空間受限下高鐵站房設計實踐
——以京張高鐵清河站為例

張 寧

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司建筑工程設計研究院，北京 100055)

引言

高鐵站房復合化的功能會帶來空間布局的新模式。功能的復合化要求空間布局由原來的平面化模式向立體化模式轉(zhuǎn)變。立體化的模式使建筑層高往往受到鐵路軌道層高程及地鐵軌道層高程的雙重影響，導致出現(xiàn)建筑層高受限、空間壓抑等問題[1-2]。建橋合一的結構體系，是為適應站臺軌道層跨越地下地鐵層，同時又支承候車層及屋頂?shù)墓δ苄枰鴮蛄号c房屋建筑結構組合一體的綜合結構體系。這種結構形式既有效地利用了股道上下空間，又營造出寬敞的候車、換乘環(huán)境，是站房集成化布置的必然選擇[3]。

在京張高鐵清河站，設計首次采用了在建橋合一結構體系的基礎上，結合簡支U形梁兼做承軌層及屋面層的創(chuàng)新方法。從而有效解決了軌道下方建筑空間由于層高受限帶來的一系列設計問題與難點。

新建北京至張家口鐵路清河站，是京張高鐵的第二站，同時也是冬奧會的起始站之一，擔負著京張高鐵普速及部分高鐵的始發(fā)終到功能及服務周邊地塊居住區(qū)與產(chǎn)業(yè)用地出行，加強區(qū)域南北向交通聯(lián)系等功能?？偨ㄖ娣e14.6萬m2，集鐵路客運、軌道交通、市區(qū)公交于一體，包括出租車、小汽車、慢行系統(tǒng)等多種交通方式相互銜接的綜合對外客運交通樞紐[4]。

站房主體結構地上2層，局部設有夾層；地下共2層，其中，地下一層設有車庫，城市通廊，國鐵快速進站廳、出站通道、地鐵付費區(qū)等；地下二層為北京地鐵昌南線和19號線支線站臺層。主站房從下至上依次為-17.9 m地下二層(地鐵昌南線、19號線支錢站臺層)；-9.5 m地下一層(地鐵付費區(qū)、城市通廊、鐵路出站層、地下車庫)；±0.00 m地面層(西進站大廳、軌道及站臺層)；9 m二層(高架候車層、落客平臺及無站臺柱雨棚；13.5 m局部商業(yè)夾層)[5]。

1 清河站層高制約因素

1.1 城市軌道交通線路的制約

依據(jù)規(guī)劃要求，預留昌平線南延與19號線支線并排布置在清河站房下方。昌平線南延在北側從西二旗站高架引出，以29‰的坡道下坡(極限條件下30‰)，由高架轉(zhuǎn)為地下之后，下穿13號線的路基同時上穿安寧莊北路，轉(zhuǎn)向東側后進入清河站房。19號線支線在清河站北側線路也需連續(xù)下穿13號線路基段和京新高速路基段，轉(zhuǎn)向京新高速西側預留遠期延伸條件。因同時受控于線路坡度、安寧莊北路、13號線路基、覆土最小厚度等多方條件限制，并結合清河站房平面定位及柱網(wǎng)，最終確定昌南線及19號線支線站臺層平面定位及站臺層高程為-17.9 m，清河站剖面定位示意見圖1。

圖1 清河站剖面定位示意

1.2 國鐵線路的制約

清河站為原址新建工程，位于城市建成區(qū)，用地西側緊鄰京新高速，東側受建成居民區(qū)及辦公影響，用地狹長，設站條件困難。國鐵線路南側需下穿京新高速斜拉橋，因此，在清河站房處軌道的高程受到制約[6]，清河站線位定位示意見圖2。

圖2 清河站線位定位示意

站房平面定位綜合考慮地鐵站位，車站處線路坡度≯0.2%，弧線段半徑≮800 m，且國鐵站位盡可能滿足西側主站廳空間最大化，并盡量靠近站臺中心線。

結合以上因素及有限的站場范圍，最終確定站房主體定位在垂直站臺方向進深最大區(qū)域處布置。

1.3 功能需求

清河站地下一層中部的換乘空間，兼具昌南、19號線支線、13號線地鐵進出站、國鐵進出站、地鐵與國鐵換乘、地鐵與地鐵之間的換乘、國鐵與出租、公交及停車場的換乘、城市居民穿越過街等多重功能，人流量大且流線復雜，是整個樞紐最重要、最核心的換乘節(jié)點。整個清河交通樞紐需通過地下空間作為中轉(zhuǎn)各交通方式之間的聯(lián)系，形成快捷高效的立體交通網(wǎng)絡；通過與地下一層中部實現(xiàn)各種交通方式的連接設計從而縮短換乘距離，實現(xiàn)零換乘的設計目標[7]。

然而地下一層底高程受限于-17.9 m昌南線及19號線支線站臺層，頂高程受限于地面±0.00 m 13號線及國鐵站臺層。在地鐵線路與國鐵線路上下夾擊下，導致鐵路軌頂距地下一層結構底板凈高僅為8.55 m。

結合人流量等數(shù)據(jù)分析，地下一層換乘空間平面面積約為3.5萬m2。換乘空間平面面積較大，空間高度又低，極易引發(fā)旅客消極的心理反應，如壓抑、幽閉、缺少安全感、容易迷失方向等[8]。

因此，如何在高度嚴重受限的情況下，實現(xiàn)地下一層公共交通換乘空間的視線通透開闊，空間環(huán)境舒適宜人；實現(xiàn)國鐵、地鐵、市政交通的高效銜接，構建高效便捷的換乘體系是清河站設計的重點和難點之一[9-10]。

2 空間受限情況下的設計策略

2.1 建橋合一結構選型

清河站地下一層中部公共空間極度受限，同時又是人流量最大、流線最為復雜的空間。傳統(tǒng)的框架結構必然會導致過密的柱網(wǎng)以及壓抑的層高。因此，清河站主站房中部區(qū)整體結構體系采用地下一、二層為鋼筋混凝土結構，采用剛度大的橋墩作為地上一層的承軌結構，各橋墩之間完全獨立，列車軌道梁通過支座在橋墩頂部連接，站臺板結構支撐在橋墩蓋梁上，高架候車廳鋼管混凝土柱下插在橋墩柱上，結構從下到上形成“鋼筋混凝土框架-承軌層橋墩-鋼管混凝土柱鋼框架-大跨度鋼桁架屋蓋”的建橋合一的結構體系，清河站典型剖面見圖3[11]，從而使地下一層換乘空間得到了突破與釋放。

圖3 清河站典型剖面

軌道梁與站臺梁支撐于大懸臂預應力混凝土T形橋墩蓋梁上，同時站房結構柱也錨固于墩柱中。多個結構支撐同個墩柱，節(jié)省了結構空間。多個結構支撐于一體，相互作為橫向、縱向限位裝置，抗震穩(wěn)定性好。

這種建橋合一的結構體系使得平面化排布的站臺、站房、廣場等上下疊合立體化排布，實現(xiàn)了橋上建站房、橋下設換乘交通的空間布局形式，從根本上達到了節(jié)省用地、縮短流線的目的[12]。

2.2 U形梁兼作承軌層及屋面層方法

2.2.1 U形梁國內(nèi)應用現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)高架軌道交通上部結構通常采用箱梁形式，箱梁結構形式技術成熟、工藝穩(wěn)定，但同時也存在外觀笨重、結構高度過大、建設費用高等弊端。預應力鋼筋混凝土U形梁為開口薄壁下承式橋梁結構，可大大降低列車行駛產(chǎn)生的噪聲且外形美觀；相對于傳統(tǒng)箱梁形式可節(jié)省材料約1/3，同時降低結構整體高度；采用整垮預制、整垮吊裝的方式施工，安裝速度快[13]。我國自20世紀80年代初期開始將U形梁用于工程實踐，該結構形式在軌道交通工程、鐵路工程及高速公路工程中得到越來越廣泛的應用。自2009年武漢站開創(chuàng)了我國新一代鐵路客站的技術方向，“橋建合一”的創(chuàng)新結構體系開始得到廣泛應用。站房核心區(qū)采用空間異形預應力混凝土連續(xù)剛構拱橋，魚腹式橫斷面；其余部分橋梁采用36 m魚腹式橫斷面簡支箱梁[14]。

2.2.2 清河站U形梁應用

清河站設計中通過采用“橋墩+蓋梁+U形梁”的形式，根據(jù)站場軌道布置方案，承托單線U形梁橋、雙線U形梁橋。單線U形梁橋梁采用單線25 m預應力混凝土簡支U形梁，雙線U形梁橋梁采用雙線25 m預應力混凝土簡支U形梁。U形截面作為承軌結構支承軌道及列車的同時也兼作地下中部公共換乘空間的屋面結構。U形梁下部根據(jù)建筑空間需要，均采用獨柱墩及曲線冠狀梁[15]，并且利用冠狀蓋梁與蓋梁之間的站臺下空間，作為管線空間。與傳統(tǒng)“建橋合一”設計體系相比，其優(yōu)點為：箱梁通常利用梁格間作為管線空間，U形梁體系可利用空間更大且便于后期檢查與維修；箱梁平行軌道方向為線性貫通，而U形梁下的蓋梁僅在橋墩柱上端點狀設置。故“橋墩+蓋梁+U形梁”形式較箱梁更加靈活輕巧。

3 橋墩柱承托U形梁結構設計優(yōu)勢

3.1 實現(xiàn)下部空間凈空高度需求

清河站地下一層因受到國鐵軌道及地鐵軌道的雙重限制，國鐵軌頂距地下一層結構底板凈高僅為8.55 m。若采用傳統(tǒng)框架結構，梁高至少3 m，加上軌道及路基高度、地下一層錯綜復雜的管線空間高度。很難保證地下一層中部作為換乘節(jié)點公共空間的使用效果。

因此，設計采用預應力混凝土簡支U形梁。U形梁作為承軌層及地下公共空間的屋面層。U形梁能有效減小梁高，增加下部空間凈空，軌道下方單線U形梁底板高0.51 m，相較正線區(qū)間采用的2.5 m梁高箱梁減小79%，提升凈高1.99 m。使得軌頂距地下吊頂最高點高度僅為3.59 m，相較于成都東站軌頂距地下吊頂高度的4.75 m，提升凈高約1.16 m[16]。地下一層曲線冠狀梁下局部最低點室內(nèi)凈高為3.1 m，最高點室內(nèi)凈高為4.71 m。這種做法可有效降低軌道下方結構高度，滿足了站房層高受限時建筑的功能需求，解決了下部換乘空間局促壓抑的問題，更好地滿足了橋下地鐵非付費區(qū)、城市換乘通廊等公共空間的凈高要求。清河站地下一層實景見圖4。

圖4 清河站地下一層實景

3.2 實現(xiàn)下部空間的建筑結構裝飾一體化

清河站在地下一層的冠狀曲線預應力清水混凝土橋墩柱承托大跨度U形預應力橋梁結構。U形梁下方獨柱式鋼筋混凝土橋墩，為擴大墩柱間距，采用柱網(wǎng)尺寸25 m(縱向)×21 m(橫向)，減少對下部空間效果分隔，創(chuàng)造出開闊的內(nèi)部空間。

地下一層公共空間部分在冠狀曲線預應力橋墩柱處，放棄柱面及吊頂裝飾，采用清水混凝土一次澆筑成型，不做任何外裝飾，直接采用現(xiàn)澆混凝土的自然表面效果作為飾面，只在表面涂一層或兩層透明的保護劑，顯得天然、莊重，體現(xiàn)出建筑原始的美感[17]。將極富韻律感和美感的結構構件全部外露。曲線形冠梁帶來的波浪形韻律變化，既減少了原本層高受限的地下一層空間的壓迫感，保證了地下空間的合理宜人的尺度；同時柔化了空間，使整體空間舒展且流暢。

建筑形態(tài)、空間與結構邏輯高度融合有機統(tǒng)一，結構與建筑形態(tài)共生，建筑形態(tài)塑造體現(xiàn)結構受力的真實性及合理性[18]。利用符合結構力學規(guī)律和原理的形式美元素，體現(xiàn)結構自身的形式美亦解決了空間受限的難題。

3.3 實現(xiàn)下部空間的機電管線一體化

清河站地下一層中部城市通廊及換乘大廳處，作為整個站房的中轉(zhuǎn)換乘節(jié)點，連接了國鐵及地鐵13號線、19號線支線及昌平線南延線。同時作為所有管線設備的集合中轉(zhuǎn)點，聚集了國鐵及地鐵給排水、通風空調(diào)、動力照明、信號、通信、BAS、AFC、ACS等多種專業(yè)設備，系統(tǒng)多樣，專業(yè)復雜，管線繁多，整體呈東西向和南北向，網(wǎng)格化交錯貫通。在有限的高度空間內(nèi)，要實現(xiàn)多種管線的綜合排布，十分復雜困難。

因此，在順軌方向，設計中充分利用的冠狀蓋梁之間的站臺下方空間，作為設備管線夾層。減少了連梁，實現(xiàn)了此處空間設備管線一體化。貫通管線集中設置在站臺機電管廊下方，橋梁蓋梁之間；利用站臺墻結構提供綜合橋架支點，區(qū)分國鐵地鐵管線，以便后期檢修，清河站順軌向管線布置見圖5[19]。

圖5 清河站順軌向管線布置

垂軌方向，同樣充分利用21 m柱跨形成的上部空間，平行布設多種管線，清河站垂軌向管線布置見圖6。并在U形梁梁底設計預留埋件，為后期吊頂及管線吊掛提供支點。蓋梁兩側設置鋼結構桁架，以站臺墻結構為固定點，為東西向垂軌方向的貫通管線提供穩(wěn)固結構。

圖6 清河站垂軌向管線布置

4 構造節(jié)點設計

4.1 防水與保溫

U形梁作為鐵路橋梁防水做法需滿足TB/T 2965—2018《鐵路橋梁混凝土橋面防水層》的相關規(guī)定，常見做法為：4.5 mm厚高聚物改性瀝青返水卷材或氯化聚乙烯防水層。在清河站中，因U形梁同時也兼做為地下一層的屋面，因此結合10J301《地下建筑防水構造》的地下室頂板防水構造做法，U形梁從上至下構造層次依次為：①軌道層；②級配碎石摻5%水泥；③50 mm厚聚丙烯纖維C40混凝土；④3 mm+4 mm厚高聚物改性瀝青防水卷材；⑤基層壓實趕光；⑥U形梁防水混凝土；⑦65 mm厚超細玻璃纖維棉保溫噴涂。其中，超細玻璃纖維棉保溫沿U形梁底部及站臺梁與U形梁側壁之間滿噴，兼作保溫層與吸聲層，提升了下部空間的保溫和隔聲性能。

4.1.1 U形梁與站臺間防水構造處理

U形梁兼作建筑屋面時，U形梁與站臺間的縫隙以及 U形梁與U形梁之間的變形縫為防水薄弱點，需采取防水構造的增強措施來保障其作為屋面的防水性能。

U形梁與站臺之間，在U形梁上部設置素混凝土起垛，防水卷材向上延伸卷入縫隙后固定，由φ50 mm發(fā)泡聚乙烯棒密封材料封堵后，其外側采用密封材料嵌縫，U形梁與站臺間防水節(jié)點見圖7。

圖7 U形梁與站臺間防水節(jié)點(單位：mm)

4.1.2 U形梁與U形梁之間防水構造處理

通過在U形梁變形縫兩側梁端設置通長的寬100 mm、高110 mm擋水臺，U形梁處3 mm+4 mm厚高聚物改性瀝青防水卷材鋪至擋水臺頂部，擋水臺之間的變形縫縫內(nèi)由下至上依次為導水槽、填充阻火帶及嵌縫膏，嵌縫膏上部設置4 mm厚防水卷材貫通變形縫及變形縫兩側的擋水臺。擋水臺頂端再加鋪1道4 mm厚附加防水卷材，卷材需覆蓋住下方兩層卷材的連接縫，最后頂部加扣金屬蓋板1道，U形梁變形縫防水節(jié)點見圖8。

圖8 U形梁變形縫防水節(jié)點(單位：mm)

4.2 U形梁預埋

預應力混凝土簡支U形梁作為一種下承式結構，其預埋件主要包括梁底兩端的支座預埋件、吊裝孔預埋件；U形梁兩側腹板內(nèi)弧面的電纜套筒預埋，管線支架預埋；U形梁腹板頂面的聲屏障預埋件、接觸網(wǎng)立柱預埋件以及下方作為建筑空間時需為吊頂及管線吊掛提供支點等預埋件[20]。設計過程中需提前做好相關的預留預埋工作，避免錯漏。

5 結語

清河站通過采用橋墩柱承托U形梁，且U形梁作為承軌層兼做地下一層屋面層的做法，一方面多個結構支撐于一體提升了抗震穩(wěn)定性；另一方面極大地縮減結構所占空間，解決了清河站空間嚴重受限的問題。同時，有效結合橋梁防水與地下建筑頂板防水做法，并妥善處理U形梁間變形縫防水構造，使U形梁能夠滿足地下空間對防水保溫性能要求。

U形梁結構相較于傳統(tǒng)鋼筋混凝土框架結構，使地下一層空間的柱距增大了2.78倍，管線可利用的高度增加了4.8倍，同時吊頂下凈高增加了1.8倍。相較于箱梁，柱尺寸有效縮減2.6倍，管線可利用的高度增加了1.85倍。3種結構體系對比分析見表1。這種設計思路可有效應用于空間受限情況下的站房設計中，達到對空間最大限度的利用。

表1 結構體系對比分析

U形梁作為一種新型橋梁結構具有很大的應用優(yōu)勢，同樣作為屋面頂板也存在一定的構造難點。在設計中仍需根據(jù)實際項目特點及需求，結合U形梁結構特點有針對性地采取相應建筑構造措施進行優(yōu)化。本文僅提供一種思路，希望對在空間上嚴重受限的高鐵站房項目設計，能起到一定參考借鑒作用。

總之，建筑與結構是密不可分、相輔相成的。今后的設計中應避免建筑空間形態(tài)與結構形式分離與不協(xié)調(diào)，使結構成為建筑表現(xiàn)的重要組成部分，善于利用結構邏輯來解決建筑問題，通過建筑構造手段與結構體系相結合，使結構形式的表達作為塑造空間的關鍵，從而真正獲得建筑形式的自由。