武汉光谷广场地下交通综合体设计创新与思考

熊朝辉， 周 兵， 何 丛

(中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北 武汉 430063)

0 引言

随着社会经济发展，城市人口增多，城市规模扩大，交通成为城市可持续发展的重大挑战。为解决城市交通问题，近年来各地纷纷发展综合性交通枢纽，多种换乘方式集中在一个小区域，可有效提高换乘效率。

地下综合交通枢纽是综合交通枢纽中一种特殊的形式，各种功能主体都被设计在地下，不占用或占用少量的地表空间，具有与综合交通枢纽相同的功能。我国城市交通枢纽建设因受土地资源及道路交通情况等条件制约,难以达到其应有的规模并实现其应有的功能，故应以大力开发地下空间为契机,建设地下客运交通枢纽,合理利用城市中心区现有地下空间资源,缓解地上道路资源供给的不足。

国内研究者对城市地下交通枢纽做了一些研究。文献[1]对地下综合交通枢纽的概念、功能、相对于综合交通枢纽的发展优势进行了详细地阐述，并结合国内外典型案例，总结了地下综合交通枢纽的发展经验。文献[2-6] 从大型地下综合交通枢纽一体化规划设计的内涵出发，阐述了首批建设的新型交通枢纽一体化设计中存在的问题，并对一体化交通系统、一体化综合开发及城市空间融合等进行了论述，为类似工程设计提供借鉴。文献[7-8]对城市地下轨道交通枢纽中的消防和排烟问题进行了分析和研究，提出该类建筑在防火分区设置及分隔方式、疏散设计以及烟气控制系统等方面存在的消防设计难题，并提出了通过准安全区的设置解决安全疏散设计难题等方案。

目前国内对于地下综合交通枢纽的研究还不够系统，主要还局限在单一学科及领域的研究，尚无对于交通枢纽中的设计创新研究。如何在复杂边界条件下，采用创新手段解决社会及工程问题是业内关注焦点。

本文基于武汉光谷广场综合体工程，结合周边现状条件，针对项目难点开展创新设计研究，分析相关设计对策，总结出特定条件下大型综合交通枢纽采用的各项创新设计手段，以期为同类城市地下大型综合交通枢纽设计提供解决思路和方法，具有一定的借鉴和参考意义。

1 项目背景

1.1 交通现状

武汉光谷广场建成于2001年，位于洪山区鲁磨路、民族大道、虎泉街、珞喻西路、光谷街和珞喻东路等6条道路的交汇处，中央形成景观性交通环岛。交通环岛周边的商业开发快速发展，使得光谷广场不但是重要的交通节点，更是成为国家级开发区——东湖高新区最重要的商圈，是集交通、人流集散、娱乐、休闲、居住、展示功能于一体的综合性广场。

随着光谷城市副中心建设加快、商圈的进一步发展，光谷广场无论是人流量还是车流量均出现爆炸式增长。既有道路及配套交通设施资源紧张，难以满足和适应近远期交通发展要求。整个区域内车行与慢行交通均存在巨大安全隐患。节假日期间光谷广场交通环岛周边客流情况如图1所示。光谷广场交通环岛俯视图如图2所示。

图1节假日期间光谷广场交通环岛周边客流情况

Fig. 1 Passenger flow at Optical Valley Square traffic around island square during holidays

1.2 项目规划

为解决日益严峻的交通形式，规划及相关部门决定延长轨道交通2号线，同时对光谷广场交通枢纽进行全面升级建设。

图2 光谷广场交通环岛俯视图

光谷广场区域规划建设2条市政下穿隧道(分别沿珞喻路方向和鲁磨路—民族大道方向)、3条轨道交通线路(2、9、11号线)以及地下公共空间。

枢纽工程通过3条地铁线路、4座地铁车站(含2号线南延线珞雄路站)相互连通疏导地铁客流，通过2条市政隧道分离过境车流，并将地下空间整体连通，使行人及非机动车通行更加便捷，同时保留地面交通环岛。光谷广场地下交通规划线路如图3所示。

图3 光谷广场地下交通规划线路

Fig. 3 Planned underground traffic lines of Optical Valley Square

2 方案构思及创新

2.1 客流预测

光谷广场地处武汉东湖高新区与市中心城区交流的咽喉地带，目前有超过30条公交汽车线路正常运营以及最高日客流量超30万人次的地铁2号线1期光谷广场站与6条城市道路交汇。交通环岛周边商业成熟，相互间穿越日客流超过40万人次，部分过街高峰客流超过6 000人次/h。远期早高峰小时客流量预测见表1。

结合轨道交通2号线光谷广场站客流情况可知，光谷广场地下交通综合体高峰小时轨道交通集散客流为80 890人次，进出站客流为42 454人次。

表1 远期早高峰小时客流量预测

注： 数据来自武汉市规划战略发展研究院。

图4示出轨道交通2号线1期光谷广场站客流量为2万人次/高峰小时的情况。而本工程远期高峰小时预测有8万人次。因此，如何妥善解决3条地铁换乘与进出站客流、商业客流以及市政过街客流的交叉与对冲以及超大客流下环境的舒适性、人性化以及事故状态下客流的快速疏散，对设计人员来说是一项严峻的挑战。

图4轨道交通2号线1期光谷广场站客流量为2万人次/高峰小时的情况

Fig. 4 Passenger flow at Optics Valley Square Station of Phase 1 of Rail Transit Line 2

2.2 设计理念

1)保证最优的交通功能，快进快出。由于该交通节点客流量巨大，枢纽容量面临巨大压力，因此方案设计的立足之处应为交通型节点，较少考虑商业，以快进快出为原则。3条线之间付费区内进出站客流、换乘客流以及非付费区内过街客流的流线组织为方案形成的核心要素。

2)打造便捷、美丽、舒适、节能的地下空间。光谷广场自建成起已逐渐成为武汉市光谷地区重要的交通节点及城市名片。在结合规划条件的前提下，光谷广场交通综合体地下空间的设计除改善拥堵的交通现状、整合新的交通格局外，还应突破传统地铁站的设计模式及思想局限性，站在设计的制高点，以“便捷换乘、舒适空间环境、节能环保”为目标，旨在把光谷广场综合体打造为武汉光谷最亮丽的一道风景线。

2.3 原规划方案及换乘设计创新

2.3.1 原规划方案

原规划设计该交通节点采用地下4层的地下空间。地下节点外轮廓采用直径280 m的圆，中央环岛直径160 m，地面为绿化广场。环岛外，出入口采用下沉广场的形式。原设计方案平面图如图5所示。地下1层为人行区域，南半部为地铁用空间，北侧考虑一定的物业开发； 地下2层为9、11号线共用站厅及9号线站台和鲁磨路隧道层； 地下3层为2号线南延线工程的区间隧道和珞喻路隧道层； 地下4层为11号线站台层。原设计方案地下平面图如图6所示。

图5 原设计方案平面图

原规划方案将3线换乘分解为1+2的布局，1为2号线车站，2为9、11号线的侧换岛形式。该方案存在的不足之处为： 1)地铁9、11号线有效站台区域位于光谷转盘南侧，难以达到对各象限均匀服务； 2)9号线采用侧站台形式，且站厅、站台同层，不利于与2号线换乘； 3)2号线换乘11号线需通(穿)过9号线站台层； 4)11号线站台区域的乘客疏散不便，安全隐患大。

2.3.2 换乘设计创新

在地下空间受限制的情况下，3线换乘轨道交通车站难以处理两两线路之间的客流交叉影响问题，例如： 上海地铁世纪大道站、武汉地铁香港路站等虽然采用了部分平行换乘，但换乘与进出站客流的交叉始终困扰着轨道交通运营部门[9]。

方案研究起始阶段，设计人员重点从2、9、11号线3座车站的平面布局关系入手，提出了多种平面布局组合方案，包括集中站位、分散站位、市政通道不引入和加深地铁埋深等，通过探讨和研究最后提出将9、11号线2条线路车站站台从空间上分设于上下2层而将人行和换乘集散厅布设于中间层的方案，解决了困扰建设各方多时的流线问题，这也是本工程最为核心的技术创新所在。光谷广场地下交通综合体方案演变示意图如图7所示。光谷广场地下交通综合体最终方案空间结构示意图如图8所示。

(a)

(b)

Fig. 8 Space structure schematic diagram of final plan of Optical Valley Square underground traffic complex

3 重要设计创新

3.1 地下高架车站与快速疏散

常规地铁车站往往是地下1层采用站厅，旅客进入付费区下至地下2层站台乘车。当受到各种条件制约时，还有一种与之相反的布局，即乘客先下到地下2层，再从地下2层上到地下1层，一般将其称为倒厅方案。

由于倒厅做法工程规模较大，与乘客出行流线及心理相矛盾，因此，在地铁建设中极少使用。但在光谷广场综合体工程中，设计者创造性地将9号线站台上抬至地下1层换乘大厅中，形成了站台在上、站厅在下的“地下高架车站空间”，有效地解决了换乘流线、换乘厅空间被分隔的问题，如图9所示； 同时，利用有利的条件，在9号线站台上设置4组直通地面环岛的疏散楼梯，确保事故工况下快速疏散人员。

在乘客流线及出行心理方面，通过营造大规模、大跨度、高净空的地下换乘大厅以及导向标识的设置，尽量减少乘客产生先下后上的回头路心理。

(a)

(b)

综合体地下1层通高大厅与周边地块设置有小型开敞式下沉广场衔接，并设置足够运量的楼扶梯作为人行输送设施，保证未来全日高峰40万客流的进出和穿越。在此空间中，向上1层可达地铁9号线站台，向下可直达11号线站台，同层向西与2号线1期既有光谷广场站站厅付费区通道相通。

这种空间结构方式形成了一个贯通无阻隔的地下1层换乘大厅，使得客流的主流线较为通畅，大厅与各下沉广场出入口直接相通，且内部无商业空间，达到人员快进快出、规避重大安全隐患的目的。

3.2 高净空与大跨度空间

光谷广场综合体客流大、地下空间面积大、区域广，采用高净空、大跨度的空间结构方式可以营造良好的地下空间，对于改善环境、舒缓乘客心理等具有重要的意义[10]，同时有利于消防排烟和节省工程投资。

设计方案中，地下1层大厅结构净高9～11.5 m，装修吊顶后净高8～10.5 m，同时对钢筋混凝土箱形框架结构也进行了优化。由于工程主体轮廓呈圆形，柱网沿环向、径向布置，框架柱跨一般为15.0 m，中央付费区最大柱跨近26 m。高净空、大跨度空间结构使得地下空间品质、舒适度大大改善。9号线站台与鲁磨路隧道空间横断面示意图如图10所示。高净空、大跨度空间设计效果见图9。

图109号线站台与鲁磨路隧道空间横断面示意图

Fig. 10 Spatial cross-section diagram of platform of Line 9 and Lumo Road tunnel

3.3 大体量空间环境控制

光谷广场综合体地下1层公共区面积为3.4万m2，地下空间净高不小于8 m，空间体积约25.8万m3，包括通高大厅、2号线换乘通道和9号线架空站台。通高大厅、9号线轨行区和站台上方设有条形采光带，将采光带作为自然排烟窗，火灾时采用自然排烟方式。

该项目规模巨大，相当于10座标准地铁车站体量，如何解决好防排烟问题、保障通风空调效果，是本工程设计的一项重要工作。经计算，为满足车站内地下1层公共区防排烟及空调舒适度要求，光谷广场综合体要提供巨大的通风空调系统能力。光谷广场地下交通综合体与1座标准地铁车站的相关参数对比见表2。

表2光谷广场地下交通综合体与1座标准地铁车站的相关参数对比

Table 2 Comparison of related parameters between Optical Valley Square complex and standard metro station

工程项目总排烟量/(万m3/h)空调总送风量/(万m3/h)总冷负荷/kW光谷广场综合体207.0480.486 662标准地铁车站20.709.00600

设计重点开展了2个方面的科研与创新： 1)复杂全地下高大空间火灾自然排烟可行性验证及排烟效率研究; 2)复杂全地下高大空间气流组织优化研究。

3.3.1 复杂全地下高大空间火灾自然排烟可行性验证及排烟效率研究

设计人员利用火灾模拟软件FDS对光谷广场综合体地下1层高大空间火灾烟气运动特性进行了研究。模拟的前提条件： 排烟天窗面积取排烟区域建筑面积的5%，约为1 700 m2；吊顶镂空率按照50%计算。通过模拟结果验证了自然排烟的可行性，并提出了最佳装修吊顶镂空率。300 s和1 200 s时的烟气蔓延分布示意图如图11所示。

(a) 300 s

(b) 1 200 s

Fig. 11 Nephagrams of smoke spreading distribution at 300 s and 1 200 s

经过多种工况模拟分析表明： 地下1层站厅中心处发生火灾时，站厅和站台人员高度处温度、能见度均满足人员安全疏散要求，烟气能够被有效排出。因此，可以证明光谷广场综合体地下1层采用自然排烟的方式是可行的。

3.3.2 复杂全地下高大空间气流组织优化研究

设计采用CFD数值模拟技术对光谷广场综合体地下1层高大空间气流组织进行了研究，主要分为以下2个部分：

1)送风温度和送风速度的选定。通过模拟2种送风温度(18 ℃和19 ℃)下地下空间的温度场与速度场(如图12所示)发现，其分布基本相似，降低送风温度可以减少送风量，减小风机负担，降低噪音，节省运行成本。因此，设计中选取送风温度为18 ℃，送风速度为4.22 m/s。

2)通过对多个旋流风口送风特性进行模拟，验证既有设计方案的有效性，进一步对地下1层高大空间的气流组织进行优化。不同喷口间距情况下9号线站台夹层下方温度场如图13所示。通高大厅旋流送风口间距不同时立面温度场如图14所示。

经过模拟分析可知，9号线站台夹层下方喷口间距取6 m、通高大厅旋流送风口间距取7 m时通风空调设计满足地下1层大厅环境控制要求。

(a) 送风温度为18 ℃时立面温度场(单位： ℃) (b) 送风温度为19 ℃时立面温度场(单位： ℃)

(c) 送风温度为18 ℃时立面速度场(单位： m/s) (d) 送风温度为19 ℃时立面速度场(单位： m/s)

图12送风温度为18℃和19℃时地下空间的温度场和速度场

Fig. 12 Temperature field and velocity field of underground space when air supply temperature is 18 ℃ and 19 ℃

3.4 BIM技术的运用

本项目采用BIM技术进行了全专业协同设计，模型采用REVIT平台软件建立，碰撞检查则采用NAVSWORK软件。BIM协同设计专业结构示意图如图15所示。

本项目除了采用常规的三维设计进行建模与碰撞检测之外，还基于BIM中心模型开发了BIM相关软件与其他专业软件(如客流仿真模拟、排烟气流模拟等)的数据接口。

立足于BIM平台，基于各项软件接口，利用专业软件对工程进行了换乘、紧急疏散等客流仿真模拟、地下1层大厅消防排烟模拟及地下1层大厅气流组织模拟等多项辅助设计工作，验证了枢纽换乘设计、消防疏散及排烟设计的可行性，切实发挥了BIM这一辅助设计工具的优势。最终成果获得了2017年中国勘察设计协会组织的第8届“创新杯”建筑信息模型(BIM)应用大赛“最佳交通枢纽BIM”应用奖。

(a) 旋流送风口间距为8 m时的立面温度场(单位： ℃) (b) 旋流送风口间距为8 m的立面速度场(单位： m/s)

(c) 旋流送风口间距为7 m时的立面温度场(单位： ℃) (d) 旋流送风口间距为7 m的立面速度场(单位： m/s)

(e) 旋流送风口间距为6 m时的立面温度场(单位： ℃) (f) 旋流送风口间距为6 m的立面速度场(单位： m/s)

图15 BIM协同设计专业结构示意图

Fig. 15 Professional structure diagram of BIM collaborative design

4 结论与思考

我国大城市人口众多，交通节点处节假日期间拥堵严重，对于综合交通枢纽工程特别是地下综合交通枢纽工程，应始终以以人为本、快进快出、防范风险作为设计的第一理念。根据实际需要，光谷广场交通枢纽综合体地下工程产生了高净空、大跨度的空间，从改善人流量特多的交通节点环境考虑，可一定程度上缓解乘客的心理压力，同时利于消防和排烟。除此之外，在面临复杂需求、设计难度大的情况下，本工程还进行了其他各项设计创新和探索，为国内同类地下交通枢纽工程提供一定的借鉴。

创新需要以问题解决、实际需求导向为驱动，为了创新而创新则会舍本逐末。创新的目的应为解决问题，当常规的设计手段和办法无法应对复杂的环境和条件时，则必须进行创新，即运用新方法、新技术、新材料解决前所未遇的问题和困难。本工程在空间组织、消防排烟、大型地下空间环境的营造方面取得了丰富的成果。但受实际情况的制约，还有很多不足的地方，例如结构体系、环境控制模式、室内装修材料等，需要进一步深化研究和分析，以完善同类大型地下枢纽工程的创新设计理念和方法。