基于功能可视化的桥建合一结构桥梁设计探索

史 娣

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

基于功能可视化的桥建合一结构桥梁设计探索

史 娣

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

武汉站是一座集桥梁、建筑特征于一体的全高架铁路大型客站。武汉站工程提出了“桥建合一”及“功能可视化高效立体疏解客流”的设计理念及技术，解决了当前大型铁路客站如何节省用地、缩短流线和提高运营效率等关键问题，开创了我国新一代铁路客站的技术方向，实现了理念与技术的重大突破和创新。论述桥建合一结构体系的设计原则、构思的基本思想、桥梁结构的选型及结构特点，为今后类似的设计起到一定的借鉴作用。

桥建合一；功能可视化；结构体系

武广客运专线武汉站是一座铁路桥梁与站房结合的建筑，采用超大型桥建合一的综合结构体系，项目提出了“桥建合一”及“功能可视化高效立体疏解客流”的创新理念，解决了如何利用桥梁结构实现建筑结构的使用功能，比如：节省用地、缩短流线和提高运营效率等关键性问题，解答了目前车站是沿袭传统的“等候式”还是照搬国外的“通过式”的争论性难题，实现了理论的突破和创新。并针对实现这些创新在设计和建造上“没有先例参考和规范可循、高速列车穿越桥梁结构对房屋建筑结构安全及舒适性产生复杂影响”等一系列重难点问题，展开系统研究，形成了贯穿建设全过程的成套技术体系。开创了我国新一代铁路客站的技术方向，为后续特大型高铁车站的设计建造提供了理论和技术支撑。武汉站的研究成果《桥建合一及功能可视化立体疏解客流铁路车站设计建造技术》荣获2013年度国家科技进步二等奖，本文基于功能可视化的桥建合一结构的桥梁设计技术进行探索。

1 铁路车站 “桥建合一”、“功能可视化立体疏解”设计理念及技术

“桥建合一”车站模式：铁路的快速发展使车站规模日趋大型化，占地大、流线长是枢纽型客站建设遇到的突出问题。为此，该项目研发了“桥建合一”建筑模式。把过去平面排布的站台、站房、广场立体叠合在一个紧凑的空间体内，铁路以多排并联桥梁的形式架空，桥上建站房、桥下设换乘交通，从根本上达到节省用地、缩短流线的目的。

“功能可视化立体疏解客流”理念：衡量交通建筑功能的重要标志是效率。在我国以往大型铁路车站中，空间不透明，旅客缺少方位感和目的性，盲目拥挤会降低乘降效率。加之传统的“等候式”流程本身也不利于效率提高。针对这些痼疾，项目提出了系统创新理念——将分属不同专业领域的桥梁结构和建筑结构跨界融合，提出了“桥建合一”结构体系及其系统设计，从而实现空间透明化、功能可视化引导组织客流疏解；以“可选式候车”流程使候车不再是乘车必经环节；以高架铁路桥下空间作换乘广场使各种交通无缝对接。为实现“零时间”候车、“零距离”换乘的终极效率目标提供可能。

2 桥建合一结构体系设计原则

(1)结构设计满足施工工艺、行车运营、城市规划、环境保护、防水、防迷流、防腐蚀等要求，符合技术先进，安全适用、经济合理与确保质量的要求。

(2)桥建合一结构的设计基准期，我国现行规范暂无明确规定，由于现行建筑规范的荷载、材料、地震动参数都是基于设计基准期为50年而提出的，而基于设计基准期100年的荷载、材料、地震动参数等均需进行深入的专门研究，所以上部房屋建筑结构的设计基准期按50年考虑为宜。轨道层的高架车站设计使用年限应采用100年，而当轨道层处于地面高程时，其轨道层以下结构设计使用年限应按使用年限100年要求。

(3)结构的净空尺寸根据其功能要求，满足不同规范的建筑限界和其他使用及施工工艺的要求，并考虑施工误差、结构变形及后期沉降的影响。

(4)结构设计符合强度、刚度、稳定性验算的要求，并满足施工工艺要求。承受列车动力荷载作用梁亦应有足够的刚度和适宜的动力性能。

(5)上部房建结构构件的设计应按承载能力极限状态及正常使用极限状态分别进行荷载效用组合，并取各自最不利组合进行结构构件的设计。

(6)对于轨道层直接承受列车动力荷载作用的梁、墩基础，应按现行铁路桥梁规范进行强度和变形验算。对桥建合一中的上部房建结构构件荷载作用：可变荷载效应采用50年设计基准期的荷载效应乘以考虑设计使用年限的调整系数，再与桥梁荷载效应组合按桥梁规范进行相关验算。

(7)应建立全面反映站房结构、桥梁结构及其二者连接关系的整体分析模型；由于站房结构和桥梁结构依据的规范体系不尽相同，在荷载输入和结果提取上，应采取在同一模型上“各自施加，整体计算、各取所需”的原则。

“各自施加”是指按照各自所依据的规范确定相应范围内构件的荷载及其组合方式。“整体计算”是指在整体模型下，进行房建和桥梁各自所需的静力与动力、线性与非线性等计算分析工作。“各取所需”是指房建和桥梁各自提取所需的节点位移、构件内力等分析结果。在整体计算时，要特别注意建筑结构要求按分步施工顺序加载。

3 桥建合一结构体系的构思

3.1 基本思想

作为桥建合一的大型公共交通枢纽建筑，武汉站首先必须在满足建筑既定功能的前提下处理好地铁、铁路桥梁、站房建筑结构间的相互关系；其次应结合建筑飘逸、展翅欲飞的外形和通透、灵动的室内空间，运用结构概念和基本原理确定合适的大跨结构方案，去实现建筑“千年鹤归”的理念。这是武汉站构建整个结构体系、各个结构分体系乃至主要构件形式和细部节点设计的基本结构设计思想，见图1。

根据结构特性，武汉站从下而上依次包含有地铁结构、铁路桥梁结构、站房及雨棚建筑结构(图2)，是一种桥建合一的混合建筑。3种结构形式、荷载、特性有较大区别，设计所遵循的理论体系也不尽相同。

图1 武汉站建筑造型

图2 武汉站剖视

从建筑功能的整体性来讲，设计应寻求一种有效的方法将三者有机地结合起来，结构设计则必须考虑不同结构形式之间的转换、支撑、连接和相互影响，并对整个结构中不同部位和不同构件的结构特性进行准确的判断，从而采用一种或多种相应的理论设计进行设计和校核。同时高架铁路桥梁必须考虑350 km/h速度的高速通过列车，列车从站房的中部通过，其带来的巨大冲击和振动必然沿整体结构(水平和竖向)传播，对其上的站房建筑和其下的地铁建筑的使用环境和结构的安全性产生一定影响。

因此，在构建和构思整个结构体系时，希望能将这3种不同的结构予以适当的分离，并尽可能切断可能产生的列车激励源的传播途径，或者使这种振动激励对整体结构的影响减小，并控制在桥梁、建筑结构可以承受的范围之内，这是进行整个结构构架的主导思想。

3.2 武汉站桥梁结构选型

高架站台层是直接承受列车作业的结构层面，由承载铁路线路的桥梁和供旅客候乘用的站台组成。根据运输需求，武汉站整个站场分为普速场和高速场，各设置2条铁路正线，分别需要考虑120 km/h和350 km/h的过站要求。站场布置采用两台夹两线的方式，共计设置有20条铁路线路和11座站台，高架站台层的平面尺寸达到229 m×500 m，如果高架站台层采用整体结构，列车振动激励的横向传播以及温度应力和变形是必须考虑的问题。

高架站台层必须直接承载运行列车的基本功能决定了其作为铁路桥梁的基本特性和要求。但是其中的站台板仅承载候乘的旅客，且站台面与承载运行列车的桥梁结构面之间存在大于1.25 m的高差(站台面距轨面1.25 m)。因此，希望借助站台板结构切断不同铁路线路列车运行所产生的振动激励在高架站台层横向的传递(特别是承载铁路正线部分的桥梁振动)，尽可能避免不同线路振动激励的相互耦合。根据这个思想，利用站台面与铁路桥梁结构面间的高差，站台板可以设计成简支于两侧的铁路桥梁之上，并在支座处进行处理，允许其与桥梁发生一定的相对位移，使二者在水平方向不发生传力关系。由此整个高架站台层变成由10座纵向的铁路桥梁及横向简支于其上的站台板组成，每座铁路桥梁承载2条铁路线路，铁路桥梁之间相对独立。武汉站高架桥代表性横断面如图3所示。

图3 武汉站高架桥代表性横断面示意(单位：mm)

雨棚区纵向每座铁路桥梁设计成简支于桥墩的多孔预应力梁，跨度36 m，核心区设计成3跨连续刚构拱，中跨则以48 m跨度跨越地铁结构，实现桥梁结构与地铁结构的分离。为了保证建筑9片屋檐同心排列的效果以及桥梁和屋面构件的标准化，将横向同心圆弧轴网调整为间距为36 m的圆弧平移轴网。这样一来，每座桥梁结构都成为传统意义上的条状结构，除中间3跨采用连续刚构拱桥外，其余的桥梁均为36 m双线简支梁，可利用静定体系来释放温度变化等产生的纵向变形，而高架站台层横向因站台板的分割，温度应力问题不再成为控制因素。地铁、铁路桥梁、站房建筑结构间关系如图4所示。

图4 地铁、铁路桥梁、站房建筑结构间关系示意(单位：m)

高架站台层之上的高架候车层及整个屋面结构属于一般的建筑结构，采用大跨度柱网，结构形式为轻巧的大跨楼、屋面结构。由于采用桥建合建的客站形式，为了保证站台上的通透性，上部竖向支撑结构要求尽可能立在轨道之间，高架站台上的建筑结构将不可避免地与高架站台层的桥梁结构发生结构关系，很难像解决高架站台层的振动激励在横向的水平传递那样，完全采用分离结构的手段切断列车激励的传播。因此尽可能将上部建筑的竖向支撑构件支撑于桥墩，铁路桥梁梁体在桥墩处设置结构分缝而与上部竖向支撑构件脱开，这样列车振动激励经过桥梁梁身传递至桥墩，再经过桥墩才传递至上部竖向支撑构件乃至整个上部建筑结构。

这种传递途径比上部竖向支撑构件直接支撑于桥梁梁身起到了很大的削减振动激励的作用，而且桥墩的刚度越大，这种削减作用应该越明显。为了保证铁路桥梁的安全性和列车运行的平顺性要求，对桥墩的刚度提出了较高的要求，可以达到尽可能减小振动激励对上部结构的影响。结构支撑与桥梁的关系如图5所示，武汉站桥墩造型如图6所示。

图5 结构支撑与桥梁的关系示意

图6 武汉站桥墩造型

4 小结

武汉站站房内高架铁路桥复杂的结构受力关系将分属不同专业领域的桥梁结构和建筑结构跨界融合，提出了“桥建合一”结构体系及其系统设计，从而实现空间透明化、功能可视化引导组织客流疏解，开创了我国新一代铁路客站的技术方向，也是我国站房内高架桥梁设计技术发展的一个重要里程碑。武汉站于2009年12月26日竣工投入使用，4年来工作正常，累计发送旅客约2 000多万人，成为中国铁路网中的重要交通枢纽。

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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，高级工程师，2000年毕业于石家庄铁道学院交通土建专业，工学学士；2005年毕业于华中科技大学建筑与土木工程专业，工程硕士，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