北京大兴国际机场定位为“大型国际枢纽机场”。场址位于北京市大兴区榆垡镇、礼贤镇和河北省廊坊市广阳区之间，直线距天安门约46公里、距雄安新区55公里、距北京城市副中心54公里、距首都机场约67公里、距廊坊市约26公里。远期规划年旅客吞吐量1亿人次以上，年货邮吞吐量400万吨，飞机起降88万架次。

航站楼由主楼和五条指廊组成，建筑面积约70万平方米，屋面最高点50m，地上五层，地下二层。航站楼的主体结构为全现浇钢筋混凝土框架结构；屋盖为不规则自由曲面钢网格结构；支撑体系由C 型钢柱、支撑筒、钢管柱及幕墙柱组成。

图1  机场航拍图

航站楼核心区钢屋盖的主要结构特点有：

（1）造型复杂，空间位形控制精度要求高。屋盖为不规则自由曲面球节点交叉桁架结构，空间坐标及标高落差大，传力路径复杂，如图2(b)。同时构件密度大、管径粗，相互之间的遮挡效果非常明显；

（2）结构面积大，跨度大，支承体系少。钢屋盖覆盖范围横向宽504 m，纵向长462 m，总投影面积达18 万平方米。各主要支承构件距离60 m~80 m不等，且屋盖外沿最大悬挑达43 m，结构跨度大，如图2(c)；

（3）施工过程复杂，温度效应累积明显。屋盖总体的施工原则为分区施工，分区卸载，总体合拢，结构分为7 个分区，每个分区内部进一步分块，如图2(d)。在累计多次的提升、拼装、合拢、卸载等施工过程中，温度荷载会产生显著的影响。

综合以上特点，不均匀的温度变化会在结构中产生明显的温度效应，并会随着施工过程不断积累，因此，对结构中任意时刻温度场的精确模拟就显得尤为重要。考虑到整体结构体量太大，选取屋盖结构中的典型分区C2-1进行后续研究。

以通用有限元软件ANSYS的热分析模块为平台，结合MATLAB 及APDL 语言，计算C2-1区屋盖钢结构考虑日照遮挡的瞬态温度场。整体计算流程如图3所示，图中的每个步骤的计算结果均与时间相关。

图3  机场温度场整体计算流程

根据北京大兴国际机场 C2-1 施工分区的结构组成与特征，建立热分析有限元模型如图4所示。为使结构温度场的特征及变化规律尽可能明显，取施工过程中经历的某个典型夏至日（2017 年6 月23 日）作为计算日期，计算结构0 h~24 h 的温度场。

图4  热分析有限元模型

结果表明，大跨空间钢结构的温度场具有明显的时变特征与空间非均匀性，夏至日的最低温度发生于5时左右，最高温度发生于15 时左右。不同尺寸构件的温度变化特征有所不同。

图5  有限元分析结果

整体温度最低时，结构顶部的构件温度基本接近气温，但下部构件的温度较高；整体温度最高时，结构顶部的构件温度最高，而下部的温度则较低。这是因为结构下部以支承构件为主，C 型柱、支撑筒等部分的截面尺寸要明显更大，构件比表面积小，对流换热系数也较小，故温度变化较为缓慢，明显滞后于气温的变化；而结构上部的构件以弦杆为主，构件截面细小，升温降温都非常迅速。白天结构上部吸收了大量的太阳辐射，加速了上部构件在日出后的升温速度；夜间失去热源，结构下部构件散热缓慢，赶不上气温下降的速度，因此，温度比气温略高。

从温度场的总体计算结果中可以发现，结构中温度在空间上的分布规律并不明显，且分布情况会受构件的空间位置、遮挡关系、截面尺寸等因素影响，不均匀性较为显著。对于规模较大、形状复杂、重要性高的结构，建议对温度场进行精细模拟，以确定用于设计校核的温度荷载。对于规模较小的结构，在估计其温度分布时，也要考虑构件尺寸所带来的温度不均匀性。