建筑结构丨多重极端条件下的结构设计——乌鲁木齐国际机场T4航站楼

多重极端条件下的结构设计——乌鲁木齐国际机场T4航站楼

文/周健、张耀康、蒋本卫

2022年4月14日，由华建集团华东建筑设计研究院有限公司原创设计，位于新疆乌鲁木齐地窝堡的乌鲁木齐国际机场T4航站楼项目实现钢结构工程全面封顶。作为新丝绸之路的重要节点、国家一带一路的门户机场，乌鲁木齐国际机场是我国面向中亚、西亚地区的重要枢纽。新建的T4航站楼不仅仅是一座功能主义的交通建筑，而且是新疆独特文化的未来延续。

1 项目概况

乌鲁木齐国际机场新建北航站区位于乌鲁木齐市西北郊，包括T4航站楼、楼前交通中心及停车库、能源中心、旅客过夜用房及塔台等。总建筑面积近90万平方米，其中航站楼建筑面积约50万平方米，交通中心约35万平方米。航站楼主楼面宽约684m、进深约215m，三根指廊长度最大816m、宽度最大42m。

项目建成后飞行区将达到最高等级4F，可起降空客A380飞机。飞行区设施按满足2030年旅客吞吐量6300万人次、货邮吞吐量75万吨的目标一次建成，航站区按满足2025年旅客吞吐量4800万人次，货邮吞吐量55万吨的目标建设。

建筑总平面图

建筑总体效果图

2 设计概念

巍巍天山下，汉唐风韵，西域文化在此碰撞交融。航站楼以“丝路天山”为主题，打造西域特色人文机场。建筑师从大漠、雪山等地域景观中提取元素，屋面的三个起伏隐喻“天山”，形成了连绵起伏的壮丽景象。

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丝路天山主题

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概念方案模型和空侧效果图

交通中心及航站楼陆侧效果图

3 结构设计面临的多重极端条件挑战

场地标高条件：航站楼用地范围海拔高程617m～630m，根据跑道及垂滑等场地竖向的规划要求，航站楼首层绝对标高为639.100～641.100m，因而航站楼用地范围须进行回填，最大填方高度约25m。

地震高烈度区：项目位于北天山地震带，多条活动断层从场区穿过，场地设防烈度为8度（0.2g），属于高烈度区。此外，高填方场地地表加速度还有放大效应，地震作用更大。本工程采用多种减隔震技术应对此项挑战。

极端气温条件：乌鲁木齐市50年一遇的月平均最高气温为34℃，月平均最低气温为-23℃；极端最高温度40.5℃，极端最低温度-32.8℃。

风、雪荷载大：100年一遇基本风压为0.70kN/m²，100年一遇基本雪压为1.0kN/m²。

建筑造型特殊：屋盖内外表皮造型均为自由曲面，起伏的三组侧天窗除了采光、通风功能外，还是室内效果的重要组成元素。满足建筑要求的同时，钢屋盖结构的经济、合理性面临前所未有的挑战。

防恐防爆要求：现代航空安全范围扩展到了航站楼及航站区陆侧交通设施的安全，除了满足常规安全防护要求外，还需针对可能遭受的撞击、爆炸等偶然荷载威胁进行专项设计研究。

4 结构设计概况

航站楼设计使用年限为50年，竖向构件、转换构件、大跨钢结构及关键节点安全等级为一级，其余构件为二级，抗震设防类别为重点设防类，抗震设防烈度为8度（0.20g），设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，多遇地震作用下加速度时程峰值按安评结果并考虑高填方影响取为80gal。

航站楼平面布局为几何逻辑感较强的直线性造型设计，有较强的导向性，分为一个主楼和三根平行指廊。航站楼主体共划分为19个结构单元，由主楼中心区（D）、南北三角区（B1、B2、F1、F2）、南北中三指廊（其余编号区段）等组成。主楼中心区尺寸为285m×510m，地下1层、地上4层，采用隔震技术，主体结构为钢筋混凝土框架结构，屋盖为钢管混凝土柱支承的空间曲面网格结构，主楼屋盖长度685m，跨越隔震的D区和非隔震的B1\B2\F1\F2区，屋盖最大建筑高度为55.0m。航站楼中心区下部有规划中的地铁穿过，在国际三角区和国内三角区有市政通道从底板以下穿越。

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航站楼单元划分

地铁、市政通道与航站楼关系

主楼各层结构平面及整体模型示意图

中心区建筑剖面图

5 结构设计特点

特点1

 最大高度25m的大范围场地高填方

航站楼区域大面积填筑采用分层振动碾压结合强夯补强的填筑工艺，场地回填目标：完工后30年内沉降量不大于200mm，差异沉降不大于1.5‰，同时满足规范要求。最终完成场地在主楼与交通中心间还存在约13.5m的高差，由扶壁式挡墙承担土压力。

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场地回填标高（图中数字代表标高，m）

场地填方剖面示意图

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扶壁式挡墙及填方施工照片

填方内及下方存在地铁、市政地道、航站楼地下室、管廊等众多地下结构，需合理规划高填方填筑与地下结构施工工序，在预留沟槽同步施工地下结构与填筑后再开挖之间寻求平衡。

存在市政地道区域施工阶段工况顺序示意图

特点2

最长510m、支座不同标高跨层隔震结构

航站楼隔震范围建筑面积约35万m²，是目前最大的支座位于不同标高的跨层隔震单体。主要采用直径1100mm~1500mm 的隔震支座，共布置隔震支座656个。

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底板和基础三维示意和隔震支座平面布置                             

为避免大量机电管线穿越隔震层对使用的影响，隔震层跨层设置，钢屋盖结构更是跨越隔震区与非隔震区，位于非隔震区的钢柱采用上下两端铰接的摇摆柱。

结构剖面示意图

对于跨层隔震结构，采用整体分析法进行分析设计，并须采取刚度提高措施保证不同标高的隔震支座共同工作，结合建筑功能，地下室局部区域布置剪力墙。

地下室剪力墙布置

乌鲁木齐市昼夜温差大，寒暑变化剧烈，对于平面尺寸达510m的隔震结构，通过设置延期封闭的收缩控制后浇带将混凝土收缩变形引起的隔震支座变形控制在20mm以内，收缩控制后浇带采用低温封闭以减小使用阶段季节温差引起的后续支座变形。

（a）收缩控制后浇带布置   

（b）地下1层结构变形 

（c）首层结构变形

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 隔震层结构降温17℃时作用下变形云图

（a）定位预埋板

（b）下支墩浇筑完成

（c）隔震支座安装

（d）上支墩安装

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隔震层施工照片

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车道与车道边隔震缝标准节点构造

特点3

南北三角区夹层不规则局部减震设计

南北三角区由于三夹层楼板缺失严重，造成短柱抗震不利，达不到预定抗震性能目标要求，因此采用局部减震设计，在三层楼面与三夹层楼面之间布置金属耗能墙，起到“保险丝”作用，减轻短柱的损伤程度。

国际三角区计算模型示意

三夹层金属耗能墙布置

金属耗能墙的等代单元模型（小震及中震计算）

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金属耗能墙减震单元和拟用产品效果图

罕遇地震时程分析的三夹层结构性能

特点4

三角形柱网梁柱节点缓粘结预应力技术

为解决三向20.78m跨框架梁汇交的梁柱节点钢筋过于密集的问题，采用缓粘结预应力技术，缓粘结预应力筋可分股布设穿越。对于钢筋混凝土梁柱节点，严格控制柱内配筋数量和钢筋间距，主梁纵筋排布方式和各层钢筋数量均配合柱子纵筋模数确定。对于钢管混凝土柱节点，通过精细化设计严格规定各类钢筋的施工顺序。

三角形柱网梁柱节点示意

混凝土梁柱节点钢筋排布

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混凝土梁柱节点缓粘结预应力筋排布及照片

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钢管混凝土柱节点BIM模型

钢管混凝土柱节点施工照片

特点5

契合建筑形象的钢屋盖“悬浮”结构

屋面和天窗的曲线形成丝带飘动般的起伏效果，丰富了空间层次，使整体造型兼有天山的巍峨大气和丝绸的柔美飘逸，很好诠释了乌鲁木齐机场作为一带一路枢纽节点的国门形象。

方案阶段陆侧效果图

方案阶段室内效果图

屋盖结构及天窗示意

然而，对于结构工程师来说，在地震8度设防区实现这样的285x685m的异形屋盖设计无疑是个挑战。中间悬浮的屋盖看上去是不是有点像剪纸艺术？

希思罗机场T2航站楼的柱顶侧天窗 

© AFP Relaxnews 

巴塞罗那机场的柱顶侧天窗

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V1.0版 常规柱顶设置侧天窗方案

V2.0版 中柱两侧设置侧天窗方案

V2.1版 中柱两侧设置侧天窗后抽柱方案

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抽柱方案可行的基本原理

本着“天窗是建筑之眼，需要结构成就”的使命感，结构与建筑一起基于参数化模型对天窗曲线进行了多方案的优化比选，确定了兼顾竖向、水平作用可靠传递和飘逸形态的最终方案。

优化调整屋面被撕开的范围

V2.1a版 天窗长度大、柱间设置外露构件

 V2.1b版 天窗长度略小、柱间无外露构件

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方案调整后的室内效果图

侧天窗钢结构深化模型

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柱顶附件侧天窗节点模型（水平传力加强） 和跨中区域侧天窗节点模型

钢屋盖结构施工照片

特点6

基于风险评估的航站楼防恐防爆分析

针对航站楼防恐防爆设计要求，对航站楼与陆侧核心区内的重要设施及区域进行了风险源识别和风险评估，在此基础上对每种威胁因素给出可降低风险的措施，并分析各设施或区域的特性，建议采取的安全措施。

基于风险识别提出多套安检设置方案

对重要结构柱以及玻璃幕墙在爆炸作用下的动态响应及破坏模式进行了有限元分析，对其抗爆性能进行了评估，并采取加强措施。

关键结构柱抗爆工况

不同TNT当量下结构柱的损伤分析

SGP夹胶玻璃幕墙范围建议

近场爆炸下中空夹层玻璃幕墙变形

6 施工进展

2021年5月 主体结构全面分区施工

分区施工不同进展阶段

2021年6月，基础施工、3层楼面施工

2021年6月  钢结构提升前胎架施工

2022年4月 钢结构提升完成状态

2022年4月 交通中心及航站楼主楼施工照片

2022年4月 航站区施工全景

  项 目 信 息

业主：乌鲁木齐临空开发建设投资集团有限公司

建设地点：新疆乌鲁木齐市

设计单位：华东建筑设计研究院有限公司

总建筑面积：航站楼约50万平米

项目状态：在建，预计2023年12月完工

设计时间：2016年 06月-2019年06月

图片来源：

除特别注明外，其余图片或视频均由作者单位（华东建筑设计研究院有限公司）提供。

供稿人：

张耀康，华东建筑设计研究院有限公司结构工程院总工程师

作者简介：

周健，1990年毕业于同济大学，现任华东建筑设计研究院有限公司结构总工程师，教授级高工，国家一级注册结构工程师。主要从事大跨、超高层及各类复杂结构的设计与研究工作，主持完成了浦东国际机场（T1、T2、卫星厅）、虹桥机场（T2、T1改造）、南京禄口T2、杭州萧山T4、乌鲁木齐机场T4航站楼、港珠澳大桥珠海口岸、天津周大福金融中心、武汉中心、G60科创云廊、长沙冰雪世界等重大项目的结构设计。

张耀康，2003年毕业于东南大学，现任华东建筑设计研究院有限公司结构工程院总工程师，正高级工程师，国家一级注册结构工程师。近年先后负责港珠澳大桥珠海口岸、上海虹桥国际机场T1航站楼改造、重庆塔、长沙冰雪世界矿坑生态修复利用工程、乌鲁木齐国际机场改扩建工程、上海冰雪世界、浦东国际机场南区地下枢纽工程等项目结构设计。获得包括全国及省部级优秀设计奖项20余项，2019年首届建筑结构行业杰出青年，2019年上海市优秀青年工程勘察设计师，2021年获中国钢结构协会创新人才奖。

蒋本卫，2008年毕业于浙江大学，现任华东建筑设计研究院有限公司结构工程院副总工程师，设计总监，高级工程师，国家一级注册结构工程师。10多年来主要从事大跨结构及超高层建筑结构的设计与研究工作，设计完成了港珠澳大桥珠海口岸、乌鲁木齐机场T4航站楼、昆明长水机场T2航站楼、成都大魔方演艺中心、重庆塔、南京金融城二期、东北亚国际会展中心等标志性项目，多次获得国家和上海市优秀建筑设计奖，并在国内外核心期刊发表论文10余篇。

欢迎查阅

由周健，张耀康，蒋本卫等撰写的文章《乌鲁木齐国际机场T4航站楼主楼结构设计》已在《建筑结构》第52卷第9期刊登，欢迎大家查阅！

责任编辑：刘润琦

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