天津西站站房拱頂空間建筑設(shè)計

孟 然

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

天津西站站房設(shè)計的基本理念是，在如此復(fù)雜的樞紐建筑實體中實現(xiàn)建筑設(shè)計的簡潔性，尋找單一性和多樣性之間的平衡，創(chuàng)造其獨(dú)特性和實用性的統(tǒng)一，充分體現(xiàn)高品質(zhì)的交通建筑。因此，從最初的造型設(shè)計就采用醒目的編織拱頂和渾厚的柱廊基座用以構(gòu)成站房形象主體。在2008年12月底，寓意為“光輝”的天津西站設(shè)計方案，一個象征著天津美好未來、代表鐵路高速發(fā)展的新型火車站得到部、市領(lǐng)導(dǎo)的一致認(rèn)可。天津西站古典的拱形與現(xiàn)代的工程技術(shù)相結(jié)合，明確表達(dá)了天津西站的城市功能——一座通往未來的現(xiàn)代化火車站。西站的核心就是編制大拱和貌似支撐大拱的基座柱廊以及拱頂所覆蓋的動感空間，在所有旅客可視空間里面進(jìn)行了大量的空間研究和方案比較工作。并對公共空間的細(xì)節(jié)處理作了細(xì)致的對比和借鑒。鳥瞰圖見圖1。

設(shè)計之初與結(jié)構(gòu)專業(yè)研究了拱頂?shù)氖芰π问郊敖Y(jié)構(gòu)對建筑體形的要求，結(jié)合線間立柱、設(shè)置轉(zhuǎn)換層等條件明確縱向拱腳分格間距為10.75 m最為合理。拱頂過高會產(chǎn)生較大的水平推力，過低弧形效果欠佳，整體外觀不協(xié)調(diào)。最終確定大拱圓心位于站房中心地下－8.06 m標(biāo)高處、矢高37 m、大拱高度57 m、跨度114 m。拱形屋面結(jié)構(gòu)體系為聯(lián)方網(wǎng)格型單層網(wǎng)殼。單層網(wǎng)殼弦桿構(gòu)件采用實腹箱形梁。高架兩側(cè)裙房鋼框架作為拱形屋面結(jié)構(gòu)的支座及主要的抗側(cè)力構(gòu)件。整體屋蓋結(jié)構(gòu)不設(shè)置伸縮縫。拱頂屋面包括南北懸挑部分全長396 m。設(shè)計構(gòu)思圖見圖2，圖3。

結(jié)構(gòu)外露是天津西站設(shè)計的一大特點，要求以結(jié)構(gòu)形式變化體現(xiàn)建筑空間的豐富層次。因此，在保證整個結(jié)構(gòu)體系安全的前提下，建筑對結(jié)構(gòu)構(gòu)件體量、尺寸、形式等方面提出較高的設(shè)計要求:高架室內(nèi)拱頂空間采用外露變截面鋼結(jié)構(gòu)拱形形式，拱頂部較寬較薄(高1 m，寬2.2 m)，底部則變化為窄而高(結(jié)構(gòu)梁高3 m，寬0.8 m)，以結(jié)構(gòu)構(gòu)件形式體現(xiàn)建筑設(shè)計意圖，不再進(jìn)行過多的吊頂裝飾。頂部較寬底部較窄對空間的遮陽也起到了積極的作用。通過不斷優(yōu)化建筑方案及構(gòu)件形式和尺度、每個結(jié)構(gòu)單元格菱形對角線處的弧度、鋼結(jié)構(gòu)表面涂裝色彩以及光澤度的控制，達(dá)到理想的建筑空間形式與結(jié)構(gòu)受力的完美結(jié)合(見圖4)。

圓拱形結(jié)構(gòu)可以創(chuàng)造出南北長346.5 m，東西跨度114 m的大尺度開敞空間，塑造出純凈、大氣、具有震撼力的室內(nèi)空間，給旅客呈現(xiàn)一種簡潔、現(xiàn)代的候車氛圍。

同步進(jìn)行著拱頂內(nèi)部環(huán)境以及幕墻分格和建筑材料的研究。拱頂主要由三角形檁條、采光天窗、主體鋼結(jié)構(gòu)組成，天窗面積達(dá)54%。如此巨大的天窗面積，在北方的交通建筑中非常罕見。對于國內(nèi)常見的用于采光頂篷的外圍護(hù)材料，著手在可塑性強(qiáng)的玻璃和自重輕、爆裂問題較少的聚碳酸酯板之間進(jìn)行比較、咨詢。從材料耐久性、對空間效果的影響、熱工性能、清潔性能、造價、產(chǎn)品使用成熟度等眾多方面的權(quán)衡確定屋面采光材料為玻璃。

采用玻璃關(guān)注度最高的就是玻璃的自爆以及日后的維護(hù)。對于防止玻璃自爆設(shè)計方面盡量控制玻璃的單方向尺度，避免雙向超大玻璃，拱頂最大玻璃尺寸1 000×4 950。充分考慮拱頂結(jié)構(gòu)變形對整體幕墻的影響，設(shè)置多方向長圓孔鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)接件用以消除拱頂變形對幕墻的擠壓、拉伸作用。

大面積玻璃的使用，節(jié)省了照明用電量，但會造成一定的能源浪費(fèi)，且由于太陽輻射的存在，通過玻璃屋頂直射到人身體上，會大幅增加人體的熱感覺。為合理確定拱頂玻璃參數(shù)以及是否設(shè)置遮陽系統(tǒng)，天津西站進(jìn)行了室內(nèi)環(huán)境分析以及室內(nèi)環(huán)境舒適度的研究。這也是國內(nèi)交通建筑中首次針對人體舒適度進(jìn)行的環(huán)境分析研究。根據(jù)玻璃采光要求及遮陽性能的可行性研究，從節(jié)能、舒適、美觀及經(jīng)濟(jì)四方面綜合考慮，最終確定屋頂玻璃太陽能透射率為10%，遮陽系數(shù)為0.25，傳熱系數(shù)為1.65 W/(m2·℃)，采用雙銀Low-E鋼化夾膠中空玻璃(共三層)，再增加50%左右彩釉可達(dá)到以上設(shè)計參數(shù)，無須考慮內(nèi)外遮陽設(shè)施。結(jié)合適度的通風(fēng)、制冷、供暖，達(dá)到最優(yōu)的節(jié)能方案。拱頂與拱腳部分根據(jù)消防性能化要求設(shè)置適度的自動排煙窗，拱頂排煙窗的設(shè)置對于室內(nèi)的通風(fēng)、排熱非常有利。

對于拱頂幕墻的后期維護(hù):高大無柱空間的設(shè)計為旅客提供了開敞舒適的候車空間，大氣磅礴的候車感受，但也對日后的檢修維護(hù)帶來了很大的困難。拱形屋頂是天津西站建筑中最具標(biāo)志性的一個部分，也是維護(hù)最為復(fù)雜的部分。透明玻璃屋頂面積占據(jù)整個屋面系統(tǒng)面積的54%，拱頂上設(shè)置大量燈具。經(jīng)過對國內(nèi)外擦窗設(shè)備的參考和研究，室內(nèi)維護(hù)主要利用蜘蛛車。在10 m高架層安置展臂高度可達(dá)47 m的蜘蛛車，進(jìn)行內(nèi)幕墻的清潔以及燈具的更換，并在高架層設(shè)置蜘蛛車專用停車室。室外設(shè)置蜘蛛人吊鉤，拱頂設(shè)置南北通長不銹鋼欄桿，并在20 m裙房屋面上留有小型蜘蛛車，用于屋面玻璃的更換。以多種相結(jié)合的方式解決外幕墻的后期維護(hù)問題，室內(nèi)蜘蛛車輔助。山墻部分內(nèi)外側(cè)設(shè)置擦窗機(jī)軌道，便于今后擦窗設(shè)備的使用。

通過以上一系列的研究，天津西站拱頂方案基本確定。超大的拱頂形式被喻為是一座超大尺度的城市大門，內(nèi)部則容納了站房最重要的候車大廳，通透的鋼結(jié)構(gòu)采光屋面引導(dǎo)自然光線進(jìn)入到大廳，47 m高的無柱空間使旅客對站內(nèi)各部分功能一覽無余，同時也有著清晰的方向感。拱頂展開面積55 900 m2，玻璃面積約30 120 m，約占拱頂總面積的54%。雙向編織拱頂鋼結(jié)構(gòu)造型優(yōu)雅并極富動感:空心箱形鋼梁截面的不斷變化，形成下部較為通透上部相對寬大具有遮陽效果的獨(dú)特結(jié)構(gòu)形式。為了突顯拱頂與眾不同的結(jié)構(gòu)美，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)和裝修設(shè)計上盡量簡潔。拱頂整個體系僅由玻璃采光頂、三角形檁條以及主體鋼結(jié)構(gòu)組成。屋面檁條通過轉(zhuǎn)接件與拱頂主體鋼結(jié)構(gòu)上表面連接，檁條支撐玻璃幕墻系統(tǒng)。檁條外包穿孔鋁板，鋁板表面處理為金屬光澤深灰色氟碳噴涂，內(nèi)襯吸音棉，兼具吸聲功能?？梢婁摻Y(jié)構(gòu)表面處理為金屬光澤銀灰色氟碳噴涂。鋼結(jié)構(gòu)外側(cè)為屋面鋁板天溝，寬度隨鋼結(jié)構(gòu)尺度變化而變化。

拱頂構(gòu)造圖見圖5。

拱頂玻璃采用TP8+12A+6TP+1.52PVB+6TP中空夾膠雙銀Low-E鋼化玻璃。玻璃上面50%彩釉條。拱頂共設(shè)置512個電動開啟窗。在鋼結(jié)構(gòu)上側(cè)與三角形檁條對應(yīng)的側(cè)面穿孔鋁板與鋼結(jié)構(gòu)之間設(shè)置100寬凹槽，作為拱頂部分管線的走行空間。

作為基座的20 m高拱廊裙房強(qiáng)調(diào)了慷慨大度的城市空間性和使用上的開敞性，營造了站前廣場與站房之間舒適宜人的過渡空間。站房20 m以下南北主入口是以寬度為1 m，外裝飾面為石材的柱式墻體作為分隔，中間為17 m高的玻璃幕墻。5 m以下包括許多服務(wù)空間的入口，采用退后的玻璃幕墻與石材墻面結(jié)合;5 m以上的石材百葉可以遮擋部分直射光，另外整個立面單元利用玻璃幕墻和石材百葉之間約0.7 m的空間設(shè)開啟門作為清潔通道。柱廊頂部的天窗在視覺上延續(xù)了立面上1.67 m寬的條形玻璃幕墻，同時為柱廊空間帶來了豐富的光影變化。

東西立面為整體玻璃幕墻立面，相對于輔樓立面，設(shè)計上力求簡潔。為了保證內(nèi)部一些服務(wù)房間的使用以及外觀不受影響，玻璃幕墻采用中空彩釉玻璃，室內(nèi)一側(cè)為黑線彩釉玻璃，既保證了室內(nèi)采光，室外效果也較為整體統(tǒng)一。

立面材料僅限于天然石材、玻璃和深灰色金屬板三種，柱廊、實墻面、石材百葉、柱廊頂和地面采用同一種天然石材(白麻)，玻璃幕墻框全部為金屬光澤深灰色，單純的材料選擇用以突出建筑的體量感和空間感。深色金屬材料的運(yùn)用與淺色石材形成對比，在石材與玻璃大量運(yùn)用的立面中更顯沉穩(wěn)。

立面節(jié)點圖見圖6。

石材的分格水平方向與玻璃幕墻保持一致，以1 m為模數(shù)，轉(zhuǎn)角部分則采用“L”形石材，減少了石材的拼縫。在緊張的施工過程中，極大的提高了建筑整體品質(zhì)。這種柱轉(zhuǎn)角石材的做法也延續(xù)至室內(nèi)空間。