它似一个遗落在大地上的贝壳，泛着银色的珠光静立在天津滨海新区之上，俨然已经成为地标性建筑，但作为国际上最大的单壳体ETFE气枕膜结构工程，于家堡高铁站的建成背后所需克服的困难也是巨大的。

1、工程概况

天津京津城际于家堡站位于天津滨海新区于家堡金融区。是京津城际铁路沿线的终点站。于家堡金融区是集金融办公、商业服务、配套公寓、文化娱乐、休闲旅游等功能于一体的国家级金融商务中心，以京津城际铁路引入于家堡金融区为契机，与天津中心城区、北京形成协调互动发展的格局。

于家堡交通枢纽唯一露出地面的是一个双螺旋穹顶，建筑创意为“美丽的贝壳”。于家堡交通枢纽项目是国际上最大的单壳体ETFE气枕膜结构工程，长143m，宽80m，共由783个大小不同的ETFE气枕组成，工程设计及施工难度堪称世界之最。

2、项目节点

于家堡地面站房经过国际招标，确定了采用"贝壳"建筑设计方案，其灵感来源于鹦鹉螺和向日葵的螺旋线，从圆形双向螺旋网格拉伸出初始平面形态，通过数值"悬挂"形成初始形体，再反转得到贝壳形壳体，最后经与建筑结合，对平面尺寸、高度进行调整，最终形成通透、开敞、明亮、新颖的建筑空间，达到了结构与建筑的完美统一。

于家堡屋面管线布置

ETFE气枕常规节点

ETFE气枕常规节点

三道脱湿，完美防水

铝合金盖板作为第一道防水，铝合金底座与不锈钢水槽作为第二、三道防水，完美解决防水问题。

60s内熔断，领先国际防火水平

工程设计配备15组共60个熔断气枕，接到火灾或烟雾报警，气枕将在自重作用下，形成开口达到排烟效果，且不产生火焰，实现单批次60秒内成功熔断，该技术处于国际领先水平，已申报国家专利。

气枕将在自重作用下，形成开口达到排烟效果

三层膜材，攻克大跨度空间难题

大跨度空间保温是难以解决的问题，而且本项目对透光率、隔热提出了严格的要求。经过多次试验，最后选择三层ETFE膜材均采用银色镀点印刷，以降低膜材的太阳光透射率。系统在指定区域通过充气管线对气枕充气，根据实时气压、光照等条件使材料保持受力最佳状态。

3、结构体系

于家堡综合交通枢纽站房屋盖采用单层网壳结构，为非规则空间曲面造型，其外形为由正、反螺旋线编织而成的贝壳形双曲面，网壳杆件由36组顺时针和逆时针的空间螺旋线交叉编织而成，杆件之间刚接。其屋面采用ETFE膜材。

于家堡单层网壳三维效果图

网壳结构南北向跨度为144m，东西向跨度为81m，矢高为25m，内部无柱，其平面投影近似为半椭圆与半圆的组合，为单轴对称结构。

单层网壳结构体系

网壳南侧设主入口，东西两侧各设一个次入口，各入口门洞均为三角形样式，网壳顶部设较大的天窗。在屋盖顶部及底部设有环梁，以稳固整个空间网壳并有效地将屋盖荷载通过与底环梁相连的支座传递至地下。

工程特点

于家堡单层网壳结构在很多方面实现了国内甚至世界上的突破和创新，具有其独有的工程特点：

(1)跨度方面：于家堡单层网壳结构南北向跨度为144m，东西向跨度为81m，不仅超过了规范中对于单层网壳60m跨度的限值，属于超限结构，同时也是目前国内跨度最大的单层网壳结构。

(2)建筑造型方面：于家堡单层网壳是一个非规则的空间曲面，并且根据仿生学原理，模仿贝壳造型，其建筑造型在世界上是独一无二的。

(3)网格形式方面：于家堡单层网壳的网格是由从顶部延伸出的36组顺时针和逆时针的空间螺旋线交叉编织而成。网格为不规则的空间四边形，四个节点不在同一平面内，为非正交交叉梁结构体系，且各个网格的形状、大小无一相同。

单层网壳网格结构

采用由螺旋线编织形成的不规则四边形的单层网壳在国内外应用不多，针对本站房的荷载传力路径进行了研究，见图5。由图可知，由于该工程屋盖特殊的螺旋造型，其受力及传力路径不同于一般网格的屋盖。通过对该穹顶结构在各种荷载效应下的强度、稳定、变形等一系列分析，深入研究其杆件的合理分区，形成了当前螺旋线网格方案下的优化设计。

站房钢屋盖传力体系研究

(4)节点形式方面：由于于家堡单层网壳的螺旋交织网格，每个节点上的各个杆件均以不同角度相交，各个节点的形状也无一相同。考虑到上述情况，本工程采用十字隔板焊接节点（图6），首次将其应用在大跨度单层网壳中。这种节点完美地解决了本工程的“一个节点一种构造”的难题，成为工程的又一大特色。

(a) 有限元分析模型

(b) 节点试验构件

十字隔板焊接节点

设计中选取受力较大节点，采用STRAND7软件进行了有限元分析。以构件的实际尺寸建立全三维有限元模型，单元类型全部以正六面体实体单元进行单元划分，并控制单元质量。分析表明，在静力荷载工况下，节点的区域应力远远小于构件屈服强度，具有较大的安全储备，满足设计需要。

典型节点不利荷载工况应力云图/MPa

(5)杆件截面形式方面：传统的网壳多使用圆钢管作为杆件，而于家堡单层网壳使用焊接箱形截面钢管作为杆件，且为了保证网壳表面平滑、杆件连接顺畅、节点传力合理，同一螺旋线上的各杆件的空间定位随着螺旋线的发散而绕杆件轴线进行一定角度的旋转，网壳杆件扭转前后对比如图8所示。屋面较平缓处最大截面700（宽）×900（高），壁厚30mm；顶部最小截面400（宽）×600（高），壁厚20mm。

(a) 杆件扭转前

(b) 杆件扭转后

网壳杆件扭转前后对比

(6)杆件内力方面：由于于家堡单层网壳的螺旋交织网格，杆件除承受轴力外，还承受双向弯矩、双向剪力，同时由于单层网壳结构及荷载的非对称性，杆件还承受较大的扭矩。这对于构件设计，尤其是薄壁构件设计提出了又一个要求。

(7)支座约束方面：由于于家堡单层网壳的跨度较大，且网壳的南侧坡度较陡而北侧较为平缓，部分支座的水平推力较大，甚至远大于相应支座的竖向反力。
在对比分析多种支座类型后，最终确定采用双支座模型，即在网壳底环梁的底面和侧面各设置一个球形支座，侧面支座再锚固在混凝土牛腿上。两个球形支座的转动中心与底环梁形心重合，以保证双支座对网壳结构提供“铰接”约束的效果。

网壳双支座模型

ETFE膜材特性

1、抗温度变化，能直接暴露于-200℃—150℃的温度中；

2、ETFE膜的透光率可高达95%。该材料不阻挡紫外线等光的透射，以保证建筑内部自然光线充足。通过表面处理，该材料的半透明度可进一步降低到50%；

3、特有抗粘着表面使其具有高抗污，易清洗的特点，通常雨水即可清除主要污垢；

4、ETFE膜达到B1、DIN4102防火等级标准，燃烧时也不会滴落。厚度通常为0.05mm～0.25mm，且该膜质量很轻，每平方米只有0.15kg～0.35kg。这种特点使其即使在由于烟、火引起的膜融化情况下也具有相当的优势；

5、ETFE膜材完全为可再循环利用材料，可再次利用生产新的膜材料，或者分离杂质后生产其它ETFE产品，所以ETFE膜建筑安全环保。

6、耐腐蚀特性，同时又有对金属特有的较强粘着特性，克服了聚四氟乙烯对金属的不粘合性缺陷，加之其平均线膨胀系数接近碳钢的线膨胀系数，使ETFE（F-40）成为和金属的理想复合材料，具有极优良的耐负压特性；

7、ETFE膜使用寿命至少为25～35年，是用于永久性多层可移动屋顶结构的理想材料。

ETFE膜材作为以含氟树脂为原料，兼备多种优异特点，高透光性、耐候性、优异的机械强度和良好的阻燃性能，已成为建筑师设计各种不同造型的良好选择。ETFE免费咨询热线：136 0000 0240