傳統(tǒng)建筑業(yè)為我國高能耗行業(yè)，每年生產(chǎn)建材消耗各種礦產(chǎn)資源100億t以上，水泥、鋼鐵、鋁板等各類建筑材料生產(chǎn)能耗、建筑工程施工能耗等廣義建造能耗約占全國能耗總量的26%[1]。

相比發(fā)達(dá)國家，國內(nèi)建筑業(yè)還較為粗放，科技水平低，以現(xiàn)場濕作業(yè)、半手工操作為主，施工質(zhì)量、進(jìn)度不僅受制于施工人員綜合素質(zhì)，同時受季節(jié)、氣候影響較大。進(jìn)而加劇建筑工程建設(shè)活動與自然環(huán)境的矛盾，高能耗、高污染、低效率的傳統(tǒng)建造模式與當(dāng)前的新型城鎮(zhèn)化、工業(yè)化、信息化發(fā)展要求不相適應(yīng)，也與我國承諾2030年前實現(xiàn)“碳達(dá)峰”的目標(biāo)背道而馳。

為改變建筑工程帶來的資源消耗、環(huán)境污染等問題，自1992年里約熱內(nèi)盧“聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會”首次提出“綠色建筑”概念后，綠色建筑在越來越多的國家實施和推廣。在發(fā)展過程中，專家學(xué)者逐漸認(rèn)識到綠色建筑不應(yīng)僅僅是一個結(jié)果，還應(yīng)貫徹在工程建造全過程。因而近幾年，各國紛紛將綠色建造納入國家戰(zhàn)略。2018年，美國發(fā)布《美國重建基礎(chǔ)設(shè)施立法綱要》，關(guān)注工程建造過程的經(jīng)濟效益和可持續(xù)發(fā)展，提出建筑產(chǎn)品全壽命周期成本到2025年降低50%，到2030年實現(xiàn)工程建造過程100%碳中和。英國則制定了《英國建造2025》，提出通過數(shù)字設(shè)計、智慧建造等措施實現(xiàn)綠色、可持續(xù)的工程建造過程[2]。

我國住建部于2021年1月發(fā)布《關(guān)于開展綠色建造試點工作的函》，要求在湖南省、廣東省深圳市、江蘇省常州市開展綠色建造試點工作，到2023年底形成可復(fù)制推廣的綠色建造技術(shù)體系、管理體系、實施體系和評價體系，為全國其他地區(qū)推行綠色建造奠定基礎(chǔ)[3]。通過采用多種綠色技術(shù)、一體化設(shè)計、裝配化施工、信息化管理等生產(chǎn)方式推廣綠色建造模式，不僅將明顯降低建筑工程資源消耗和環(huán)境影響，并將促進(jìn)我國建筑業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展，實現(xiàn)我國建筑產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化。

從國外的工程經(jīng)驗來看，目前綠色建造模式的體系化應(yīng)用還主要集中于居住建筑[4]，并逐步推廣至辦公、酒店等功能相對簡單、單元性強的建筑工程，大型交通工程應(yīng)用實例較少，但其中部分內(nèi)容對于鐵路客站的設(shè)計、施工有著同樣積極的指導(dǎo)意義。

1）前期設(shè)計綠色化。在鐵路客站設(shè)計前期，結(jié)合工程所在地氣候條件、環(huán)境特征進(jìn)行綠色設(shè)計策劃，統(tǒng)籌考慮建筑形態(tài)、地方特色材料、綠色建筑技術(shù)、能源使用方案等設(shè)計內(nèi)容，實現(xiàn)節(jié)地、節(jié)材、節(jié)能的綠色設(shè)計目標(biāo)。

2）工程體系工業(yè)化。在鐵路客站分部分項工程設(shè)計、建設(shè)過程中制定模數(shù)協(xié)調(diào)、構(gòu)件選型、連接方式等標(biāo)準(zhǔn)，逐步建立鐵路客站工程標(biāo)準(zhǔn)部品構(gòu)件庫，采用少規(guī)格、多組合的設(shè)計方法，建立鐵路客站工業(yè)化體系。

3）建設(shè)過程信息化。在應(yīng)用BIM技術(shù)輔助鐵路客站設(shè)計、施工的基礎(chǔ)上，搭建整合能源管理、設(shè)備管理、客運管理等系統(tǒng)信息的集成平臺，采集并分析設(shè)計、施工、運營各階段信息，提高工程管理效率。

4）工程管理集約化。充分利用鐵路客站工程管理中全過程設(shè)計、設(shè)計采購施工總承包（EPC）等模式，促進(jìn)設(shè)計、生產(chǎn)、施工深度融合，提高工程管理集約化水平。

建筑工程工業(yè)化體系包含建筑設(shè)計工業(yè)化、建筑體系裝配化、構(gòu)件生產(chǎn)工廠化、現(xiàn)場施工機械化、組織管理科學(xué)化各個環(huán)節(jié)。全過程以設(shè)計為主導(dǎo)，協(xié)同生產(chǎn)、施工、管理各個環(huán)節(jié)，以工廠化生產(chǎn)、實施的建筑工程為最終成果[5]。

鐵路客站建筑規(guī)模較大、工藝流線復(fù)雜、關(guān)聯(lián)專業(yè)眾多，在現(xiàn)階段工程整體采用工業(yè)化體系難度較大，因而相比其他幾項綠色建造模式內(nèi)容，鐵路客站的工業(yè)化發(fā)展尚在起步階段。但相較其他類型工程，鐵路客站的部分設(shè)計特性對促進(jìn)工業(yè)化設(shè)計頗為有利。

其一，體現(xiàn)在鐵路客站的功能布局。為滿足列車運營的安全性及旅客上下客的舒適性，鐵路客站工程中的站臺、站臺雨棚、進(jìn)出站口等分部分項工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)相對統(tǒng)一，在單個客站工程內(nèi)具有同一性，在不同類型鐵路客站中具有規(guī)律性，通過工業(yè)化設(shè)計、工廠化生產(chǎn)，逐步建立標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫，進(jìn)而適用于不同類型鐵路客站，形成規(guī)模效應(yīng)后可提高工程質(zhì)量、施工效率及經(jīng)濟效益。

其二，體現(xiàn)在鐵路客站的設(shè)計模式。鐵路客站設(shè)計實行設(shè)計方全過程負(fù)責(zé)制，把握整體方案、室內(nèi)外裝修、景觀照明等各個設(shè)計環(huán)節(jié)。這與由設(shè)計為主導(dǎo)的工業(yè)化建造方式極為契合，能有效保障裝修與建筑同步開展、裝修與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計、深化設(shè)計與施工協(xié)同推進(jìn)，有利于在建造全過程中貫徹“少規(guī)格、多組合”的工業(yè)化設(shè)計核心理念并形成系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，兼顧建筑功能與造型的同時提高建筑工程經(jīng)濟性，從而逐步建立鐵路客站工業(yè)化設(shè)計體系。

因而，采用工業(yè)化設(shè)計思想開展鐵路客站中具有同一性、規(guī)律性的分部分項工程建設(shè)，將成為在鐵路客站中應(yīng)用綠色建造模式的新切入點。

受到同濟大學(xué)禮堂拱形屋頂采用裝配式鋼筋混凝土網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的啟發(fā)[6]，綜合考慮建筑造型、結(jié)構(gòu)受力、施工便利等不同影響因素，鄭州南站站臺雨棚設(shè)計采用工業(yè)化設(shè)計思想，對構(gòu)件模數(shù)、構(gòu)件單元尺寸、構(gòu)件單元拼裝方式進(jìn)行研究，將鄭州南站預(yù)制裝配清水混凝土聯(lián)方網(wǎng)殼雨棚作為鐵路客站工業(yè)化設(shè)計的一次積極探索。

鄭州南站雨棚為無站臺柱雨棚，位于站房南北兩側(cè)，單側(cè)站臺雨棚由17拱連續(xù)而成，順軌方向長98.1 m，垂軌方向長370 m，兩側(cè)站臺雨棚投影總面積為66 420 m2。站臺雨棚采用的混凝土聯(lián)方網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，兼顧結(jié)構(gòu)耐久性及維護便利性，斜向交叉的次梁不僅有效傳遞受力且形成了富有韻律感的菱形單元，充分表達(dá)了結(jié)構(gòu)之美（圖1）。

模數(shù)協(xié)調(diào)是實現(xiàn)建筑工程工業(yè)化設(shè)計的基礎(chǔ)，便于大批量構(gòu)件的規(guī)格化和定型化生產(chǎn)，從而穩(wěn)定工程質(zhì)量并降低生產(chǎn)成本。我國建筑工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件所采用的基本模數(shù)1M為100 mm,在具體工程中結(jié)合建筑布置特點會采用擴大模數(shù)，即基本模數(shù)的整數(shù)倍，用Nm表示。鄭州南站雨棚順軌方向柱跨為11 400 mm，因此擬選用2M (200 mm）或3M (300mm）為雨棚構(gòu)件單元的模數(shù)尺寸。

鄭州南站雨棚順軌方向柱跨為22 800 mm，垂軌方向跨度有21 240/21 500/21 800 mm等7種（圖2），以21 500 mm居多，拱矢高4 100 mm，矢跨比約1/5，網(wǎng)殼板厚120 mm,肋梁截面200 mm×500 mm。

取22 800 mm×21 500 mm為一個屋面研究單元，拱形屋面弧長約為21 400 mm。將順軌柱跨11400 mm分別按4等分/3等分/2.5等分及2等分斜向劃分后，可得到以下4種菱形構(gòu)件單元（圖3):

*單元邊長為2 200 mm,垂軌方向分為7格；

*單元邊長為2 700 mm,垂軌方向分為6格；

*單元邊長為3 600 mm,垂軌方向分為4格；

*單元邊長為4 700 mm,垂軌方向分為3格。

除邊長為4 700 mm的構(gòu)件單元外，其余構(gòu)件單元尺寸為2M(200 mm）或3M(300 mm），符合雨棚構(gòu)件模數(shù)尺寸。

從建筑造型角度來看，構(gòu)件單元尺寸變化會明顯影響空間感受。單元邊長為2 200 mm時，與1 300 mm見方的雨棚柱尺寸較相近，形成的整體網(wǎng)殼較為密集，與站臺空間尺度感不相匹配；網(wǎng)殼單元邊長為4 700 mm時，順軌方向僅有3個單元，整體網(wǎng)殼過于稀疏，難以形成令人愉悅的韻律感。

從結(jié)構(gòu)受力角度來看，聯(lián)方網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)荷載主要為結(jié)構(gòu)自重，通過肋梁將網(wǎng)殼板、梁荷載轉(zhuǎn)遞到兩個方向主梁。聯(lián)方網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)單元為22 800 mm×21 500 mm，縱橫柱距比例接近1:1，網(wǎng)殼單元夾角接近90°時，肋梁相互垂直，傳力更均衡，結(jié)構(gòu)整體受力更合理。

從裝配工藝角度來看，聯(lián)方網(wǎng)殼構(gòu)件在工廠完成預(yù)制，運輸?shù)浆F(xiàn)場并起吊至離地面10 m以上進(jìn)行拼接，網(wǎng)殼構(gòu)件單元越小、單元數(shù)越多，則運輸、起吊、拼裝工作量越大。構(gòu)件單元擴大，則構(gòu)件單元自重相應(yīng)增加。4種網(wǎng)殼構(gòu)件單元對應(yīng)的構(gòu)件自重分別約為320 kg、460 kg、720 kg和1 100 kg，其中邊長為4 700 mm的網(wǎng)殼單元自重超過1 t，大幅增加起吊和拼接難度。同時，網(wǎng)殼構(gòu)件單元擴大、單元數(shù)減少后，需要較高的預(yù)制精度及現(xiàn)場拼接精度，才能保證整個雨棚網(wǎng)殼屋面的圓順光滑。

綜合考慮建筑造型、結(jié)構(gòu)受力、施工便利三方面制約因素，邊長為2 700 mm的構(gòu)件單元便于吊裝，對施工精度要求較低，結(jié)構(gòu)受力合理，且形成的整體聯(lián)方網(wǎng)殼空間效果較為理想，較好地平衡了三方面要素。

在確定聯(lián)方網(wǎng)殼構(gòu)件單元尺寸后，仍以順軌柱跨21 500 mm，拱矢高4 100 mm的斷面為研究對象，進(jìn)一步研究可適應(yīng)各種跨度的構(gòu)件拼裝方式，以獲得較高的預(yù)制裝配率。因雨棚結(jié)構(gòu)斷面為拱形，如按豎向受力結(jié)構(gòu)方向拼裝構(gòu)件單元，單個構(gòu)件的上下表面尺寸一致，但順軌方向的網(wǎng)殼板、肋梁構(gòu)件尺寸均有微差，不僅增加構(gòu)件種類，還會增加現(xiàn)場拼裝的難度。

因此，將邊長2 700 mm，厚度120的菱形網(wǎng)殼板及200 mm×500 mm肋梁作為一個網(wǎng)殼標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件單元，單個網(wǎng)殼構(gòu)件單元順軌方向弧長約為3 600mm、夾角為15.69°，5個構(gòu)件單元沿網(wǎng)殼弧線法線方向拼接，與主梁連接處為半個構(gòu)件單元。頂部設(shè)置天窗的構(gòu)件單元，外形尺寸與標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件相同，其天窗尺寸由標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件尺寸內(nèi)偏400 mm，為邊長2 300 mm的菱形單元（圖4）。

其余網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)斷面順軌柱跨不等，但拱高一致，因而如以相同方式拼接構(gòu)件單元，對應(yīng)的構(gòu)件單元尺寸有一定差異，如21 240 mm柱跨對應(yīng)的構(gòu)件單元弧長為3 520 mm、夾角為15.71°，而21 800mm柱跨對應(yīng)的構(gòu)件單元弧長為3 605 mm、夾角15.28°。多個相近且未對應(yīng)模數(shù)的構(gòu)件單元尺寸明顯增加工廠預(yù)制及現(xiàn)場拼裝難度，與“少規(guī)格多組合”的工業(yè)化設(shè)計思想相違背。考慮到不同柱跨所對應(yīng)的構(gòu)件尺寸差值較小，因而嘗試在柱跨為21 800 mm、21 240 mm這兩種網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)斷面沿用弧長約為3 600 mm、夾角為15.69°的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，即圖5中紅色區(qū)域用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件拼裝，與主梁相連的半個構(gòu)件單元尺寸（圖5藍(lán)色區(qū)域）根據(jù)不同柱跨調(diào)整尺寸（圖5）。

通過模擬以標(biāo)準(zhǔn)單元為主的拼裝方式在21 800 mm、21 240 mm這兩種網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)斷面的排布效果，最外側(cè)半個單元與標(biāo)準(zhǔn)單元拼接處在理論上存在的折角對實際空間效果影響較小。隨后，對聯(lián)方網(wǎng)殼整體建模以進(jìn)一步驗證該種拼接方式的可行性。除部分雨棚端部曲線半徑較小處，弧長約為3 600 mm、夾角為15.69°的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件可適用于不同柱跨的大部分區(qū)域，整體裝配率可達(dá)87%。

在常規(guī)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)工程中，標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件整體在工廠預(yù)制加工、非標(biāo)構(gòu)件現(xiàn)澆施工，構(gòu)件之間的拼裝節(jié)點是結(jié)構(gòu)抗震的薄弱環(huán)節(jié)，一般通過在節(jié)點部位加強配筋、提高鋼筋接頭性能、在結(jié)合面上設(shè)置鍵槽、粗糙面等方式提高節(jié)點強度。鄭州南站站房承軌結(jié)構(gòu)采用“橋建合一”形式，正線高速列車通過時產(chǎn)生的激勵力對站房結(jié)構(gòu)的振動影響較為明顯。而聯(lián)方網(wǎng)殼構(gòu)件單元結(jié)合面高度僅120 mm，采用加強措施后雖能保證其結(jié)構(gòu)安全性，但在長期振動影響下，構(gòu)件單元結(jié)合面易開裂，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)耐久性、防水性。

因而，鄭州南站聯(lián)方網(wǎng)殼構(gòu)件單元最終采用預(yù)制疊合構(gòu)件，即60 mm預(yù)制屋面板+60 mm疊合現(xiàn)澆屋面板，利用預(yù)制屋面板作為上層疊合現(xiàn)澆屋面板的模板，與梁模板密封后，現(xiàn)澆肋梁作為剛性節(jié)點將預(yù)制構(gòu)件可靠連接（圖6）。

確定標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的預(yù)制疊合做法后，為降低運輸成本，選擇距離工程所在地1 h車程以內(nèi)的專業(yè)PC構(gòu)件廠作為鄭州南站雨棚的疊合板構(gòu)件樣板生產(chǎn)廠家。樣板生產(chǎn)時模板采用6 mm不銹鋼板，并通過激光切割拼焊成模板鋼骨架，流水線工藝完成混凝土施工，樣板成品顏色均勻，表面光潔，重量適中，便于裝配施工。

鄭州南站站臺雨棚燈具、視頻監(jiān)控、廣播等設(shè)施沿聯(lián)方網(wǎng)殼肋梁點狀布置，所需電纜按20%的備用量在施工網(wǎng)殼肋梁時預(yù)埋鋼管。確保站臺空間效果的同時，也便于日后維護。此外，還在屋面板內(nèi)預(yù)埋6 mm厚鋼板，預(yù)設(shè)光伏板支架及避雷帶措施。

現(xiàn)場大面積施工前，為保證清水混凝土結(jié)構(gòu)的整體成型效果，對于混凝土配比、模板體系、現(xiàn)澆部分梁板結(jié)構(gòu)是否分次澆筑等關(guān)鍵點通過多次試驗、研究樣板，確定采用木模板體系、一次澆筑梁板結(jié)構(gòu)的施工方案。

施工雨棚屋面時，待梁模板搭建完畢后起吊預(yù)制屋面板并封閉木模板與預(yù)制板間隙。因預(yù)制屋面板強度較高，現(xiàn)場待屋面板鋪裝完畢后即可綁扎梁、板面筋，在拱形屋面底部傾角較大處增加鋼絲網(wǎng)進(jìn)行阻隔，減小混凝土向下流動，隨后一次澆筑梁、板。

因單跨屋面順軌長度98.1 m，超過50 m，根據(jù)規(guī)范要求分兩次澆筑混凝土，采用上述工序施工一跨雨棚屋面，9天可完成一半預(yù)制屋面板吊裝，4天完成一半梁板面筋綁扎，1天完成一半混凝土澆筑，同時穿插組織施工，合計21天完成一跨雨棚屋面，充分體現(xiàn)在實際工程應(yīng)用工業(yè)化設(shè)計的優(yōu)越性。

鄭州南站雨棚采用預(yù)制裝配清水混凝土聯(lián)方網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，將工業(yè)化設(shè)計方法與工程固有特性相結(jié)合，標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件采用工廠預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆相結(jié)合的預(yù)制疊合構(gòu)件，兼顧了結(jié)構(gòu)安全性和裝配施工經(jīng)濟性，將建筑造型、結(jié)構(gòu)形式和施工工藝三者相融合，是鐵路客站工業(yè)化設(shè)計的一次有效嘗試，也為鐵路客站綠色建造模式的發(fā)展開拓新思路。