作者：楊笑天

 大阪關西機場 Kansai International Airport

建筑設計：倫佐.皮阿諾,日建設計,巴黎空港協會

結構設計:Arup(鋼屋蓋),日建設計(混凝土和基礎)

層數:主樓地上4層,地下1層

高度:檐口高23.97米，屋面最高36.54米

 

2018年9月4日，受強臺風“飛燕”的影響，日本關西國際機場的跑道和停機坪被淹，將這個著名的機場又一次推到了風口浪尖。

今天我們來了解一下，關西機場的結構設計，以及它為何不斷下沉？

 

01

結構設計 

關西國際機場航站樓，于1994年9月投入使用，是日本第一座可24小時全天候運營的機場。

建筑設計草圖

建筑橫向剖面

航站樓長達1.7公里，在建筑設計概念上，它追求連續的空間感受，呈現流動的形態，剖面造型像一架滑翔機。整體建筑功能復雜但細節卻不失精致。

暴露在室內的空間華倫桁架

由V形斜柱支撐，中間最大跨度達82.8米。

同時，它也是一項工程傳奇，在填海地基上建造的超大規模的機場，以及優美的大跨度空間桁架屋蓋結構。關西機場建成的第2年，經受住了阪神大地震的考驗，幾乎沒有任何損壞。

航站樓由主樓和兩翼長廊組成，主樓平面尺寸318x153m，兩翼平面42x677m，全長1672米。國際航線到達廳在機場大樓1層，出發廳在4層，國內航線到達出發廳均在2層。

1. 空間桁架

主樓橫向近160米，屋蓋共分為6跨。由V形斜柱或搖擺柱支承。空側長廊為鋼索加勁的單層結構，其余5跨為空間桁架結構。

剖面示意模型

俯視示意模型

空間華倫桁架，橫斷面為三角形，構件在三個維方向布置，大大提高了桁架的整體穩定性。主桁架共計18榀，間距14.4米，桁架之間布置次級鋼梁和支撐體系。

空間桁架和斜柱、梭形柱的傳力路徑

2. 斜柱

▼ 建筑中大量應用了V形斜柱、搖擺柱、斜撐

▲ 施工現場：柱端直徑收小，采用高強螺栓連接

如今看到的精美柱腳節點好像只是外包裝飾板

3.長廊結構

空側長廊結構：屋蓋與立面呈連續的整體，鋼結構為單層形式，一端支承在斜柱或空間桁架的懸挑端，另一端支承在混凝土結構樓面。

▲ 空側長廊的結構單元模型

以鋼拉索和支撐加強的單層結構

整體呈現筒形，有利于減小海風荷載

沿縱向布置了許多斜撐桿，加強了單層結構的曲面內剛度。在橫剖面上，我們看到在曲面轉折位置有一些拉索，加強結構曲面外的剛度。

▲ 用于加勁的拉索幾乎難以覺察

▲ 主鋼管貫通，斜撐、系桿不在同一平面連接

▲ 節點：柱腳銷軸軸

▲ 空側長廊的建造現場

4. 索桁架幕墻

▼ 幕墻索桁架呈魚腹式，一半在室內、一半在室外

▼ 最靠邊的一榀桁架、斜柱、索桁架幕墻

5. 屋面

屋蓋采用雙層屋面系統

外層82000塊不銹鋼屋面板塊拼接

每塊1.8m x0.6m

外層不銹鋼折肋屋面，有利于釋放溫度作用

每隔150~200m設一道變形縫(兼抗震縫)

 

02

填海與沉降 

土地是日本的稀缺資源，因此工程師選在大阪灣東南部的海面填出一塊大型人工島(4.0公里x 2.6公里)，用以建造這個機場。

圍海填筑人工島

原場地的海水深約18~20m。地質勘探表明，地基表層屬于正常固結的沖積粘土層，厚度約20米，下層則為超固結的洪積粘土層和砂礫層。 

填海建成的關西機場（右為一期，左為二期） 

歷時3年填筑了1.8億立方填料，填料厚度達33m左右，填料附加在原土層上的荷載達到450kN/m2。設計時預計航站樓在建設過程中沉降約1.5m，運營50年后還將下沉1.5~2m，遠期的最終總沉降量為5.5m。

設計航站樓的基礎時，考慮了承載力、沉降、抗震性、施工等因素，選擇在填海地基上用砂井加固的方法。至于基礎梁則采用剛度大的鋼筋混凝土梁，減小不均勻沉降的影響。

一期人工島的歷年沉降量

然而，自建設之日起，場地的沉降速度便遠超預期。在人工島剛出水時曾緊急停工1年，研究沉降的解決方案，最終臨時修改設計將高程再加高3m。 

截至2015年底，一期人工島累計沉降已達13.12m，其中，機場營運之后的沉降達3.30m。雖然人工島下的軟土層在持續壓縮下，已經歷了長達20多年的土體變形，孔隙水基本消散完成，已遠超經典土力學認為的孔隙水消散的時間，但至今它仍以每年6cm速度繼續下沉，絲毫沒有減緩的跡象。

以此趨勢，若干年后關西國際機場一期人工島的高程降至高潮位時的海面以下是極有可能的。而二期人工島的下沉速度更快，每年的下沉速度達30cm。

二期人工島的歷年沉降量

縱坐標單位為m，沉降速度非常之快  

如何應對巨大的沉降量和不均勻沉降，在設計之初就是一個重要課題，應預留一定的措施，使得在運營中能夠對不均勻沉降進行糾正和調節。其中，頂升系統可謂最有先見之明，不然關西機場可能已經沉沒了。

柱腳的頂升系統

用千斤頂將柱腳抬起，安裝墊片調平

頂升系統是在航站樓地下一層實施的，在柱腳設置千斤頂，可以根據監測的沉降數據，將各個柱子的標高重新調平和抬高。

 

在關西機場建造之初，人們可能并沒有考慮到全球氣候變暖的影響。聯合國政府間氣候變化專門委員會曾預計，到2100年海面可能會上升18～59cm，甚至更多。這對關西國際機場無疑是雪上加霜。工程師們為了延續這座機場的生命、延緩它的沉沒，仍在不斷努力中……

參考文獻：

1.日本關西機場或將沉入大海,大連海事大學王諾教授，

2.日本結構技術典型實例100選,日本建筑構造技術者協會編,滕征本等譯

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