張 寧

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司建筑工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100055)

引言

高鐵站房復(fù)合化的功能會帶來空間布局的新模式。功能的復(fù)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(dǎo)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(jié)構(gòu)體系，是為適應(yīng)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?，而將橋梁與房屋建筑結(jié)構(gòu)組合一體的綜合結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)首次采用了在建橋合一結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)上，結(jié)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(shè)計(jì)問題與難點(diǎn)。

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(dān)負(fù)著京張高鐵普速及部分高鐵的始發(fā)終到功能及服務(wù)周邊地塊居住區(qū)與產(chǎn)業(yè)用地出行，加強(qiáng)區(qū)域南北向交通聯(lián)系等功能。總建筑面積14.6萬m2，集鐵路客運(yùn)、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(yùn)交通樞紐[4]。

站房主體結(jié)構(gòu)地上2層，局部設(shè)有夾層；地下共2層，其中，地下一層設(shè)有車庫，城市通廊，國鐵快速進(jìn)站廳、出站通道、地鐵付費(fèi)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(fèi)區(qū)、城市通廊、鐵路出站層、地下車庫)；±0.00 m地面層(西進(jìn)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(yù)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(cè)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(cè)后進(jìn)入清河站房。19號線支線在清河站北側(cè)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(cè)預(yù)留遠(yuǎn)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(jié)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(cè)緊鄰京新高速，東側(cè)受建成居民區(qū)及辦公影響，用地狹長，設(shè)站條件困難。國鐵線路南側(cè)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(cè)主站廳空間最大化，并盡量靠近站臺中心線。

結(jié)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(jìn)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(jìn)出站、國鐵進(jìn)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(fù)雜，是整個樞紐最重要、最核心的換乘節(jié)點(diǎn)。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(luò)；通過與地下一層中部實(shí)現(xiàn)各種交通方式的連接設(shè)計(jì)從而縮短換乘距離，實(shí)現(xiàn)零換乘的設(shè)計(jì)目標(biāo)[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(dǎo)致鐵路軌頂距地下一層結(jié)構(gòu)底板凈高僅為8.55 m。

結(jié)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(yīng)，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(yán)重受限的情況下，實(shí)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(shí)現(xiàn)國鐵、地鐵、市政交通的高效銜接，構(gòu)建高效便捷的換乘體系是清河站設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一[9-10]。

2 空間受限情況下的設(shè)計(jì)策略

2.1 建橋合一結(jié)構(gòu)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(fù)雜的空間。傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)必然會導(dǎo)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(jié)構(gòu)體系采用地下一、二層為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用剛度大的橋墩作為地上一層的承軌結(jié)構(gòu)，各橋墩之間完全獨(dú)立，列車軌道梁通過支座在橋墩頂部連接，站臺板結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力混凝土T形橋墩蓋梁上，同時站房結(jié)構(gòu)柱也錨固于墩柱中。多個結(jié)構(gòu)支撐同個墩柱，節(jié)省了結(jié)構(gòu)空間。多個結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)了橋上建站房、橋下設(shè)換乘交通的空間布局形式，從根本上達(dá)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(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)高架軌道交通上部結(jié)構(gòu)通常采用箱梁形式，箱梁結(jié)構(gòu)形式技術(shù)成熟、工藝穩(wěn)定，但同時也存在外觀笨重、結(jié)構(gòu)高度過大、建設(shè)費(fèi)用高等弊端。預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土U形梁為開口薄壁下承式橋梁結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)整體高度；采用整垮預(yù)制、整垮吊裝的方式施工，安裝速度快[13]。我國自20世紀(jì)80年代初期開始將U形梁用于工程實(shí)踐，該結(jié)構(gòu)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(yīng)用。自2009年武漢站開創(chuàng)了我國新一代鐵路客站的技術(shù)方向，“橋建合一”的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系開始得到廣泛應(yīng)用。站房核心區(qū)采用空間異形預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)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(yīng)用

清河站設(shè)計(jì)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(yù)應(yīng)力混凝土簡支U形梁，雙線U形梁橋梁采用雙線25 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支U形梁。U形截面作為承軌結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。U形梁下部根據(jù)建筑空間需要，均采用獨(dú)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(shè)計(jì)體系相比，其優(yōu)點(diǎn)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?yàn)榫€性貫通，而U形梁下的蓋梁僅在橋墩柱上端點(diǎn)狀設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)勢

3.1 實(shí)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(jié)構(gòu)底板凈高僅為8.55 m。若采用傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，梁高至少3 m，加上軌道及路基高度、地下一層錯綜復(fù)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(diǎn)公共空間的使用效果。

因此，設(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)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(diǎn)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(diǎn)室內(nèi)凈高為3.1 m，最高點(diǎn)室內(nèi)凈高為4.71 m。這種做法可有效降低軌道下方結(jié)構(gòu)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(fèi)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(shí)景見圖4。

圖4 清河站地下一層實(shí)景

3.2 實(shí)現(xiàn)下部空間的建筑結(jié)構(gòu)裝飾一體化

清河站在地下一層的冠狀曲線預(yù)應(yīng)力清水混凝土橋墩柱承托大跨度U形預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)。U形梁下方獨(dú)柱式鋼筋混凝土橋墩，為擴(kuò)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(yù)應(yīng)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(hù)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)邏輯高度融合有機(jī)統(tǒng)一，結(jié)構(gòu)與建筑形態(tài)共生，建筑形態(tài)塑造體現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力的真實(shí)性及合理性[18]。利用符合結(jié)構(gòu)力學(xué)規(guī)律和原理的形式美元素，體現(xiàn)結(jié)構(gòu)自身的形式美亦解決了空間受限的難題。

3.3 實(shí)現(xiàn)下部空間的機(jī)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(diǎn)，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(shè)備的集合中轉(zhuǎn)點(diǎn)，聚集了國鐵及地鐵給排水、通風(fēng)空調(diào)、動力照明、信號、通信、BAS、AFC、ACS等多種專業(yè)設(shè)備，系統(tǒng)多樣，專業(yè)復(fù)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(shí)現(xiàn)多種管線的綜合排布，十分復(fù)雜困難。

因此，在順軌方向，設(shè)計(jì)中充分利用的冠狀蓋梁之間的站臺下方空間，作為設(shè)備管線夾層。減少了連梁，實(shí)現(xiàn)了此處空間設(shè)備管線一體化。貫通管線集中設(shè)置在站臺機(jī)電管廊下方，橋梁蓋梁之間；利用站臺墻結(jié)構(gòu)提供綜合橋架支點(diǎn)，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(shè)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(shè)計(jì)預(yù)留埋件，為后期吊頂及管線吊掛提供支點(diǎn)。蓋梁兩側(cè)設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)桁架，以站臺墻結(jié)構(gòu)為固定點(diǎn)，為東西向垂軌方向的貫通管線提供穩(wěn)固結(jié)構(gòu)。

圖6 清河站垂軌向管線布置

4 構(gòu)造節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

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(guān)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(jié)合10J301《地下建筑防水構(gòu)造》的地下室頂板防水構(gòu)造做法，U形梁從上至下構(gòu)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(shí)趕光；⑥U形梁防水混凝土；⑦65 mm厚超細(xì)玻璃纖維棉保溫噴涂。其中，超細(xì)玻璃纖維棉保溫沿U形梁底部及站臺梁與U形梁側(cè)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(gòu)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(diǎn)，需采取防水構(gòu)造的增強(qiáng)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(shè)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(cè)采用密封材料嵌縫，U形梁與站臺間防水節(jié)點(diǎn)見圖7。

圖7 U形梁與站臺間防水節(jié)點(diǎn)(單位：mm)

4.1.2 U形梁與U形梁之間防水構(gòu)造處理

通過在U形梁變形縫兩側(cè)梁端設(shè)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(dǎo)水槽、填充阻火帶及嵌縫膏，嵌縫膏上部設(shè)置4 mm厚防水卷材貫通變形縫及變形縫兩側(cè)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(diǎn)見圖8。

圖8 U形梁變形縫防水節(jié)點(diǎn)(單位：mm)

4.2 U形梁預(yù)埋

預(yù)應(yīng)力混凝土簡支U形梁作為一種下承式結(jié)構(gòu)，其預(yù)埋件主要包括梁底兩端的支座預(yù)埋件、吊裝孔預(yù)埋件；U形梁兩側(cè)腹板內(nèi)弧面的電纜套筒預(yù)埋，管線支架預(yù)埋；U形梁腹板頂面的聲屏障預(yù)埋件、接觸網(wǎng)立柱預(yù)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(diǎn)等預(yù)埋件[20]。設(shè)計(jì)過程中需提前做好相關(guān)的預(yù)留預(yù)埋工作，避免錯漏。

5 結(jié)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(jié)構(gòu)支撐于一體提升了抗震穩(wěn)定性；另一方面極大地縮減結(jié)構(gòu)所占空間，解決了清河站空間嚴(yán)重受限的問題。同時，有效結(jié)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(gòu)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(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)體系對比分析見表1。這種設(shè)計(jì)思路可有效應(yīng)用于空間受限情況下的站房設(shè)計(jì)中，達(dá)到對空間最大限度的利用。

表1 結(jié)構(gòu)體系對比分析

U形梁作為一種新型橋梁結(jié)構(gòu)具有很大的應(yīng)用優(yōu)勢，同樣作為屋面頂板也存在一定的構(gòu)造難點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中仍需根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目特點(diǎn)及需求，結(jié)合U形梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有針對性地采取相應(yīng)建筑構(gòu)造措施進(jìn)行優(yōu)化。本文僅提供一種思路，希望對在空間上嚴(yán)重受限的高鐵站房項(xiàng)目設(shè)計(jì)，能起到一定參考借鑒作用。

總之，建筑與結(jié)構(gòu)是密不可分、相輔相成的。今后的設(shè)計(jì)中應(yīng)避免建筑空間形態(tài)與結(jié)構(gòu)形式分離與不協(xié)調(diào)，使結(jié)構(gòu)成為建筑表現(xiàn)的重要組成部分，善于利用結(jié)構(gòu)邏輯來解決建筑問題，通過建筑構(gòu)造手段與結(jié)構(gòu)體系相結(jié)合，使結(jié)構(gòu)形式的表達(dá)作為塑造空間的關(guān)鍵，從而真正獲得建筑形式的自由。