基于功能可視化的橋建合一結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計探索

史 娣

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

基于功能可視化的橋建合一結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計探索

史 娣

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

武漢站是一座集橋梁、建筑特征于一體的全高架鐵路大型客站。武漢站工程提出了“橋建合一”及“功能可視化高效立體疏解客流”的設(shè)計理念及技術(shù)，解決了當(dāng)前大型鐵路客站如何節(jié)省用地、縮短流線和提高運(yùn)營效率等關(guān)鍵問題，開創(chuàng)了我國新一代鐵路客站的技術(shù)方向，實現(xiàn)了理念與技術(shù)的重大突破和創(chuàng)新。論述橋建合一結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計原則、構(gòu)思的基本思想、橋梁結(jié)構(gòu)的選型及結(jié)構(gòu)特點，為今后類似的設(shè)計起到一定的借鑒作用。

橋建合一；功能可視化；結(jié)構(gòu)體系

武廣客運(yùn)專線武漢站是一座鐵路橋梁與站房結(jié)合的建筑，采用超大型橋建合一的綜合結(jié)構(gòu)體系，項目提出了“橋建合一”及“功能可視化高效立體疏解客流”的創(chuàng)新理念，解決了如何利用橋梁結(jié)構(gòu)實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的使用功能，比如：節(jié)省用地、縮短流線和提高運(yùn)營效率等關(guān)鍵性問題，解答了目前車站是沿襲傳統(tǒng)的“等候式”還是照搬國外的“通過式”的爭論性難題，實現(xiàn)了理論的突破和創(chuàng)新。并針對實現(xiàn)這些創(chuàng)新在設(shè)計和建造上“沒有先例參考和規(guī)范可循、高速列車穿越橋梁結(jié)構(gòu)對房屋建筑結(jié)構(gòu)安全及舒適性產(chǎn)生復(fù)雜影響”等一系列重難點問題，展開系統(tǒng)研究，形成了貫穿建設(shè)全過程的成套技術(shù)體系。開創(chuàng)了我國新一代鐵路客站的技術(shù)方向，為后續(xù)特大型高鐵車站的設(shè)計建造提供了理論和技術(shù)支撐。武漢站的研究成果《橋建合一及功能可視化立體疏解客流鐵路車站設(shè)計建造技術(shù)》榮獲2013年度國家科技進(jìn)步二等獎，本文基于功能可視化的橋建合一結(jié)構(gòu)的橋梁設(shè)計技術(shù)進(jìn)行探索。

1 鐵路車站 “橋建合一”、“功能可視化立體疏解”設(shè)計理念及技術(shù)

“橋建合一”車站模式：鐵路的快速發(fā)展使車站規(guī)模日趨大型化，占地大、流線長是樞紐型客站建設(shè)遇到的突出問題。為此，該項目研發(fā)了“橋建合一”建筑模式。把過去平面排布的站臺、站房、廣場立體疊合在一個緊湊的空間體內(nèi)，鐵路以多排并聯(lián)橋梁的形式架空，橋上建站房、橋下設(shè)換乘交通，從根本上達(dá)到節(jié)省用地、縮短流線的目的。

“功能可視化立體疏解客流”理念：衡量交通建筑功能的重要標(biāo)志是效率。在我國以往大型鐵路車站中，空間不透明，旅客缺少方位感和目的性，盲目擁擠會降低乘降效率。加之傳統(tǒng)的“等候式”流程本身也不利于效率提高。針對這些痼疾，項目提出了系統(tǒng)創(chuàng)新理念——將分屬不同專業(yè)領(lǐng)域的橋梁結(jié)構(gòu)和建筑結(jié)構(gòu)跨界融合，提出了“橋建合一”結(jié)構(gòu)體系及其系統(tǒng)設(shè)計，從而實現(xiàn)空間透明化、功能可視化引導(dǎo)組織客流疏解；以“可選式候車”流程使候車不再是乘車必經(jīng)環(huán)節(jié)；以高架鐵路橋下空間作換乘廣場使各種交通無縫對接。為實現(xiàn)“零時間”候車、“零距離”換乘的終極效率目標(biāo)提供可能。

2 橋建合一結(jié)構(gòu)體系設(shè)計原則

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足施工工藝、行車運(yùn)營、城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)、防水、防迷流、防腐蝕等要求，符合技術(shù)先進(jìn)，安全適用、經(jīng)濟(jì)合理與確保質(zhì)量的要求。

(2)橋建合一結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準(zhǔn)期，我國現(xiàn)行規(guī)范暫無明確規(guī)定，由于現(xiàn)行建筑規(guī)范的荷載、材料、地震動參數(shù)都是基于設(shè)計基準(zhǔn)期為50年而提出的，而基于設(shè)計基準(zhǔn)期100年的荷載、材料、地震動參數(shù)等均需進(jìn)行深入的專門研究，所以上部房屋建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準(zhǔn)期按50年考慮為宜。軌道層的高架車站設(shè)計使用年限應(yīng)采用100年，而當(dāng)軌道層處于地面高程時，其軌道層以下結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限應(yīng)按使用年限100年要求。

(3)結(jié)構(gòu)的凈空尺寸根據(jù)其功能要求，滿足不同規(guī)范的建筑限界和其他使用及施工工藝的要求，并考慮施工誤差、結(jié)構(gòu)變形及后期沉降的影響。

(4)結(jié)構(gòu)設(shè)計符合強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性驗算的要求，并滿足施工工藝要求。承受列車動力荷載作用梁亦應(yīng)有足夠的剛度和適宜的動力性能。

(5)上部房建結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)分別進(jìn)行荷載效用組合，并取各自最不利組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計。

(6)對于軌道層直接承受列車動力荷載作用的梁、墩基礎(chǔ)，應(yīng)按現(xiàn)行鐵路橋梁規(guī)范進(jìn)行強(qiáng)度和變形驗算。對橋建合一中的上部房建結(jié)構(gòu)構(gòu)件荷載作用：可變荷載效應(yīng)采用50年設(shè)計基準(zhǔn)期的荷載效應(yīng)乘以考慮設(shè)計使用年限的調(diào)整系數(shù)，再與橋梁荷載效應(yīng)組合按橋梁規(guī)范進(jìn)行相關(guān)驗算。

(7)應(yīng)建立全面反映站房結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)及其二者連接關(guān)系的整體分析模型；由于站房結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)依據(jù)的規(guī)范體系不盡相同，在荷載輸入和結(jié)果提取上，應(yīng)采取在同一模型上“各自施加，整體計算、各取所需”的原則。

“各自施加”是指按照各自所依據(jù)的規(guī)范確定相應(yīng)范圍內(nèi)構(gòu)件的荷載及其組合方式?！罢w計算”是指在整體模型下，進(jìn)行房建和橋梁各自所需的靜力與動力、線性與非線性等計算分析工作?！案魅∷琛笔侵阜拷ê蜆蛄焊髯蕴崛∷璧墓?jié)點位移、構(gòu)件內(nèi)力等分析結(jié)果。在整體計算時，要特別注意建筑結(jié)構(gòu)要求按分步施工順序加載。

3 橋建合一結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)思

3.1 基本思想

作為橋建合一的大型公共交通樞紐建筑，武漢站首先必須在滿足建筑既定功能的前提下處理好地鐵、鐵路橋梁、站房建筑結(jié)構(gòu)間的相互關(guān)系；其次應(yīng)結(jié)合建筑飄逸、展翅欲飛的外形和通透、靈動的室內(nèi)空間，運(yùn)用結(jié)構(gòu)概念和基本原理確定合適的大跨結(jié)構(gòu)方案，去實現(xiàn)建筑“千年鶴歸”的理念。這是武漢站構(gòu)建整個結(jié)構(gòu)體系、各個結(jié)構(gòu)分體系乃至主要構(gòu)件形式和細(xì)部節(jié)點設(shè)計的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計思想，見圖1。

根據(jù)結(jié)構(gòu)特性，武漢站從下而上依次包含有地鐵結(jié)構(gòu)、鐵路橋梁結(jié)構(gòu)、站房及雨棚建筑結(jié)構(gòu)(圖2)，是一種橋建合一的混合建筑。3種結(jié)構(gòu)形式、荷載、特性有較大區(qū)別，設(shè)計所遵循的理論體系也不盡相同。

圖1 武漢站建筑造型

圖2 武漢站剖視

從建筑功能的整體性來講，設(shè)計應(yīng)尋求一種有效的方法將三者有機(jī)地結(jié)合起來，結(jié)構(gòu)設(shè)計則必須考慮不同結(jié)構(gòu)形式之間的轉(zhuǎn)換、支撐、連接和相互影響，并對整個結(jié)構(gòu)中不同部位和不同構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，從而采用一種或多種相應(yīng)的理論設(shè)計進(jìn)行設(shè)計和校核。同時高架鐵路橋梁必須考慮350 km/h速度的高速通過列車，列車從站房的中部通過，其帶來的巨大沖擊和振動必然沿整體結(jié)構(gòu)(水平和豎向)傳播，對其上的站房建筑和其下的地鐵建筑的使用環(huán)境和結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生一定影響。

因此，在構(gòu)建和構(gòu)思整個結(jié)構(gòu)體系時，希望能將這3種不同的結(jié)構(gòu)予以適當(dāng)?shù)姆蛛x，并盡可能切斷可能產(chǎn)生的列車激勵源的傳播途徑，或者使這種振動激勵對整體結(jié)構(gòu)的影響減小，并控制在橋梁、建筑結(jié)構(gòu)可以承受的范圍之內(nèi)，這是進(jìn)行整個結(jié)構(gòu)構(gòu)架的主導(dǎo)思想。

3.2 武漢站橋梁結(jié)構(gòu)選型

高架站臺層是直接承受列車作業(yè)的結(jié)構(gòu)層面，由承載鐵路線路的橋梁和供旅客候乘用的站臺組成。根據(jù)運(yùn)輸需求，武漢站整個站場分為普速場和高速場，各設(shè)置2條鐵路正線，分別需要考慮120 km/h和350 km/h的過站要求。站場布置采用兩臺夾兩線的方式，共計設(shè)置有20條鐵路線路和11座站臺，高架站臺層的平面尺寸達(dá)到229 m×500 m，如果高架站臺層采用整體結(jié)構(gòu)，列車振動激勵的橫向傳播以及溫度應(yīng)力和變形是必須考慮的問題。

高架站臺層必須直接承載運(yùn)行列車的基本功能決定了其作為鐵路橋梁的基本特性和要求。但是其中的站臺板僅承載候乘的旅客，且站臺面與承載運(yùn)行列車的橋梁結(jié)構(gòu)面之間存在大于1.25 m的高差(站臺面距軌面1.25 m)。因此，希望借助站臺板結(jié)構(gòu)切斷不同鐵路線路列車運(yùn)行所產(chǎn)生的振動激勵在高架站臺層橫向的傳遞(特別是承載鐵路正線部分的橋梁振動)，盡可能避免不同線路振動激勵的相互耦合。根據(jù)這個思想，利用站臺面與鐵路橋梁結(jié)構(gòu)面間的高差，站臺板可以設(shè)計成簡支于兩側(cè)的鐵路橋梁之上，并在支座處進(jìn)行處理，允許其與橋梁發(fā)生一定的相對位移，使二者在水平方向不發(fā)生傳力關(guān)系。由此整個高架站臺層變成由10座縱向的鐵路橋梁及橫向簡支于其上的站臺板組成，每座鐵路橋梁承載2條鐵路線路，鐵路橋梁之間相對獨立。武漢站高架橋代表性橫斷面如圖3所示。

圖3 武漢站高架橋代表性橫斷面示意(單位：mm)

雨棚區(qū)縱向每座鐵路橋梁設(shè)計成簡支于橋墩的多孔預(yù)應(yīng)力梁，跨度36 m，核心區(qū)設(shè)計成3跨連續(xù)剛構(gòu)拱，中跨則以48 m跨度跨越地鐵結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)與地鐵結(jié)構(gòu)的分離。為了保證建筑9片屋檐同心排列的效果以及橋梁和屋面構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化，將橫向同心圓弧軸網(wǎng)調(diào)整為間距為36 m的圓弧平移軸網(wǎng)。這樣一來，每座橋梁結(jié)構(gòu)都成為傳統(tǒng)意義上的條狀結(jié)構(gòu)，除中間3跨采用連續(xù)剛構(gòu)拱橋外，其余的橋梁均為36 m雙線簡支梁，可利用靜定體系來釋放溫度變化等產(chǎn)生的縱向變形，而高架站臺層橫向因站臺板的分割，溫度應(yīng)力問題不再成為控制因素。地鐵、鐵路橋梁、站房建筑結(jié)構(gòu)間關(guān)系如圖4所示。

圖4 地鐵、鐵路橋梁、站房建筑結(jié)構(gòu)間關(guān)系示意(單位：m)

高架站臺層之上的高架候車層及整個屋面結(jié)構(gòu)屬于一般的建筑結(jié)構(gòu)，采用大跨度柱網(wǎng)，結(jié)構(gòu)形式為輕巧的大跨樓、屋面結(jié)構(gòu)。由于采用橋建合建的客站形式，為了保證站臺上的通透性，上部豎向支撐結(jié)構(gòu)要求盡可能立在軌道之間，高架站臺上的建筑結(jié)構(gòu)將不可避免地與高架站臺層的橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生結(jié)構(gòu)關(guān)系，很難像解決高架站臺層的振動激勵在橫向的水平傳遞那樣，完全采用分離結(jié)構(gòu)的手段切斷列車激勵的傳播。因此盡可能將上部建筑的豎向支撐構(gòu)件支撐于橋墩，鐵路橋梁梁體在橋墩處設(shè)置結(jié)構(gòu)分縫而與上部豎向支撐構(gòu)件脫開，這樣列車振動激勵經(jīng)過橋梁梁身傳遞至橋墩，再經(jīng)過橋墩才傳遞至上部豎向支撐構(gòu)件乃至整個上部建筑結(jié)構(gòu)。

這種傳遞途徑比上部豎向支撐構(gòu)件直接支撐于橋梁梁身起到了很大的削減振動激勵的作用，而且橋墩的剛度越大，這種削減作用應(yīng)該越明顯。為了保證鐵路橋梁的安全性和列車運(yùn)行的平順性要求，對橋墩的剛度提出了較高的要求，可以達(dá)到盡可能減小振動激勵對上部結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)構(gòu)支撐與橋梁的關(guān)系如圖5所示，武漢站橋墩造型如圖6所示。

圖5 結(jié)構(gòu)支撐與橋梁的關(guān)系示意

圖6 武漢站橋墩造型

4 小結(jié)

武漢站站房內(nèi)高架鐵路橋復(fù)雜的結(jié)構(gòu)受力關(guān)系將分屬不同專業(yè)領(lǐng)域的橋梁結(jié)構(gòu)和建筑結(jié)構(gòu)跨界融合，提出了“橋建合一”結(jié)構(gòu)體系及其系統(tǒng)設(shè)計，從而實現(xiàn)空間透明化、功能可視化引導(dǎo)組織客流疏解，開創(chuàng)了我國新一代鐵路客站的技術(shù)方向，也是我國站房內(nèi)高架橋梁設(shè)計技術(shù)發(fā)展的一個重要里程碑。武漢站于2009年12月26日竣工投入使用，4年來工作正常，累計發(fā)送旅客約2 000多萬人，成為中國鐵路網(wǎng)中的重要交通樞紐。

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Approach to the Visual-function-based Design of Bridge with Structure Integrating Bridge and Architecture

Shi Di

(China Railway SIYUAN Survey and Design Group Cooperation， Wuhan 430063)

Wuhan railway station is a large-scale elevated passenger station， integrating the characteristics of bridge and architecture. Wuhan railway station engineering， puts forward the design idea and technology of “integrating the bridge and architecture ” and “the visualized function and three-dimension for the relieving of traffic”， to solve the current large passenger railway station of the key issues relating to how to save land， and shorten streamline and improve operation efficiency， which orients the technology of a new generation of passenger railway station in China， realizes the breakthrough and innovation of concept and technology. This paper addresses the design principle and basic concept， the selection of bridge structure， and the characteristics of structures， serving as reference for future similar design．

Integrating bridge and architecture; Visual function; Structural system

2014-05-07

史 娣(1979—)，女，高級工程師，2000年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院交通土建專業(yè)，工學(xué)學(xué)士；2005年畢業(yè)于華中科技大學(xué)建筑與土木工程專業(yè)，工程碩士，E-mail：624173433@qq.com。

1004-2954(2014)10-0074-04

TU248.1； U442.5

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.10.018