空间受限下高铁站房设计实践——以京张高铁清河站为例

张 宁

(中铁工程设计咨询集团有限公司建筑工程设计研究院，北京 100055)

引言

高铁站房复合化的功能会带来空间布局的新模式。功能的复合化要求空间布局由原来的平面化模式向立体化模式转变。立体化的模式使建筑层高往往受到铁路轨道层高程及地铁轨道层高程的双重影响，导致出现建筑层高受限、空间压抑等问题[1-2]。建桥合一的结构体系，是为适应站台轨道层跨越地下地铁层，同时又支承候车层及屋顶的功能需要，而将桥梁与房屋建筑结构组合一体的综合结构体系。这种结构形式既有效地利用了股道上下空间，又营造出宽敞的候车、换乘环境，是站房集成化布置的必然选择[3]。

在京张高铁清河站，设计首次采用了在建桥合一结构体系的基础上，结合简支U形梁兼做承轨层及屋面层的创新方法。从而有效解决了轨道下方建筑空间由于层高受限带来的一系列设计问题与难点。

新建北京至张家口铁路清河站，是京张高铁的第二站，同时也是冬奥会的起始站之一，担负着京张高铁普速及部分高铁的始发终到功能及服务周边地块居住区与产业用地出行，加强区域南北向交通联系等功能。总建筑面积14.6万m2，集铁路客运、轨道交通、市区公交于一体，包括出租车、小汽车、慢行系统等多种交通方式相互衔接的综合对外客运交通枢纽[4]。

站房主体结构地上2层，局部设有夹层；地下共2层，其中，地下一层设有车库，城市通廊，国铁快速进站厅、出站通道、地铁付费区等；地下二层为北京地铁昌南线和19号线支线站台层。主站房从下至上依次为-17.9 m地下二层(地铁昌南线、19号线支钱站台层)；-9.5 m地下一层(地铁付费区、城市通廊、铁路出站层、地下车库)；±0.00 m地面层(西进站大厅、轨道及站台层)；9 m二层(高架候车层、落客平台及无站台柱雨棚；13.5 m局部商业夹层)[5]。

1 清河站层高制约因素

1.1 城市轨道交通线路的制约

依据规划要求，预留昌平线南延与19号线支线并排布置在清河站房下方。昌平线南延在北侧从西二旗站高架引出，以29‰的坡道下坡(极限条件下30‰)，由高架转为地下之后，下穿13号线的路基同时上穿安宁庄北路，转向东侧后进入清河站房。19号线支线在清河站北侧线路也需连续下穿13号线路基段和京新高速路基段，转向京新高速西侧预留远期延伸条件。因同时受控于线路坡度、安宁庄北路、13号线路基、覆土最小厚度等多方条件限制，并结合清河站房平面定位及柱网，最终确定昌南线及19号线支线站台层平面定位及站台层高程为-17.9 m，清河站剖面定位示意见图1。

图1 清河站剖面定位示意

1.2 国铁线路的制约

清河站为原址新建工程，位于城市建成区，用地西侧紧邻京新高速，东侧受建成居民区及办公影响，用地狭长，设站条件困难。国铁线路南侧需下穿京新高速斜拉桥，因此，在清河站房处轨道的高程受到制约[6]，清河站线位定位示意见图2。

图2 清河站线位定位示意

站房平面定位综合考虑地铁站位，车站处线路坡度≯0.2%，弧线段半径≮800 m，且国铁站位尽可能满足西侧主站厅空间最大化，并尽量靠近站台中心线。

结合以上因素及有限的站场范围，最终确定站房主体定位在垂直站台方向进深最大区域处布置。

1.3 功能需求

清河站地下一层中部的换乘空间，兼具昌南、19号线支线、13号线地铁进出站、国铁进出站、地铁与国铁换乘、地铁与地铁之间的换乘、国铁与出租、公交及停车场的换乘、城市居民穿越过街等多重功能，人流量大且流线复杂，是整个枢纽最重要、最核心的换乘节点。整个清河交通枢纽需通过地下空间作为中转各交通方式之间的联系，形成快捷高效的立体交通网络；通过与地下一层中部实现各种交通方式的连接设计从而缩短换乘距离，实现零换乘的设计目标[7]。

然而地下一层底高程受限于-17.9 m昌南线及19号线支线站台层，顶高程受限于地面±0.00 m 13号线及国铁站台层。在地铁线路与国铁线路上下夹击下，导致铁路轨顶距地下一层结构底板净高仅为8.55 m。

结合人流量等数据分析，地下一层换乘空间平面面积约为3.5万m2。换乘空间平面面积较大，空间高度又低，极易引发旅客消极的心理反应，如压抑、幽闭、缺少安全感、容易迷失方向等[8]。

因此，如何在高度严重受限的情况下，实现地下一层公共交通换乘空间的视线通透开阔，空间环境舒适宜人；实现国铁、地铁、市政交通的高效衔接，构建高效便捷的换乘体系是清河站设计的重点和难点之一[9-10]。

2 空间受限情况下的设计策略

2.1 建桥合一结构选型

清河站地下一层中部公共空间极度受限，同时又是人流量最大、流线最为复杂的空间。传统的框架结构必然会导致过密的柱网以及压抑的层高。因此，清河站主站房中部区整体结构体系采用地下一、二层为钢筋混凝土结构，采用刚度大的桥墩作为地上一层的承轨结构，各桥墩之间完全独立，列车轨道梁通过支座在桥墩顶部连接，站台板结构支撑在桥墩盖梁上，高架候车厅钢管混凝土柱下插在桥墩柱上，结构从下到上形成“钢筋混凝土框架-承轨层桥墩-钢管混凝土柱钢框架-大跨度钢桁架屋盖”的建桥合一的结构体系，清河站典型剖面见图3[11]，从而使地下一层换乘空间得到了突破与释放。

图3 清河站典型剖面

轨道梁与站台梁支撑于大悬臂预应力混凝土T形桥墩盖梁上，同时站房结构柱也锚固于墩柱中。多个结构支撑同个墩柱，节省了结构空间。多个结构支撑于一体，相互作为横向、纵向限位装置，抗震稳定性好。

这种建桥合一的结构体系使得平面化排布的站台、站房、广场等上下叠合立体化排布，实现了桥上建站房、桥下设换乘交通的空间布局形式，从根本上达到了节省用地、缩短流线的目的[12]。

2.2 U形梁兼作承轨层及屋面层方法

2.2.1 U形梁国内应用现状

目前，国内高架轨道交通上部结构通常采用箱梁形式，箱梁结构形式技术成熟、工艺稳定，但同时也存在外观笨重、结构高度过大、建设费用高等弊端。预应力钢筋混凝土U形梁为开口薄壁下承式桥梁结构，可大大降低列车行驶产生的噪声且外形美观；相对于传统箱梁形式可节省材料约1/3，同时降低结构整体高度；采用整垮预制、整垮吊装的方式施工，安装速度快[13]。我国自20世纪80年代初期开始将U形梁用于工程实践，该结构形式在轨道交通工程、铁路工程及高速公路工程中得到越来越广泛的应用。自2009年武汉站开创了我国新一代铁路客站的技术方向，“桥建合一”的创新结构体系开始得到广泛应用。站房核心区采用空间异形预应力混凝土连续刚构拱桥，鱼腹式横断面；其余部分桥梁采用36 m鱼腹式横断面简支箱梁[14]。

2.2.2 清河站U形梁应用

清河站设计中通过采用“桥墩+盖梁+U形梁”的形式，根据站场轨道布置方案，承托单线U形梁桥、双线U形梁桥。单线U形梁桥梁采用单线25 m预应力混凝土简支U形梁，双线U形梁桥梁采用双线25 m预应力混凝土简支U形梁。U形截面作为承轨结构支承轨道及列车的同时也兼作地下中部公共换乘空间的屋面结构。U形梁下部根据建筑空间需要，均采用独柱墩及曲线冠状梁[15]，并且利用冠状盖梁与盖梁之间的站台下空间，作为管线空间。与传统“建桥合一”设计体系相比，其优点为：箱梁通常利用梁格间作为管线空间，U形梁体系可利用空间更大且便于后期检查与维修；箱梁平行轨道方向为线性贯通，而U形梁下的盖梁仅在桥墩柱上端点状设置。故“桥墩+盖梁+U形梁”形式较箱梁更加灵活轻巧。

3 桥墩柱承托U形梁结构设计优势

3.1 实现下部空间净空高度需求

清河站地下一层因受到国铁轨道及地铁轨道的双重限制，国铁轨顶距地下一层结构底板净高仅为8.55 m。若采用传统框架结构，梁高至少3 m，加上轨道及路基高度、地下一层错综复杂的管线空间高度。很难保证地下一层中部作为换乘节点公共空间的使用效果。

因此，设计采用预应力混凝土简支U形梁。U形梁作为承轨层及地下公共空间的屋面层。U形梁能有效减小梁高，增加下部空间净空，轨道下方单线U形梁底板高0.51 m，相较正线区间采用的2.5 m梁高箱梁减小79%，提升净高1.99 m。使得轨顶距地下吊顶最高点高度仅为3.59 m，相较于成都东站轨顶距地下吊顶高度的4.75 m，提升净高约1.16 m[16]。地下一层曲线冠状梁下局部最低点室内净高为3.1 m，最高点室内净高为4.71 m。这种做法可有效降低轨道下方结构高度，满足了站房层高受限时建筑的功能需求，解决了下部换乘空间局促压抑的问题，更好地满足了桥下地铁非付费区、城市换乘通廊等公共空间的净高要求。清河站地下一层实景见图4。

图4 清河站地下一层实景

3.2 实现下部空间的建筑结构装饰一体化

清河站在地下一层的冠状曲线预应力清水混凝土桥墩柱承托大跨度U形预应力桥梁结构。U形梁下方独柱式钢筋混凝土桥墩，为扩大墩柱间距，采用柱网尺寸25 m(纵向)×21 m(横向)，减少对下部空间效果分隔，创造出开阔的内部空间。

地下一层公共空间部分在冠状曲线预应力桥墩柱处，放弃柱面及吊顶装饰，采用清水混凝土一次浇筑成型，不做任何外装饰，直接采用现浇混凝土的自然表面效果作为饰面，只在表面涂一层或两层透明的保护剂，显得天然、庄重，体现出建筑原始的美感[17]。将极富韵律感和美感的结构构件全部外露。曲线形冠梁带来的波浪形韵律变化，既减少了原本层高受限的地下一层空间的压迫感，保证了地下空间的合理宜人的尺度；同时柔化了空间，使整体空间舒展且流畅。

建筑形态、空间与结构逻辑高度融合有机统一，结构与建筑形态共生，建筑形态塑造体现结构受力的真实性及合理性[18]。利用符合结构力学规律和原理的形式美元素，体现结构自身的形式美亦解决了空间受限的难题。

3.3 实现下部空间的机电管线一体化

清河站地下一层中部城市通廊及换乘大厅处，作为整个站房的中转换乘节点，连接了国铁及地铁13号线、19号线支线及昌平线南延线。同时作为所有管线设备的集合中转点，聚集了国铁及地铁给排水、通风空调、动力照明、信号、通信、BAS、AFC、ACS等多种专业设备，系统多样，专业复杂，管线繁多，整体呈东西向和南北向，网格化交错贯通。在有限的高度空间内，要实现多种管线的综合排布，十分复杂困难。

因此，在顺轨方向，设计中充分利用的冠状盖梁之间的站台下方空间，作为设备管线夹层。减少了连梁，实现了此处空间设备管线一体化。贯通管线集中设置在站台机电管廊下方，桥梁盖梁之间；利用站台墙结构提供综合桥架支点，区分国铁地铁管线，以便后期检修，清河站顺轨向管线布置见图5[19]。

图5 清河站顺轨向管线布置

垂轨方向，同样充分利用21 m柱跨形成的上部空间，平行布设多种管线，清河站垂轨向管线布置见图6。并在U形梁梁底设计预留埋件，为后期吊顶及管线吊挂提供支点。盖梁两侧设置钢结构桁架，以站台墙结构为固定点，为东西向垂轨方向的贯通管线提供稳固结构。

图6 清河站垂轨向管线布置

4 构造节点设计

4.1 防水与保温

U形梁作为铁路桥梁防水做法需满足TB/T 2965—2018《铁路桥梁混凝土桥面防水层》的相关规定，常见做法为：4.5 mm厚高聚物改性沥青返水卷材或氯化聚乙烯防水层。在清河站中，因U形梁同时也兼做为地下一层的屋面，因此结合10J301《地下建筑防水构造》的地下室顶板防水构造做法，U形梁从上至下构造层次依次为：①轨道层；②级配碎石掺5%水泥；③50 mm厚聚丙烯纤维C40混凝土；④3 mm+4 mm厚高聚物改性沥青防水卷材；⑤基层压实赶光；⑥U形梁防水混凝土；⑦65 mm厚超细玻璃纤维棉保温喷涂。其中，超细玻璃纤维棉保温沿U形梁底部及站台梁与U形梁侧壁之间满喷，兼作保温层与吸声层，提升了下部空间的保温和隔声性能。

4.1.1 U形梁与站台间防水构造处理

U形梁兼作建筑屋面时，U形梁与站台间的缝隙以及 U形梁与U形梁之间的变形缝为防水薄弱点，需采取防水构造的增强措施来保障其作为屋面的防水性能。

U形梁与站台之间，在U形梁上部设置素混凝土起垛，防水卷材向上延伸卷入缝隙后固定，由φ50 mm发泡聚乙烯棒密封材料封堵后，其外侧采用密封材料嵌缝，U形梁与站台间防水节点见图7。

图7 U形梁与站台间防水节点(单位：mm)

4.1.2 U形梁与U形梁之间防水构造处理

通过在U形梁变形缝两侧梁端设置通长的宽100 mm、高110 mm挡水台，U形梁处3 mm+4 mm厚高聚物改性沥青防水卷材铺至挡水台顶部，挡水台之间的变形缝缝内由下至上依次为导水槽、填充阻火带及嵌缝膏，嵌缝膏上部设置4 mm厚防水卷材贯通变形缝及变形缝两侧的挡水台。挡水台顶端再加铺1道4 mm厚附加防水卷材，卷材需覆盖住下方两层卷材的连接缝，最后顶部加扣金属盖板1道，U形梁变形缝防水节点见图8。

图8 U形梁变形缝防水节点(单位：mm)

4.2 U形梁预埋

预应力混凝土简支U形梁作为一种下承式结构，其预埋件主要包括梁底两端的支座预埋件、吊装孔预埋件；U形梁两侧腹板内弧面的电缆套筒预埋，管线支架预埋；U形梁腹板顶面的声屏障预埋件、接触网立柱预埋件以及下方作为建筑空间时需为吊顶及管线吊挂提供支点等预埋件[20]。设计过程中需提前做好相关的预留预埋工作，避免错漏。

5 结语

清河站通过采用桥墩柱承托U形梁，且U形梁作为承轨层兼做地下一层屋面层的做法，一方面多个结构支撑于一体提升了抗震稳定性；另一方面极大地缩减结构所占空间，解决了清河站空间严重受限的问题。同时，有效结合桥梁防水与地下建筑顶板防水做法，并妥善处理U形梁间变形缝防水构造，使U形梁能够满足地下空间对防水保温性能要求。

U形梁结构相较于传统钢筋混凝土框架结构，使地下一层空间的柱距增大了2.78倍，管线可利用的高度增加了4.8倍，同时吊顶下净高增加了1.8倍。相较于箱梁，柱尺寸有效缩减2.6倍，管线可利用的高度增加了1.85倍。3种结构体系对比分析见表1。这种设计思路可有效应用于空间受限情况下的站房设计中，达到对空间最大限度的利用。

表1 结构体系对比分析

U形梁作为一种新型桥梁结构具有很大的应用优势，同样作为屋面顶板也存在一定的构造难点。在设计中仍需根据实际项目特点及需求，结合U形梁结构特点有针对性地采取相应建筑构造措施进行优化。本文仅提供一种思路，希望对在空间上严重受限的高铁站房项目设计，能起到一定参考借鉴作用。

总之，建筑与结构是密不可分、相辅相成的。今后的设计中应避免建筑空间形态与结构形式分离与不协调，使结构成为建筑表现的重要组成部分，善于利用结构逻辑来解决建筑问题，通过建筑构造手段与结构体系相结合，使结构形式的表达作为塑造空间的关键，从而真正获得建筑形式的自由。