采用自平衡懸吊體系優化城市軌道交通高架車站建筑設計

李文新

（廣州地鐵設計研究院有限公司，510010，廣州∥高級工程師，國家一級注冊建筑師）

1 國內城市軌道交通高架車站概況

根據與城市道路的位置關系，城市軌道交通的高架車站可分為路側式、跨路式、路中式3種型式。其中：路側式車站因線路區間占地較多而難以實現；跨路式車站因上跨非機動車道，在建筑設計時也受限制；路中式車站布置靈活，與區間過渡順直，最能夠體現高架線路易于建設、節省投資的特點。因此，國內多數高架車站采用首層架空路中式。本文以此作重點研究。

高架車站按結構形式分為“建-橋分離式”和“建-橋組合式”兩種。“建-橋分離式”常見于高鐵車站，多適用于車站規模及列車荷載較小、站臺長度一般不超過150 m、并列站臺數量不超過5個、不需要采用超大跨度與荷載的結構體系，因“建-橋分離式”極少采用，故在此不作分析。“建-橋組合式”根據站內軌道梁與主體結構體系的連接方式又可分為“軌道梁支承式”、“軌道梁固接式”兩種形式，如圖1所示。

圖1 “建-橋組合式”高架車站結構示意圖

2 傳統長懸臂梁托換結構體系車站建筑分析

國內已建成的高架車站多為首層架空的“建-橋組合”形式，其中最普遍采用的受力體系為傳統的長懸臂梁托換結構體系（以下簡稱“傳統體系”）。現以廣州某軌道交通車站為例，對采用傳統體系的車站建筑進行功能與形體分析。

2.1 室內空間利用與平面功能

傳統體系的站廳層為橫向3跨4柱框架結構，室內被立柱分割為3個無主次關系的條形空間，如圖2、圖3所示。因柱跨限制，本該作為車站核心區域的中跨卻零碎狹長，低下的空間利用率不利于站廳平面功能布置；室內框架梁縱橫交錯，低矮的有效空間不利于機電系統布置；邊跨外側有托換柱及邊縱梁，可利用的外墻面積有限，不利于公共區自然采光通風。

圖2 傳統體系高架車站結構示意圖

圖3 傳統體系高架車站的站廳平面圖

2.2 建筑體量對城市景觀的影響

高架車站結構傳統體系受力傳遞路徑為：站臺雨篷、樓扶梯、建筑外圍護系統等豎向荷載通過托換柱傳遞到站廳層長懸臂梁端部，經長懸臂梁傳遞到首層墩柱（見圖4）。豎向荷載集中在結構最不利點，導致長懸臂梁尺寸增大，隨之增加的結構自重又迫使首層墩柱加粗，最終梁柱尺度失調，造成建筑體量厚實，不利城市景觀。

2.3 人行過街天橋對城市道路的影響

城市軌道交通車站與地面人行道之間需架設人行過街天橋實現連通。為不影響城市道路通行，天橋一端應上跨路面車道并支承在車站結構上，不宜在車道上立墩。傳統體系站廳層長懸臂梁根部高度通常在2 m以上，而位于城市主干道上的人行過街天橋總荷載一般約為4 000 kN，故需加大懸臂梁根部高度至3 m以上方可滿足承載要求。當軌道交通車站軌面高度受到限制不能繼續增加梁高時，人行過街天橋則無法直接擱置在車站結構上，只能在機動車道上增設橋墩，如圖5所示。

圖4 傳統體系高架車站結構豎向受力傳遞路徑示意圖

圖5 傳統體系高架車站人行過街天橋與道路關系示意圖

3 自平衡懸吊體系車站建筑分析

3.1 自平衡懸吊體系概述

自平衡懸吊體系是近年來國內城市軌道交通高架車站采用的一種全新結構體系（見圖6），其建筑特點為車站體量輕盈、空間開闊、視野通透。車站采用鋼結構與鋼筋混凝土的混合結構，結構的主要受力體系為自身平衡穩定的拉桿懸吊體系，豎向荷載通過站廳層短懸臂梁傳遞到首層墩柱。

3.2 自平衡懸吊體系相比傳統體系的優勢

傳統體系的高架車站室內空間狹小零碎，外觀粗重厚實，對城市景觀及道路負面影響較大，而自平衡懸吊體系具備了解決這些問題的優勢。現將廣州地鐵同一條線路上軌面高度、車站規模、邊界條件完全相同的A（傳統體系）、B（自平衡懸吊體系）兩座車站進行量化分析比較，數據如表1所示。

通過表1的分析可看出，自平衡懸吊體系的車站設計具有室內空間完整、外觀輕盈通透、對城市景觀及道路影響小等優勢。此外，從工程建設成本方面分析，按2017年的市場價格（鋼筋混凝土0.18萬元/m3，鋼結構0.85萬元/t）計算，B車站地上部分土建造價為1 332萬元，A車站為1 425萬元，土建造價大致持平，但B車站的鋼結構在施工速度上優勢明顯，且無需搭建滿堂腳手架，占用道路施工的時間至少可縮短2個月。

圖6 高架車站結構自平衡懸吊體系示意圖

表1 傳統體系與自平衡懸吊體系的高架車站綜合比較

4 自平衡懸吊體系車站設計方法

4.1 設計思路

（1）高架車站設計的根本矛盾是建筑空間利用率與結構梁柱尺寸之間的矛盾：擴大建筑空間需要加大懸臂梁高度，加大梁高會降低車站凈空。如果通過加大層高的方式提升車站凈空，必然引起扶梯、電梯等設備規模增加，從而增加結構荷載，而加大結構尺寸反過來又會降低建筑空間利用率。這個根本矛盾導致了車站設計必然存在“體量大，空間利用率低”的問題，如要使設計水準達到質的提升，需要徹底消除這個矛盾。

（2）自平衡懸吊體系車站的設計思路是精準鎖定根本矛盾影響的最不利控制點。通過創新手法解決根本矛盾，消除不利控制點對建筑的制約，從而優化車站的整體設計。

（3）解決根本矛盾需打破固有的思維模式，從最初的建筑概念設計階段著手，帶動所有專業聯動創新。全面優化車站設計，這不僅體現在設計、建造、造價方面，也體現在運營成本及效率、可持續發展等方面，這種優化能夠量化并徹底地全方位提升品質，而非個別專業或某個階段的微調整。

4.2 控制點優化設計方法

以廣州軌道交通某側式站臺車站為例進行分析，對該站的3處最不利控制點分別進行優化設計。

4.2.1 人行過街天橋站廳一端的支承控制點

此處控制點的受力特點為集中荷載，按鋼桁架橋考慮通常每個牛腿承受豎向荷載超過1 000 kN，個別達到1 500 kN，絕對值非常大（見圖7）。考慮到天橋可能為非對稱布置，且在滿足受力計算的基礎上還應盡量提高天橋剛度，減少振動感，以提升使用舒適度，因此不能簡單地采用自平衡來解決所有問題。最有效的優化方式是縮短懸臂長度以減小彎矩，即通過懸吊體系平衡站廳荷載，取消站廳外側柱跨，使站廳層長懸臂梁長度縮短約2.5 m，使之優化為短懸臂（見圖8、圖9），以便最大限度消除了對車站建筑的制約。

圖7 人行過街天橋荷載分析圖

圖8 高架車站結構自平衡懸吊體系受力傳遞路徑示意圖

圖9 高架車站結構自平衡懸吊體系天橋與道路關系示意圖

4.2.2 最外側自動扶梯的上下支承控制點

此處控制點的受力特點為集中荷載，按上升高度6.0 m的并排雙向扶梯考慮，其上平臺梁所承受豎向荷載約為220 kN，絕對值大（見圖10）。由于自動扶梯為基本對稱布置，自平衡效率高，優化為懸吊體系后可抵消扶梯自重及大部分活荷載，消除了對建筑的制約。

4.2.3 建筑外圍護系統控制點

圖10 公共區樓扶梯荷載分析示意圖

此處控制點的受力特點為均布線荷載，按無填充墻的建筑幕墻考慮，通常豎向荷載約為2.7 kN/m，絕對值較大（見圖11）。因建筑外圍護系統為完全對稱布置且分布均勻，自平衡效率非常高，優化為懸吊體系可完全抵消外圍護系統自重及絕大部分活荷載，消除了對建筑的制約。

圖11 建筑外圍護系統荷載分析示意圖

對以上3處最不利控制點進行優化設計后，車站整體結構模型如圖12所示。

圖12 優化設計后的高架車站整體結構模型

4.3 整體建筑優化設計方法

（1）自平衡懸吊體系站廳層為橫向3跨2柱混合結構，站內劃分為中央大空間與兩側交通及管線空間，主次分明，空間完整。大柱跨提高了空間利用率，利于建筑功能布置和優化站廳的平面設計（見圖13）；大空間則增加了視線開闊度，有利于提升方向感和優化了車站導向設計，以便乘客通過直觀、開敞的環境，可對各種導向信息一目了然（見圖14）。

圖13 自平衡懸吊體系高架車站站廳平面圖

圖14 自平衡懸吊體系高架車站站廳大空間實景

（2）相比傳統體系，自平衡懸吊體系站廳層邊跨沒有突出樓板的框架結構梁，故可增加有效凈高約1 m，但設備管線可貼樓板底面敷設而無需繞行梁底。充裕的機電安裝空間利于管線綜合布置，可將傳統的管線分散平鋪方式優化為采用設備綜合吊架系統的集中立體排布（見圖15）；站廳外側無立柱遮擋，利于外圍護系統設計，可最大限度地優化室內自然采光通風效果，優化建筑節能設計（見圖16）。

圖15 自平衡懸吊體系對機電系統安裝空間的優化

（3）自平衡懸吊體系外側無柱，構件纖細，為實現輕盈通透的建筑效果提供了前提條件，優化了車站外立面建筑效果（見圖17）。

5 結語

對采用自平衡懸吊體系的城市軌道交通高架車站設計進行了初步探討和分析。目前國內高架車站建設處于高速發展時期，以往的工程經驗及理論已不能完全適應城市設計新理念，對全新設計理念的研究勢在必行。今后需要更加合理地利用自平衡懸吊體系的經濟適用性，在城市軌道交通高架車站的節能環保、裝配式建筑、可持續更新等方面作進一步廣泛深入的研究。

圖16 自平衡懸吊體系對自然采光通風效果的優化

圖17 自平衡懸吊體系車站實景