作者|须臾千秋，清华大学土木工程博士
你是否曾为在北京机场排队四个小时等待起飞感到厌倦？你是否曾为坐3个小时地铁才能从南城赶到顺义的机场感到疲惫？很快，所有这些问题都将不再是问题。
位于北京城南的北京大兴国际机场即将正式启用，这座世界最大的航站楼可以容纳每年4500万人次的客流量，瞬间将北京市的民航旅客发送能力提高50%，北京市航空的严重拥堵将会成为历史。
此外，机场还预留出了到2050年1.3亿人次的旅客吞吐量，远超现在的首都国际机场，可堪称真正的“百年大计”。
下面我们就来看看这座机场的特别之处。
（一）外型酷似“派大星”，看似张扬实际上实用性极强
新机场的航站楼为一个放射状的六角星，其中一条射角为机场外的通道，其余五条射角均在机场内，82个登机口沿着射角的每条边依次布置。
这个造型看起来张扬，但却绝非华而不实。它可以将航站楼的周长最大化，提供最大数量的近机位，让机场的运行效率达到最优。旅客从航站楼中心步行到达任何一个登机口所需的时间都不超过8分钟。
在飞机的跑道构型方面，新机场初期一共建设4条跑道，采用三纵一横“全向型”构型，这在国内尚属首次。
这种构型适合京津空中运行特点，为空管运行提供了多种可行方案，最大限度地利用了北京地区紧张的空域资源，减少航空器地面滑行时间。它与既有的首都国际机场南北向对，距离较远，可以最大限度地减轻相互干扰，实现空域优化。
不仅仅是飞机的布置，北京新机场内还会集成为多种交通工具的换乘中心，其中包括公路、高铁、公交以及与机场同步建设同时也即将同步启用的时速高达160公里的快速地铁。
下了飞机，只需不到半小时即可直达北京市中心，2小时以内即可到达河北省中南部的任何一座城市。可以说，北京新机场将依靠巧妙布置和完善配套，成为服务于整个河北省的交通枢纽。
机场的停车场布置也十分巧妙。
它是由八座单独的停车楼组成的一座联体停车楼，实现停车楼的多入口和多出口，保证车辆快速进出停车楼，同时，行车通道的布置可以实现停车楼的每个车位使用几率均等。
在停车楼里，旅客从电梯到达每一个停车位都有专门的人行道，在停车楼里，人行道与车道完全分开，不存在交叉与相互干扰。
（二）难度极高的钢结构屋架，专门设计了抗震结构
外观新颖、功能强大的建筑，同时往往也意味着极高的实施难度。
北京新机场的屋顶及支承结构全部采用形状不规则的钢结构，最大直径超过1100米，总投影面积36万平方米。它的结构受力呈高度非线性，在地震、大风作用下的受力都与普通建筑结构非常不同。
（中央大厅屋顶结构单元编号）
钢结构屋架整体呈放射形，在结构的中央大厅，设置有6组C型柱，形成了180米直径的无柱空间。
这些C型柱与普通的直筒型柱子不同，它们是屋顶钢架的一部分，经过加密和变形进而形成柱子，可以给屋顶提供竖向支撑及抗侧向地震力的刚度，这些C形柱的形状各不相同，高度差异也很大，这会影响结构的整体抗震能力和抗连续性倒塌的能力。
因此，在抗震设计时，工程师们根据C形柱的具体受力情况，专门对每个C型柱各个角度的地震力做了专门的设计，以确保万无一失。
（C形柱的受力）
航站楼的屋顶为不规则的自由曲面，主体为圆钢管杆件相互连接而成的网架结构，钢结构网架的节点是力传递和转换的关键部位，通常为焊接球或铸钢节点。
在施工过程中，如果这些杆件与节点的联结出现了偏差，就会在结构中产生很大的内部应力，使得施工完成后的结构受力状态与设计预期不一致。在操作中，工程师们采用了局部加粗构件以及分段施工、分步卸载等方法，有效地避免了结构内部的额外应力和超大拉力。
作为重要工程，新机场的航站楼抗震能力高达8度，除钢架本身高标准的力学设计外，航站楼还在地下一层柱顶采用了隔震设计，通过“以柔克刚”的设计理念来对抗地震。
隔震层由铅芯隔震支座、普通橡胶隔震支座、弹性滑板支座和阻尼器组成。通过设置这样一层刚度很低，可以在地震来临时大幅移动或变形的隔震层，既可以避免地震力被传入上部结构破坏钢架，又可以通过隔震层的阻尼消解掉地震力，既不一味地增加建筑构件的重量和造价，又有效地提高了建筑的抗震能力。
（机场的隔震布置）
（三）北京周边生态极其脆弱，新机场的环保设计同样可圈可点
不同于几十年前修建的首都机场，北京新机场在建设过程中除了要解决技术问题外，还必须面对苛刻的环保要求。
相比起一般的建设项目，机场的占地面积要大很多，因此涉及到的土石开挖、堆垫区域的水土流失最为显著。
中国华北地区，尤其是北京周边的生态环境本就极其脆弱，水资源极度短缺，水土流失严重。新机场的占地面积高达29.43平方公里，土石开挖量达3935万立方米，是一般机场的10倍大。在降雨和风的侵蚀力作用下，很容易发生大量的水土流失。
（大兴国际机场施工时期的航拍图）
在机场这种已经硬化的场地上，90%的水都会沿着地表排走。预计建成后，每年机场新增的排水量高达305万立方米，这会加剧下游河道的排洪压力。因此，工程师们考虑如何能够将机场中的雨水导出并“变废为宝”，加以利用。
与北京新机场配套，修建了一座容积高达165万立方米的雨水调蓄设施，这远远超过国家标准规定的67.76万立方米。
机场中接收的降雨首先通过遍布机场四处的雨水收集系统汇入调蓄设施，再运往统一的处理中心进行处理回用。即使遭遇特大降雨，规模庞大的雨水调蓄设施也能将其中的大部分储存起来留待后续慢慢处理，使得地表仅有小部分径流，不会对环境造成影响。
集雨装置回收的雨水经处理后，品质相当于“中水”，虽不能饮用，但却可用于水面景观，机场植被绿化，跑道路面、地面的冲洗，汽车的冲洗以及卫生设施。
此外，机场的工作区、货运区中的绿地也暗藏玄机。这些绿地是下凹式的，低于路面约10厘米，可以让路面的雨水迅速汇入绿地中。在机场建筑周边，还通过铺设透水砖等方式，便于雨水通过地表入渗。
这些下渗的雨水被储存在地埋式储水模块中，用于补充水系或绿地灌溉。仅这些下凹式就可以蓄存13万吨雨水，可以做到五年一遇的大暴雨不外排。
机场的建设还会严重破坏华北平原本就十分脆弱的地表植被，占用、破坏大量的耕地、园地、林地，怎么办呢？
在北京新机场的建设中，这些被占用耕地有一定肥力的土壤被收集起来，它们没有被简单地废弃，而是暂时保留。待机场施工结束后，施工期间临时占用的土地被释放了出来，这些土壤可以重新铺覆，重建植被生态系统。整个工程共保护了表土资源713万立方米。
不仅机场区域本身，北京新机场这样的巨型工程还要将整个周边区域看作一个整体，考虑到周边的生态安全格局。
新机场临近永定河保护区，其中生活的大白鹭和绿头鸭都是保护动物。本着占补平衡原则和生态修复原则，北京新机场每占用一块生态用地，就必须修复等量的相应生态用地，修复后必须在区域内恢复原有的生态功能。
（区域综合生态安全格局分析图）
结语
北京新机场启用后，北京将成为国内继上海之后第二个面对“一市双场”挑战的城市，这也是大城市发展的必然结果。在未来，北京新机场预计将主要负责远距离国外航线，与原首都国际机场实现完美分工，将常态化的晚点变成历史。
作者|须臾千秋，清华大学土木工程博士
你是否曾为在北京机场排队四个小时等待起飞感到厌倦？你是否曾为坐3个小时地铁才能从南城赶到顺义的机场感到疲惫？很快，所有这些问题都将不再是问题。
位于北京城南的北京大兴国际机场即将正式启用，这座世界最大的航站楼可以容纳每年4500万人次的客流量，瞬间将北京市的民航旅客发送能力提高50%，北京市航空的严重拥堵将会成为历史。
此外，机场还预留出了到2050年1.3亿人次的旅客吞吐量，远超现在的首都国际机场，可堪称真正的“百年大计”。
下面我们就来看看这座机场的特别之处。
（一）外型酷似“派大星”，看似张扬实际上实用性极强
新机场的航站楼为一个放射状的六角星，其中一条射角为机场外的通道，其余五条射角均在机场内，82个登机口沿着射角的每条边依次布置。
这个造型看起来张扬，但却绝非华而不实。它可以将航站楼的周长最大化，提供最大数量的近机位，让机场的运行效率达到最优。旅客从航站楼中心步行到达任何一个登机口所需的时间都不超过8分钟。
在飞机的跑道构型方面，新机场初期一共建设4条跑道，采用三纵一横“全向型”构型，这在国内尚属首次。
这种构型适合京津空中运行特点，为空管运行提供了多种可行方案，最大限度地利用了北京地区紧张的空域资源，减少航空器地面滑行时间。它与既有的首都国际机场南北向对，距离较远，可以最大限度地减轻相互干扰，实现空域优化。
不仅仅是飞机的布置，北京新机场内还会集成为多种交通工具的换乘中心，其中包括公路、高铁、公交以及与机场同步建设同时也即将同步启用的时速高达160公里的快速地铁。
下了飞机，只需不到半小时即可直达北京市中心，2小时以内即可到达河北省中南部的任何一座城市。可以说，北京新机场将依靠巧妙布置和完善配套，成为服务于整个河北省的交通枢纽。
机场的停车场布置也十分巧妙。
它是由八座单独的停车楼组成的一座联体停车楼，实现停车楼的多入口和多出口，保证车辆快速进出停车楼，同时，行车通道的布置可以实现停车楼的每个车位使用几率均等。
在停车楼里，旅客从电梯到达每一个停车位都有专门的人行道，在停车楼里，人行道与车道完全分开，不存在交叉与相互干扰。
（二）难度极高的钢结构屋架，专门设计了抗震结构
外观新颖、功能强大的建筑，同时往往也意味着极高的实施难度。
北京新机场的屋顶及支承结构全部采用形状不规则的钢结构，最大直径超过1100米，总投影面积36万平方米。它的结构受力呈高度非线性，在地震、大风作用下的受力都与普通建筑结构非常不同。
（中央大厅屋顶结构单元编号）
钢结构屋架整体呈放射形，在结构的中央大厅，设置有6组C型柱，形成了180米直径的无柱空间。
这些C型柱与普通的直筒型柱子不同，它们是屋顶钢架的一部分，经过加密和变形进而形成柱子，可以给屋顶提供竖向支撑及抗侧向地震力的刚度，这些C形柱的形状各不相同，高度差异也很大，这会影响结构的整体抗震能力和抗连续性倒塌的能力。
因此，在抗震设计时，工程师们根据C形柱的具体受力情况，专门对每个C型柱各个角度的地震力做了专门的设计，以确保万无一失。
（C形柱的受力）
航站楼的屋顶为不规则的自由曲面，主体为圆钢管杆件相互连接而成的网架结构，钢结构网架的节点是力传递和转换的关键部位，通常为焊接球或铸钢节点。
在施工过程中，如果这些杆件与节点的联结出现了偏差，就会在结构中产生很大的内部应力，使得施工完成后的结构受力状态与设计预期不一致。在操作中，工程师们采用了局部加粗构件以及分段施工、分步卸载等方法，有效地避免了结构内部的额外应力和超大拉力。
作为重要工程，新机场的航站楼抗震能力高达8度，除钢架本身高标准的力学设计外，航站楼还在地下一层柱顶采用了隔震设计，通过“以柔克刚”的设计理念来对抗地震。
隔震层由铅芯隔震支座、普通橡胶隔震支座、弹性滑板支座和阻尼器组成。通过设置这样一层刚度很低，可以在地震来临时大幅移动或变形的隔震层，既可以避免地震力被传入上部结构破坏钢架，又可以通过隔震层的阻尼消解掉地震力，既不一味地增加建筑构件的重量和造价，又有效地提高了建筑的抗震能力。
（机场的隔震布置）
（三）北京周边生态极其脆弱，新机场的环保设计同样可圈可点
不同于几十年前修建的首都机场，北京新机场在建设过程中除了要解决技术问题外，还必须面对苛刻的环保要求。
相比起一般的建设项目，机场的占地面积要大很多，因此涉及到的土石开挖、堆垫区域的水土流失最为显著。
中国华北地区，尤其是北京周边的生态环境本就极其脆弱，水资源极度短缺，水土流失严重。新机场的占地面积高达29.43平方公里，土石开挖量达3935万立方米，是一般机场的10倍大。在降雨和风的侵蚀力作用下，很容易发生大量的水土流失。
（大兴国际机场施工时期的航拍图）
在机场这种已经硬化的场地上，90%的水都会沿着地表排走。预计建成后，每年机场新增的排水量高达305万立方米，这会加剧下游河道的排洪压力。因此，工程师们考虑如何能够将机场中的雨水导出并“变废为宝”，加以利用。
与北京新机场配套，修建了一座容积高达165万立方米的雨水调蓄设施，这远远超过国家标准规定的67.76万立方米。
机场中接收的降雨首先通过遍布机场四处的雨水收集系统汇入调蓄设施，再运往统一的处理中心进行处理回用。即使遭遇特大降雨，规模庞大的雨水调蓄设施也能将其中的大部分储存起来留待后续慢慢处理，使得地表仅有小部分径流，不会对环境造成影响。
集雨装置回收的雨水经处理后，品质相当于“中水”，虽不能饮用，但却可用于水面景观，机场植被绿化，跑道路面、地面的冲洗，汽车的冲洗以及卫生设施。
此外，机场的工作区、货运区中的绿地也暗藏玄机。这些绿地是下凹式的，低于路面约10厘米，可以让路面的雨水迅速汇入绿地中。在机场建筑周边，还通过铺设透水砖等方式，便于雨水通过地表入渗。
这些下渗的雨水被储存在地埋式储水模块中，用于补充水系或绿地灌溉。仅这些下凹式就可以蓄存13万吨雨水，可以做到五年一遇的大暴雨不外排。
机场的建设还会严重破坏华北平原本就十分脆弱的地表植被，占用、破坏大量的耕地、园地、林地，怎么办呢？
在北京新机场的建设中，这些被占用耕地有一定肥力的土壤被收集起来，它们没有被简单地废弃，而是暂时保留。待机场施工结束后，施工期间临时占用的土地被释放了出来，这些土壤可以重新铺覆，重建植被生态系统。整个工程共保护了表土资源713万立方米。
不仅机场区域本身，北京新机场这样的巨型工程还要将整个周边区域看作一个整体，考虑到周边的生态安全格局。
新机场临近永定河保护区，其中生活的大白鹭和绿头鸭都是保护动物。本着占补平衡原则和生态修复原则，北京新机场每占用一块生态用地，就必须修复等量的相应生态用地，修复后必须在区域内恢复原有的生态功能。
（区域综合生态安全格局分析图）
结语
北京新机场启用后，北京将成为国内继上海之后第二个面对“一市双场”挑战的城市，这也是大城市发展的必然结果。在未来，北京新机场预计将主要负责远距离国外航线，与原首都国际机场实现完美分工，将常态化的晚点变成历史。