采用自平衡懸吊體系優(yōu)化城市軌道交通高架車站建筑設(shè)計

李文新

（廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，510010，廣州∥高級工程師，國家一級注冊建筑師）

1 國內(nèi)城市軌道交通高架車站概況

根據(jù)與城市道路的位置關(guān)系，城市軌道交通的高架車站可分為路側(cè)式、跨路式、路中式3種型式。其中：路側(cè)式車站因線路區(qū)間占地較多而難以實現(xiàn)；跨路式車站因上跨非機動車道，在建筑設(shè)計時也受限制；路中式車站布置靈活，與區(qū)間過渡順直，最能夠體現(xiàn)高架線路易于建設(shè)、節(jié)省投資的特點。因此，國內(nèi)多數(shù)高架車站采用首層架空路中式。本文以此作重點研究。

高架車站按結(jié)構(gòu)形式分為“建-橋分離式”和“建-橋組合式”兩種?！敖?橋分離式”常見于高鐵車站，多適用于車站規(guī)模及列車荷載較小、站臺長度一般不超過150 m、并列站臺數(shù)量不超過5個、不需要采用超大跨度與荷載的結(jié)構(gòu)體系，因“建-橋分離式”極少采用，故在此不作分析?！敖?橋組合式”根據(jù)站內(nèi)軌道梁與主體結(jié)構(gòu)體系的連接方式又可分為“軌道梁支承式”、“軌道梁固接式”兩種形式，如圖1所示。

圖1 “建-橋組合式”高架車站結(jié)構(gòu)示意圖

2 傳統(tǒng)長懸臂梁托換結(jié)構(gòu)體系車站建筑分析

國內(nèi)已建成的高架車站多為首層架空的“建-橋組合”形式，其中最普遍采用的受力體系為傳統(tǒng)的長懸臂梁托換結(jié)構(gòu)體系（以下簡稱“傳統(tǒng)體系”）?，F(xiàn)以廣州某軌道交通車站為例，對采用傳統(tǒng)體系的車站建筑進行功能與形體分析。

2.1 室內(nèi)空間利用與平面功能

傳統(tǒng)體系的站廳層為橫向3跨4柱框架結(jié)構(gòu)，室內(nèi)被立柱分割為3個無主次關(guān)系的條形空間，如圖2、圖3所示。因柱跨限制，本該作為車站核心區(qū)域的中跨卻零碎狹長，低下的空間利用率不利于站廳平面功能布置；室內(nèi)框架梁縱橫交錯，低矮的有效空間不利于機電系統(tǒng)布置；邊跨外側(cè)有托換柱及邊縱梁，可利用的外墻面積有限，不利于公共區(qū)自然采光通風(fēng)。

圖2 傳統(tǒng)體系高架車站結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 傳統(tǒng)體系高架車站的站廳平面圖

2.2 建筑體量對城市景觀的影響

高架車站結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)體系受力傳遞路徑為：站臺雨篷、樓扶梯、建筑外圍護系統(tǒng)等豎向荷載通過托換柱傳遞到站廳層長懸臂梁端部，經(jīng)長懸臂梁傳遞到首層墩柱（見圖4）。豎向荷載集中在結(jié)構(gòu)最不利點，導(dǎo)致長懸臂梁尺寸增大，隨之增加的結(jié)構(gòu)自重又迫使首層墩柱加粗，最終梁柱尺度失調(diào)，造成建筑體量厚實，不利城市景觀。

2.3 人行過街天橋?qū)Τ鞘械缆返挠绊?/h3>

城市軌道交通車站與地面人行道之間需架設(shè)人行過街天橋?qū)崿F(xiàn)連通。為不影響城市道路通行，天橋一端應(yīng)上跨路面車道并支承在車站結(jié)構(gòu)上，不宜在車道上立墩。傳統(tǒng)體系站廳層長懸臂梁根部高度通常在2 m以上，而位于城市主干道上的人行過街天橋總荷載一般約為4 000 kN，故需加大懸臂梁根部高度至3 m以上方可滿足承載要求。當軌道交通車站軌面高度受到限制不能繼續(xù)增加梁高時，人行過街天橋則無法直接擱置在車站結(jié)構(gòu)上，只能在機動車道上增設(shè)橋墩，如圖5所示。

圖4 傳統(tǒng)體系高架車站結(jié)構(gòu)豎向受力傳遞路徑示意圖

圖5 傳統(tǒng)體系高架車站人行過街天橋與道路關(guān)系示意圖

3 自平衡懸吊體系車站建筑分析

3.1 自平衡懸吊體系概述

自平衡懸吊體系是近年來國內(nèi)城市軌道交通高架車站采用的一種全新結(jié)構(gòu)體系（見圖6），其建筑特點為車站體量輕盈、空間開闊、視野通透。車站采用鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土的混合結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的主要受力體系為自身平衡穩(wěn)定的拉桿懸吊體系，豎向荷載通過站廳層短懸臂梁傳遞到首層墩柱。

3.2 自平衡懸吊體系相比傳統(tǒng)體系的優(yōu)勢

傳統(tǒng)體系的高架車站室內(nèi)空間狹小零碎，外觀粗重厚實，對城市景觀及道路負面影響較大，而自平衡懸吊體系具備了解決這些問題的優(yōu)勢?，F(xiàn)將廣州地鐵同一條線路上軌面高度、車站規(guī)模、邊界條件完全相同的A（傳統(tǒng)體系）、B（自平衡懸吊體系）兩座車站進行量化分析比較，數(shù)據(jù)如表1所示。

通過表1的分析可看出，自平衡懸吊體系的車站設(shè)計具有室內(nèi)空間完整、外觀輕盈通透、對城市景觀及道路影響小等優(yōu)勢。此外，從工程建設(shè)成本方面分析，按2017年的市場價格（鋼筋混凝土0.18萬元/m3，鋼結(jié)構(gòu)0.85萬元/t）計算，B車站地上部分土建造價為1 332萬元，A車站為1 425萬元，土建造價大致持平，但B車站的鋼結(jié)構(gòu)在施工速度上優(yōu)勢明顯，且無需搭建滿堂腳手架，占用道路施工的時間至少可縮短2個月。

圖6 高架車站結(jié)構(gòu)自平衡懸吊體系示意圖

表1 傳統(tǒng)體系與自平衡懸吊體系的高架車站綜合比較

4 自平衡懸吊體系車站設(shè)計方法

4.1 設(shè)計思路

（1）高架車站設(shè)計的根本矛盾是建筑空間利用率與結(jié)構(gòu)梁柱尺寸之間的矛盾：擴大建筑空間需要加大懸臂梁高度，加大梁高會降低車站凈空。如果通過加大層高的方式提升車站凈空，必然引起扶梯、電梯等設(shè)備規(guī)模增加，從而增加結(jié)構(gòu)荷載，而加大結(jié)構(gòu)尺寸反過來又會降低建筑空間利用率。這個根本矛盾導(dǎo)致了車站設(shè)計必然存在“體量大，空間利用率低”的問題，如要使設(shè)計水準達到質(zhì)的提升，需要徹底消除這個矛盾。

（2）自平衡懸吊體系車站的設(shè)計思路是精準鎖定根本矛盾影響的最不利控制點。通過創(chuàng)新手法解決根本矛盾，消除不利控制點對建筑的制約，從而優(yōu)化車站的整體設(shè)計。

（3）解決根本矛盾需打破固有的思維模式，從最初的建筑概念設(shè)計階段著手，帶動所有專業(yè)聯(lián)動創(chuàng)新。全面優(yōu)化車站設(shè)計，這不僅體現(xiàn)在設(shè)計、建造、造價方面，也體現(xiàn)在運營成本及效率、可持續(xù)發(fā)展等方面，這種優(yōu)化能夠量化并徹底地全方位提升品質(zhì)，而非個別專業(yè)或某個階段的微調(diào)整。

4.2 控制點優(yōu)化設(shè)計方法

以廣州軌道交通某側(cè)式站臺車站為例進行分析，對該站的3處最不利控制點分別進行優(yōu)化設(shè)計。

4.2.1 人行過街天橋站廳一端的支承控制點

此處控制點的受力特點為集中荷載，按鋼桁架橋考慮通常每個牛腿承受豎向荷載超過1 000 kN，個別達到1 500 kN，絕對值非常大（見圖7）?？紤]到天橋可能為非對稱布置，且在滿足受力計算的基礎(chǔ)上還應(yīng)盡量提高天橋剛度，減少振動感，以提升使用舒適度，因此不能簡單地采用自平衡來解決所有問題。最有效的優(yōu)化方式是縮短懸臂長度以減小彎矩，即通過懸吊體系平衡站廳荷載，取消站廳外側(cè)柱跨，使站廳層長懸臂梁長度縮短約2.5 m，使之優(yōu)化為短懸臂（見圖8、圖9），以便最大限度消除了對車站建筑的制約。

圖7 人行過街天橋荷載分析圖

圖8 高架車站結(jié)構(gòu)自平衡懸吊體系受力傳遞路徑示意圖

圖9 高架車站結(jié)構(gòu)自平衡懸吊體系天橋與道路關(guān)系示意圖

4.2.2 最外側(cè)自動扶梯的上下支承控制點

此處控制點的受力特點為集中荷載，按上升高度6.0 m的并排雙向扶梯考慮，其上平臺梁所承受豎向荷載約為220 kN，絕對值大（見圖10）。由于自動扶梯為基本對稱布置，自平衡效率高，優(yōu)化為懸吊體系后可抵消扶梯自重及大部分活荷載，消除了對建筑的制約。

4.2.3 建筑外圍護系統(tǒng)控制點

圖10 公共區(qū)樓扶梯荷載分析示意圖

此處控制點的受力特點為均布線荷載，按無填充墻的建筑幕墻考慮，通常豎向荷載約為2.7 kN/m，絕對值較大（見圖11）。因建筑外圍護系統(tǒng)為完全對稱布置且分布均勻，自平衡效率非常高，優(yōu)化為懸吊體系可完全抵消外圍護系統(tǒng)自重及絕大部分活荷載，消除了對建筑的制約。

圖11 建筑外圍護系統(tǒng)荷載分析示意圖

對以上3處最不利控制點進行優(yōu)化設(shè)計后，車站整體結(jié)構(gòu)模型如圖12所示。

圖12 優(yōu)化設(shè)計后的高架車站整體結(jié)構(gòu)模型

4.3 整體建筑優(yōu)化設(shè)計方法

（1）自平衡懸吊體系站廳層為橫向3跨2柱混合結(jié)構(gòu)，站內(nèi)劃分為中央大空間與兩側(cè)交通及管線空間，主次分明，空間完整。大柱跨提高了空間利用率，利于建筑功能布置和優(yōu)化站廳的平面設(shè)計（見圖13）；大空間則增加了視線開闊度，有利于提升方向感和優(yōu)化了車站導(dǎo)向設(shè)計，以便乘客通過直觀、開敞的環(huán)境，可對各種導(dǎo)向信息一目了然（見圖14）。

圖13 自平衡懸吊體系高架車站站廳平面圖

圖14 自平衡懸吊體系高架車站站廳大空間實景

（2）相比傳統(tǒng)體系，自平衡懸吊體系站廳層邊跨沒有突出樓板的框架結(jié)構(gòu)梁，故可增加有效凈高約1 m，但設(shè)備管線可貼樓板底面敷設(shè)而無需繞行梁底。充裕的機電安裝空間利于管線綜合布置，可將傳統(tǒng)的管線分散平鋪方式優(yōu)化為采用設(shè)備綜合吊架系統(tǒng)的集中立體排布（見圖15）；站廳外側(cè)無立柱遮擋，利于外圍護系統(tǒng)設(shè)計，可最大限度地優(yōu)化室內(nèi)自然采光通風(fēng)效果，優(yōu)化建筑節(jié)能設(shè)計（見圖16）。

圖15 自平衡懸吊體系對機電系統(tǒng)安裝空間的優(yōu)化

（3）自平衡懸吊體系外側(cè)無柱，構(gòu)件纖細，為實現(xiàn)輕盈通透的建筑效果提供了前提條件，優(yōu)化了車站外立面建筑效果（見圖17）。

5 結(jié)語

對采用自平衡懸吊體系的城市軌道交通高架車站設(shè)計進行了初步探討和分析。目前國內(nèi)高架車站建設(shè)處于高速發(fā)展時期，以往的工程經(jīng)驗及理論已不能完全適應(yīng)城市設(shè)計新理念，對全新設(shè)計理念的研究勢在必行。今后需要更加合理地利用自平衡懸吊體系的經(jīng)濟適用性，在城市軌道交通高架車站的節(jié)能環(huán)保、裝配式建筑、可持續(xù)更新等方面作進一步廣泛深入的研究。

圖16 自平衡懸吊體系對自然采光通風(fēng)效果的優(yōu)化

圖17 自平衡懸吊體系車站實景