空间网架节点球的碰撞不可避免。为了解决这个问题，必须确定每一根主钢龙骨与主体钢结构节点球的碰撞量和碰撞方式，对每一根主钢龙骨做避位设计处理(见图十)，保证主钢龙骨在现场安装时不会因为与节点球的碰撞而无法安装，提前排除了现场安装隐患，提高了安装的效率，保证施工进度不受影响
采光顶次龙骨由于分格形式和连接方式的多样形，采用了钢铝结合系统，为了提高施工效率和施工质量，保证后续玻璃安装工序的顺利进行，设计深度不再只是停留在施工图的阶段，而是进一步的对次龙骨施工进行细致深入的研究和探讨，由于次龙骨多根杆件交汇连接在一起，杆件相互之间的对接关系必须在建模阶段逐个推算清楚，如果这种工作放在施工现场让施工队自行考虑，即存在材料切割错误、切割精度低等风险，施工的质量和效率也会大打折扣，不利于项目三大目标的控制。为了达到想要的目标，设计师采用装配式建筑思维，运用BIM软件对上万支次龙骨进行了参数化建模，并依据模型绘制加工图，现场每一根龙骨都先按照加工图加工好，然后再逐个拼装(见图十一)。
3、铝结构采光顶系统分析
北京大兴机场航站楼采光顶包含了8个特殊的铝结构采光顶，每个采光顶外观呈气泡状，建设者们简称它们为“气泡窗”。气泡窗采光顶的特殊之处在于，它的结构体系全部为铝合金结构，大到工字铝结构，小到铝合金副框。铝结构采光顶系统由工字型6082-T6铝合金构件、6082-T6铝合金曲面节点圆盘和虎克螺栓组成，在铝结构的上方，是解决采光顶防水、遮阳、节能等功能的构造系统，该系统由铝合金附属型材、铝合金限位块、铝合金压块、紧固螺栓等构件组成。(见图十二)
铝结构采光顶由三角形网格组成，整体呈椭圆球面(见图十三)。
1)、BIM分析
对于三角形玻璃组成的空间曲面，首先要从立体几何学的角度分析清楚这种形式的空间曲面有哪些特征和规律，为后续的设计下单做好理论准备.首先，构成曲面的每一块三角形都是一个平面，其次，通过分析发现，任意两个相邻平面三角形的交线形成了分格线，最后，交汇在一起的多个三角形平面的交点形成了采光顶的分格顶点。(见图十四)
在得出以上结论后，在设计系统节点时就必须遵循上述特征和规律，做到心中有数。由于本项目采光顶外形特征为椭圆球面，相比较于标准球面，构成椭圆球面的相邻三角形平面之间的夹角不是一个定值，而是有一个变化区间，在系统设计时要参考这个区间，做出更合理的设计。为了得到这个区间，必须设计出一个解决这个问题的流程，通常把这个流程称为算法。这个算法如何设计呢?首先，可以通过程序筛选出与每个平面三角形相邻的三角形(见图十五)，然后求出每个三角形与其相邻三角形之间的夹角，最后对结果进行汇总排序，就可以得到这个区间。
有了算法以后，再用计算机语言将算法转化为程序代码，运行代码即可得到三角形面板的夹角区间，再依据这个区间值设计最优的节点系统。有了上面的理论依据，可以建立龙骨以及玻璃面板的BIM模型，然后通过模型提取数据，制作材料加工及采购单(见图十六)。
2)、收边铝板设计及下单
异形曲面采光顶必定会伴随着异形曲面形式的收边收口，尤其是收边铝板的加工和安装效果，决定了项目的施工质量和施工进度，合理的设计与加工不仅仅提高了成品质量，也大大节约了项目成本，更利于成本目标的控制。本项目气泡窗收边铝板的设计与下单，是当前大多数类似工程项目的常见问题，收边铝板的原始模型为一个空间扭曲曲面(见图十七)，如果按照原始几何形态加工下单，面板形式为双曲复杂曲面，加工难度高，加工量产成品率较低，加工成本高企，非常不利于项目目标的控制，所以，要解决的问题是如何对收边铝板进行优化，使板材更容易加工，即不影响原始设计所要达到的效果，也能有效降低成本，提高成品质量。
首先要明确优化目标，第一，将曲面板优化为平板（词条“平板”由行业大百科提供）。第二，优化后面板接缝处会出现翘曲，翘曲不要大于20毫米。第三，优化后的面板效果业主、监理、设计方可以接受。为了达到上述目标，设计师采用有限细分的思想，将收边铝板的分格长度控制到最接近原始曲面的长度，然后通过原始曲面的最接近平面面来重新建立收边面板模型，由于将原始曲面的曲率全部解除，所以会存在面板尖角的翘曲问题，通过参数化设计优化，动态调整分格参数，使最终的翘曲距离控制在目标范围内，最终得到最优收边模型(见图十八)。然后参照模型加工面板。通过最后的施工成品效果，验证了最初的优化是成功的。
经过以上详细的表皮分析和合理的连接构造设计调整措施后，从铝合金网壳结构、三角形玻璃拼装及其铝板收边收口，大部分材料均按理论模型下单，既保证了进度，也完美地实现了建筑表皮效果，图十九是三角形玻璃安装过程，图二十是完成后采光顶照片。
4、结束语
北京大兴机场航站楼采光顶表皮设计采用了BIM技术对采光顶进行了形体分析和碰撞检查，保证了铝网壳结构、三角形玻璃、收边铝板的设计下单都使用一定的工程设计算法，保证了表皮下单效率和加工质量，在形体复杂的建筑项目表皮施工阶段，通过先进的设计手段解决工程疑难问题，这才充分体现设计施工一体化的真正价值。新机场采光顶在屋面外围护结构中具有面积大、曲面造型复杂、科技含量高等诸多特点，它与机场中央大厅以及C型柱完美结合已经成为新机场一道亮丽的风景线(图二十一、二十二)。
参考文献：
[1] 《采光顶与金属屋面技术规程》JGJ 255-2012
[2] 《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102-2003
[3]《钢结构设计标准》GB 50017-2017
[4] 《铝合金结构设计规范》GB 50429 2007
[5] 《空间网格结构技术规程》JGJ7-2010
[6] 《装配式钢结构建筑技术标准》GBT 51232-2016
作者单位：深圳市三鑫科技发展有限公司
