Развитие архитектурной и конструктивной форм уникального покрытия здания аэровокзала « Внуково-1» в процессе проектирования

Развитие архитектурной и конструктивной форм уникального покрытия здания аэровокзала «Внуково-1» в процессе проектирования

ЛЛ.Борзенков, Д.Л.Мосягин, А.Б.Павлов, И.Л.Ружанский

Аэропорт «Внуково» наряду с «Домодедово» и «Шереметьево» является одним из трех международных аэропортов в московской экономической зоне. Он находится на расстоянии около 20 километров на юго-восток от столицы.

К 2020 году с дальнейшим ростом экономики московского региона прогнозируется значительный рост пассажиропотока. На основании этих перспектив для аэропорта «Внуково» была разработана программа развития конкурентоспособной инфраструктуры, в том числе строительство нового пассажирского терминала. Габаритные размеры здания терминала «Внуково-1»: длина - до 600 метров, ширина - до 350 метров, площадь покрытия в плане - 100 тыс. кв. метров.

Разработка фирмы Oberrneyer Consult

1 декабря 2004 года компании Oberrneyer Consult было поручено генеральное проектирование нового пассажирского терминала по международным стандартам. Расчет терминала базируется на его пропускной способности в 20 млн. пассажиров в год.

Созданное Oberrneyer Consult архитектурное решение пассажирского терминала АВК «Внуково-1» показано на

рисунке 1. Как сказано в пояснительной записке к архитектурному проекту, форма плана вызвана специфическими для аэропорта рамочными условиями, а характер здания терминала выражен силуэтом волнообразного покрытия и сплошным поясом верхнего света в венце крыши средней оси здания. Надо заметить, что практически такая же волнообразная структура кровли была предложена Fosterand Partners в 1998 году для аэропорта Чхеклапкок в Гонконге.

Весь объем покрытия с точки зрения принципиальных конструктивных решений делится на три зоны (рис. 2-4).

Зона 1 - светонепроницаемое покрытие. В этой зоне по железобетонным колоннам, расположенным вдоль буквенных осей,устанавливаются неразрезные балки, консольно выступающие в торцах пролетов как внутрь здания, так и наружу. Эти балки служат опорами сводчатых конструкций несущего каркаса покрытия.

Зона2-светопрозрачное покрытие в центральной части. В этой зоне по буквенным осям на консольные выступы неразрезных балок в центральной части покрытия устанавливаются несущие конструкции цилиндрического и конического очертания.

Рис. 1. Архитектурное решение пассажирского терминала АВК «Внуково-1»

+38.00

урове

+20.00

-УровенЕ2

+14.00 Ц_

___

Уровень 1

ft

Уровень 0

±0.00

При этом шаг колонн вдоль здания - в основном около 25 метров, в поперечном направлении шагявляется переменным и достигает величины 60 метров.

Климатические нагрузки и воздействия (кроме снеговой) соответствуют требованиям СНиП 2.01.07-85*. Расчетная снеговая нагрузка составила 220 кг/мг, а распределения снеговых отложений были приняты в соответствии с рекомендациями ЦНИИСК им. Кучеренко для данного сооружения с максимальными значениями коэффициента р < 3. Нагрузки от ограждающих конструкций кровель и технологические нагрузки на покрытие были приняты по рекомендации фирмы Obermeyer Consult.

В соответствии с изложенной концепцией Obermeyer Consult институтом ЦНИИПСК им. Мельникова в 2005 году выполнены чертежи КМ (стадия «Проект») несущих металлоконструкций покрытия здания аэровокзала «Внуково-1» по утвержденному техническому заданию. В проекте КМ были разработаны два варианта, отличающихся конструктивной схемой несущих конструкций при сохранении общих очертаний покрытия: «Арки» и «Сеть».

Для варианта «Арки» основными формообразующими несущими элементами являются арки с затяжкой практически по всему плану покрытия, за исключением радиально-коль-цевого купола диспетчерской башни (рис. 4).

Вариант «Сеть» характеризуется несущими металлоконструкциями покрытия в виде однопоясных сетчатых оболочек во всех зонах.

Конструктивные решения несущих металлоконструкций и их узловых соединений соответствуюттребованиям, предъявляемым отечественными нормативными документами, а также отечественными заводами-изготовителями и монтажными организациями. Материал несущих металлоконструкций покрытия - сталь отечественных марок.

Им.

: /

ЗонаЗ-светопрозрачное покрытие купола диспетчерской башни. Формообразующим в этой зоне является купол на овальном плане со светопрозрачным покрытием (рис. 2, 3).

Верхняя часть купола (от отметки 31.289 до отметки 37.557) имеет выпуклую форму, а нижняя часть (от отметки 25.109 до отметки 31.829) - вогнутую форму поверхности (рис. 3).

Опирание металлоконструкций покрытия производится на железобетонные колонны, схемы расположения которых и отметки опирания были определены техническим заданием.

Рис. 2. Зоны принципиальных конструктивных решений покрытия. Вариант «Сеть»

Рис. 3. Купол на овальном плане со светопрозрачным покрытием

Уровень 5

+31.12

Уровень 4

+26.00

Вариант «Арки» (рис. 4).

Принципиальное конструктивное решение в зоне 1.

По балкам устанавливаются арки с затяжками. В уровне верхних поясов арок устанавливаются прогоны, которые в торцах пролета могут быть выпущены консольно для стыковки с центральной зоной и для образования козырьков по контуру здания. По верхним поясам арокустанавливаются крестовые связи, обеспечивающие неизменяемость арочного покрытия в каждом пролете.

Принципиальное конструктивное решение в зоне 2.

По буквенным осям, на консольные выступы неразрезных балок в центральной части покрытия устанавливаются арки с затяжками. По верхним поясам арок каждых двух соседних осей устанавливаются большепролетные решетчатые прогоны, имеющие пролет,соответствующий расстоянию между буквенными осями. Шаг установки решетчатых прогонов согласуется с требованиями генпроектировщика по установке светопрозрачного покрытия. Между решетчатыми прогонами сделаны распорки по их верхним и нижним поясам. По верхним поясам решетчатых прогонов устанавливаются крестовые связи, обеспечивающие неизменяемость системы.

Принципиальное конструктивное решение в зоне 3.

Несущие конструкции покрытия в этой зоне, как в выпуклой, так и в вогнутой частях, выполнены по схеме радиально-кольцевого купола на овальном плане, имеющего по высоте два овальных опорных контура. Сечения ребер, колец и обоих опорных контуров выполнены из сварных или прокатных двутавров. Неизменяемость купола в плане обеспечивается системой крестовых связей.

Вариант «Сеть» (рис. 2).

Принципиальное конструктивное решение в зоне 1.

Несущие конструкции свода - сетчатая оболочка с треугольной ячейкой на основе равностороннего треугольника, опирающаяся по всей длине на бортовые балки. Стержневые элементы двутаврового сечения (конструктивно выполненные в виде двух гнутых швеллеров) соединены между собой при помощи специальных узловых элементов. Соединения сдвигоустойчивые, выполняются на болтах М24 класса прочности 10.9. Длины всех элементов 1_ = 2,421 метра. По

а б в ГДЕ

Рис. 4. Формообразующие несущие элементы варианта «Арки»

верхним поясам стержневых элементов сети уложен несущий профнастил с ориентацией гофр вдоль образующей оболочки, прикрепляемый к стержневым элементам саморезами или дюбелями и развязывающий эти элементы из плоскости. По торцам, в створах колонн, а также в серединах пролетов оболочка подкреплена вертикальными ребрами жесткости в виде арок с затяжками, опирающихся на бортовые балки. Арки выполняются в виде двухпоясной конструкции высотой Иа = 1 метр из гнутосварных профилей.

Принципиальное конструктивное решение в зоне 2.

Несущие конструкции свода - сетчатые оболочки с треугольной ячейкой на основе равностороннего треугольника (за исключением околопроемных зон) цилиндрической и конической формы. Стержневые элементы двутаврового сечения соединены между собой при помощи специальных узловых элементов. Соединения сдвигоустойчивые, выполняются на болтах М24 класса прочности 10.9. Длины элементов I = 4,5-5 метров. Сетчатая оболочка опирается на арки с затяжками, расположенные в створе бортовых балок зоны 1. Пролеты арок меняются в соответствии с сеткой колонн от 20 до 60 метров. Арки выполняются в виде двухпоясной конструкции высотой Иа= 2,5 метров из гнутосварных профилей.

Принципиальное конструктивное решение в зоне 3.

Несущая конструкция представляет собой сетчатую оболочку с треугольной ячейкой и схемой разбивки,аналогичной звездчатой. Стержневые элементы сетчатой оболочки опираются на два эллиптических опорных кольца, расположенных в центральной зоне сооружения и на несущие бортовые элементы подходящих глухих сводов зоны 1. Опорные кольца сварного двутаврового сечения, расположенные в горизонтальных плоскостях, опираются на колонны, установленные по их контуру.

Все стержневые элементы приняты двутаврового сечения. При этом конструктивно стержневые элементы сетчатой оболочки, лежащей выше верхнего эллиптического кольца, выполняются из гнутых швеллеров. Все стержни соединяются между собой при помощи специальных узловых элементов. Соединения сдвигоустойчивые, выполняются на болтах М24 класса прочности 10.9.

Проект был рассмотрен на НТС ЦНИИПСК им. Мельникова, в решении которого отмечено, что оба варианта обладают достаточной надежностью и могут быть осуществлены силами отечественных заводов металлоконструкций и монтажных организаций. Из предложенных вариантов для дальнейшей разработки заказчик выбрал вариант «Сеть».

Однако в апреле 2006 года были приняты СТУ для проектирования АВК «Внуково-1», в которых снеговые нагрузки, являющиеся для конструкций покрытия основными, были резко увеличены. Так, коэффициент снегового отложения практически по всей площади покрытия достигает величин 6 > р > 3, что вдвое превышает величины, принятые при проектировании. В силу этого обстоятельства было принято решение о необходимости изменения конфигурации покрытия в сторону сглаживания поверхности (избавления от снеговых мешков).

В соответствии с этим решением был проведен новый конкурс на создание покрытия для АВК «Внуково-1». Институт ЦНИИПСК им. Мельникова совместно с институтом «Метрогипротранс» разработали новую концепцию покрытия здания, которая в 2006 году была утверждена для разработки проекта и осуществлена в 2008-2010 годах.

Разработка институтов «Метрогипротранс»

и ЦНИИПСК им. Мельникова

Новая форма покрытия, разработанная институтом «Метрогипротранс» совместно с ЦНИИПСК им. Мельникова при активной поддержке генподрядной организации ОАО Корпорация «Трансстрой», представлена на рисунке 5.

На этот раз покрытие приобрело плавное очертание, схожее с обводами самолета. Единая плавно меняющаяся поверхность, накрывающая здание вдоль продольной оси, начинается от куполообразной формы у диспетчерской башни, перетекает к фасаду в виде гигантской арки, обращенному к привокзальной площади, и рассекает цилиндрическую поверхность покрытия боковых частей здания. В покрытии предусмотрено два больших остекленных участка: над залом регистрации и над ресторанным двориком у диспетчерской башни, кроме того, вдоль продольной оси здания размещается два ряда зенитных фонарей.

Разработка чертежей марки КМ (Рабочая документация. Утверждаемая часть в объеме стадии «Проект») несущих металлоконструкций покрытия здания аэровокзала «Внуково-1» выполнена ЦНИИПСК им. Мельникова в соответствии с техническим заданием,утвержденным в 2006 году генеральным проектировщиком - институтом «Метрогипротранс».

Климатические нагрузки и воздействия приняты в соответствии стребованиями СТУ на проектирование конструкций АВК «Внуково-1», разработанные ЦНИИСК им. Кучеренко в 2007 году. При этом снеговые отложения и ветровые нагрузки приняты в соответствии с рекомендациями после продувки модели сооружения в аэродинамической трубе.

Нагрузки от ограждающих конструкций кровель и технологические нагрузки на покрытие приняты в соответствии с указаниями института «Метрогипротранс». Коэффициент надежности по ответственности принятуп = 1,2.

Конфигурация несущих металлоконструкций покрытия соответствует геометрической форме, разработанной ин-

Рис. 5. Форма покрытия АВК «Внуково-1»

статутом «Метрогипротранс» совместно с «ЦНИИПСК им. Мельникова» (рис. 5). Конструктивные решения несущих металлоконструкций покрытия здания и ихузловыхсоединений соответствуюттребованиям, предъявляемым отечественными нормативными документами, а также отечественными заво-дами-изготовителями и монтажными организациями.

Рис. 6. Конструктивная схема покрытия

Рис. 7. Схема распределения снеговых отложений на покрытии согласно результатам продувки модели в аэродинамической

Материал несущих металлоконструкций покрытия - сталь отечественных марок.

Несущая конструкция покрытия состоит из 12 температурных блоков, разделенных между собой температурными швами. Все конструкции симметричны относительно оси 13 (рис. 6).

Геометрически покрытие представляет собой сложную систему, сочлененную из 13 различных оболочек положительной, нулевой и отрицательной гауссовой кривизны, и состоит из продольной части, образованной вращением сложной кривой относительно оси, лежащей в плоскости симметрии и параллельной оси 13 сооружения, и цилиндрических частей с осями вращения, расположенными перпендикулярно плоскости симметрии сооружения.

Конструкция покрытия представляет собой двухпоясную сетчатую оболочку стреугольной ячейкой сдлинами сторон в основном от 7 до 8 метров. Каждая из этих сторон представляет собой плоскую сварную ферму заводского изготовления высотой 2,5 метров из круглых труб.

В узлах сети сходятся между собой, как правило, по б ферм, которые на высокопрочных болтах закрепляются в уровне поясов в узловых деталях заводского изготовления. Узловые детали представляют собой шестилучевые звездочки, каждый из лучей которых является вертикальной фасонкой с отверстиями под болты. В центре узловой детали имеется центральный стержень из круглой стали или из круглой трубы, к которому приварены фасонки-лучи по всей высоте.

Вся конструкция покрытия опирается на железобетонные колонны. Сетка колонн в основном ортогональная и имеет параметры 20 х 25 метров.

Опирание сетчатой оболочки на железобетонные колонны выполняется через пучки из 3 наклонных стоек в виде тетраэдров с вершинами в узлах сетчатой оболочки и на колонне. Стойки выполнены из круглых труб. Сетчатая оболочка в совокупности с пучками наклонных стоек образует пространственную раму в пределах температурного блока, что позволяет передавать на железобетонные колонны как вертикальные, так и поперечные силы с покрытия в любом направлении.

Опирание наклонных стоек на железобетонные колонны шарнирное. Сопряжение конической продольной оболочки и цилиндрических поперечных оболочек осуществляется с помощью криволинейной двутавровой сварной балки с вертикальной стенкой.

Геометрическая неизменяемость покрытия внутри каждого температурного блока обеспечивается собственной жесткостью сетчатых оболочек в сочетании с изгибной жесткостью железобетонных колонн, защемленных в ригелях железобетонных рам в уровне перекрытий.

По верхним поясам ферм сетчатой оболочки устанавливаются прогоны, по которым укладывается профнастил.

На рисунке 7 показано распределение снеговой нагрузки на покрытии (один из рассмотренных вариантов снеговых

отложений), полученное в результате продувки модели в аэродинамической трубе. Отчетливо видны две ограниченные зоны: зона сопряжения цилиндрических оболочек с конической в осях А-Г, где ртах < 3,5, и зона вокруг диспетчерской башни в осях Ч-У, где рта),<4,0. В остальных зонах покрытия 0,2 < р <2,0.

Разработанные ЦНИИПСК им. Мельникова в утверждаемой части РД конструктивные решения металлоконструкций покрытия АВК «Внуково-1» были приняты экспертизой для выполнения по ним проекта РД.

В процессе проектирования в ЦНИИПСК им. Мельникова была разработана новая марка стали 08Г2НМФБ, обладающая всеми необходимыми свойствами для использования в наиболее ответственных частях конструкции - сердечниках узловых элементов и опорных частях. Круглый прокат из этой стали впервые изготовлен ОАО «Уральская сталь».

Для создания расчетных моделей были разработаны детализированные 30-осевые схемы каждого температурного блока, содержащие все конструктивные элементы покрытия (пояса и раскосы ферм, наклонные стойки и т.п.).

Результаты статических расчетов металлоконструкций покрытия, проведенные в ЦНИИПСК им. Мельникова, были подтверждены поверочными расчетами, выполненными ООО «Техсофт». Хорошее совпадение выявлено как для расчетной модели, учитывающей только металлоконструкции

покрытия и верхние части железобетонных колонн,так и для модели, включающей кроме конструкций покрытия еще и все нижележащие монолитные железобетонные конструкции. Аналогичные результаты получены в результате экспертных расчетов, проведенных в ЦНИИСК им. Кучеренко.

Изготовление несущих металлоконструкций покрытия производилось на заводе «Энергомаш» в Белгороде. При этом для разработки чертежей КМД использовались указанные 30-осевые схемы, что позволило существенно сократить сроки выполнения проектной документации КМД и ускорить поставку конструкций на стройплощадку. Монтаж конструкций выполнен фирмой «Стальмонтаж-Эл».

В процессе изготовления в соответствии с требованиями СТУ выборочно были проведены испытания основных несущих узловых элементов конструкции покрытия. Были испытаны более 80 узловых элементов, из которых около 70 подвергались одноосному растяжению. Эти испытания проводились институтом ЦНИИС (Москва). Уникальные испытания 10-узловых элементов были проведены в Миассе на базе испытательного центра КБ им. Макеева. При этих испытаниях были загружены расчетными усилиями в наиболее неблагоприятных сочетаниях одновременно все подходящие к узлу элементы. Шести испытаниям были подвергнуты узловые элементы верхних поясов ферм, где сопрягаются шесть элементов поясов. Четыре испытания были проведены с

Рис. 8. Общий вид здания АВК «Внуково-1» в процессе строительства

94 4 2011

Рис. 9. Зал регистрации. Вид с балкона

Рис. 10. Интерьер зала регистрации

4 2011 95

Рис. 12. Зал вылета

Конструкции покрытия являются главной архитектурной темой интерьеров АВК, которой подчинены остальные архитектурные детали, в том числе системы искусственного и естественного освещения (рис. 9-12).

Development of the Architectural and Constructive

Forms of Shell in the Unigue Design of «Vnukovo-1» Air

Terminal. By LL.Borzenkov, D.L. Mosyagin, A.B. Pavlov,

I.L. Ruzhanskiy

The article deals with two types of architectural and constructive forms of the unique airterminal«Vnul<ovo-l» roofing. The first variant is worked up on the stage «The project» by the Obermeyer Consult firm. The second one is worked up by the «Metrogiprotrans» and CNIIPSK institutes and realized.

The architectural and constructive peculiarities of both variants are considered in development when working up «The project» stage. The overviews and interiors of the realized construction are shown.

Ключевые слова: покрытие, сталь, несущие конструкции, арка, купол, сетчатая оболочка.

Key words: Roofing, steel, bearing constructions, arch, dome, grid shell.

узлами нижнего пояса, где одновременно были загружены б пар подходящих поясов и раскосов. При всех испытаниях разрушения произошли при нагрузках, превышающих расчетные в 1,7-2 раза по наиболее слабому месту - сечению фасонок, ослабленных болтовыми отверстиями, что подтвердило их надежную работу под воздействием расчетных усилий.

Рис. И. Вид интерьера вблизи диспетчерской башни