站廳分離式地鐵高架車站低影響開發設計策略研究
——以西安地鐵5號線王道站為例

趙瑞澤,林子琦,劉劍春

(1.西南交通大學建筑與設計學院,成都 611756； 2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

1 概述

隨著我國城市公共交通基礎設施快速發展，今后我國大中型城市的軌道交通將是城市公共交通發展的重點。而且今后城市軌道交通發展的重要方向將由地下軌道交通為主導的建設模式，逐步過渡到地鐵與以高架軌道交通為主導建設模式的城市輕軌、跨座式單軌等多種制式軌道交通協調發展的階段，城市高架軌道交通建設將迎來廣闊的發展前景[1]。城市高架軌道交通包括地鐵、輕軌以及區域鐵路的高架線路部分[2]，其中高架型地鐵車站同時作為高架軌道交通與地鐵交通的重要構成[3]，具有重要的研究價值和意義。其根據車站站位與城市道路的關系可分為兩大類:車站位于道路中和車站位于道路邊綠化帶內(或街坊內的)。路中式地鐵高架車站根據站廳及站務用房位置的不同，又可分為三類:站廳分離式地鐵高架車站、站廳高架式地鐵高架車站和站廳落地式地鐵高架車站[4]。其中站廳分離式高架車站相較于其他高架車站類型而言，其通透輕巧、整體體量適中，具有完整的可利用橋下空間與硬質場地。故本文選擇站廳分離式高架車站作為特殊車站類型進行研究。

隨著近年來我國城市化進程快速推進，極端氣候頻頻出現，暴雨帶來的內澇和環境問題也越來越突出。這些問題對我國城市軌道交通建設和運行都提出了更高的要求。我國在學習國外雨洪管理經驗的基礎上提出的海綿城市理念，在應對洪澇災害、徑流污染、水資源短缺等問題上起到了一定的積極作用。但目前將海綿城市理念與城市軌道交通相結合的設計及相關研究較少，缺乏理論的指導和實施的案例[5]。將海綿城市理念引入城市軌道交通建設中，有助于緩解極端氣候對城市軌道交通造成的影響，對當前我國城市軌道交通建設具有積極的現實意義。

2 “站廳分離式”高架車站特征分析

站廳分離式高架車站是路中式高架車站的一種布置形式[3，6]，其平面布局如圖1所示。這種高架車站較其他類型相比，體量適中，占用兩側用地較少，可靈活進行布置。其主要結構特征如表1所示。

圖1 “站廳分離式”高架車站平面示意

表1 “站廳分離式”高架車站特征

站廳分離式高架車站的主要綠化空間存在于橋下，可與生物滯留設施、下沉式綠地、雨水罐等措施結合，有利于保障雨洪安全、屋面雨水凈化及可能條件下的回收利用；主要硬質空間存在于車站出入口周邊，主要結合透水鋪裝、生態樹池等措施來進行排洪防澇。

站廳分離式高架車站主要匯水來源為車站建筑屋面(屋面、橋面一般采用的排水方式為水流通過橫縱坡匯流后進入雨水口，繼而進入排水管道，最終通過排水立管進入地面排水設施或河流[7])，次要匯水來源為人行天橋界面匯水及產權內出入口周邊地表徑流[8]。

站廳分離式高架車站主要污染物多為高架橋上污染物，如顆粒物SS、燃油燃燒污染物、營養類物質、石油類物質、硫酸類物質、重金屬等[9]。而建筑屋面匯水則比較干凈，COD、BOD含量都比較低，雨水水質的成分也比較簡單[10]，可作為雨水回用資源儲備。

3 “站廳分離式”高架車站低影響開發設計策略

對站廳分離式高架車站進行低影響開發設計，應通過分析其用地類型、匯水區、污染物等特征，確立雨水管理目標，選取相應海綿措施，因地制宜的將措施布置在場地內的可利用空間中，梳理低影響開發設計流程。具體海綿設計步驟包括：水文分析—確立雨洪管理目標—措施選取及設計。

3.1 水文分析

在進行水文分析時，應考慮其用地、污染物等特征，對其進行匯水區劃分。站廳分離式高架車站周邊場地可利用空間主要為橋下綠地空間、出入口周邊硬質場地、產權范圍內人行天橋等。其匯水區劃分為車站建筑屋頂匯水、車站產權范圍內的周邊地表徑流匯水(包含車站出入口周邊用地匯水、人行天橋匯水、周邊道路匯水等)。

3.2 確立雨洪管理目標

綜合考慮設計場地用地類型、匯水區、污染物等特征，以地鐵運營及人行、車行安全第一為首要原則，參考相應海綿城市設計導則上位控制目標，基于水質與水量雙方面考慮，綜合設定其雨洪管理目標。

3.3 措施選取及設計

在進行措施選取時，結合站廳分離式高架車站場地特點和雨洪管理目標，參考《海綿城市建設技術指南—低影響開發雨水系統構建》的內容，分析高架車站的匯水過程，進行LID措施選取。如表2所示，海綿措施主要分為四大部分：滲透、轉輸、截污凈化、儲存。同時隨著海綿城市建設研究與實踐的推進，不斷有新的措施或設備出現，鼓勵使用新型LID措施。

表2 “站廳分離式”高架車站海綿措施選取

根據選取的海綿設施，結合車站可利用空間進行理想標準下的“站廳分離式高架車站”場地布置，如圖2所示。針對橋下綠色空間，由于高架建筑屋面及橋面雨水徑流，通過泄水口或雨水管傳輸至橋下空間(橋梁均是在每座橋墩處分割開來的， 因此橋面排水是以橋墩為界， 各段橋梁單獨設置排水點[11])，因初期降雨時，前2～5 mm的雨水一般污染嚴重，流量也比較小，需設置初期棄流設施進行棄流，對棄流后的雨水采用滲透技術如生物滯留設施等進行處理(橋下空間由于其特殊環境，植物缺乏雨水灌溉可考慮適量使用保水劑[12])，若水量過大則通過溢流裝置排入市政雨水管網；針對出入口周邊用地，其主要為硬質空間，采用滲透技術如滲井、透水鋪裝等，若水量過大則通過溢流裝置排入市政雨水管網。

圖2 “站廳分離式”高架車站海綿措施布局示意

3.4 設計流程梳理

通過對站廳分離式高架車站低影響開發設計的思考，按照降雨—源頭—傳輸—截污凈化—末端的順序，梳理出了針對于該類型高架車站的低影響開發設計流程，如圖3所示。

圖3 “站廳分離式”高架車站海綿措施流程

4 “站廳分離式”地鐵高架車站案例實踐——以西安市5號線王道站為例

4.1 項目概況

圖4 西安地鐵5號線二期工程走向示意

王道站為西安地鐵5號線二期第3座車站(圖4)，位于西安西咸新區灃西新城，車站位于南北向咸戶路與東西向天元路交叉路口，站位位于路口以東、路中綠化帶內。周邊多為規劃商業、規劃居住用地。車站共設2個天橋，4個出入口，其中A、B號出入口結合車站附屬設備用房布置在規劃天元路南側地塊內，C、D號出入口布置在規劃天元路北側地塊內，均由過街天橋連接地塊客流至站廳層(圖5)。

圖5 王道站周邊用地分析

4.2 方案設計

本案例先依據場地特征進行水文分析，然后確立其雨水管理目標，依據雨水管理目標及場地特征進行相應的雨水措施選取及規模計算，最后將選取的海綿措施布置于場地內部的可利用空間中。

4.2.1 水文分析

如圖6所示，王道站周邊場地可利用空間主要為橋下綠地(路中綠化帶)、出入口周邊硬質廣場以及附屬建筑前綠地。污染物主要為天然雨水包含的污染物(總氮、總磷等)、建筑屋面及人行天橋界面污染物(TSS、固體污染物等)、地表污染物(沙礫、泥土和顆粒物等)。匯水區主要為車站建筑屋面、出入口周邊及人行天橋界面匯水。

4.2.2 確立雨水管理目標

參考DBJ61T126-2017《陜西省海綿城市設計導則》上位控制目標、地鐵運營及海綿城市控制目標建議，在保障地鐵運營安全的原則下，該類型地鐵橋下空間的雨水管理目標應結合綠地考慮，以徑流污染物削減及徑流總量控制為主要目標。主要包括：

非點源污染控制即對匯水區污水進行收集及初期棄流后匯入雨水措施，對顆粒物(SS)的消減率不低于40%，對有機污染物的消減率≮70%，對重金屬的消減率≮40%；雨水實現資源化有效利用，保障地鐵運營安全，補充景觀用水及地下水。

4.2.3 海綿措施選取及設計

本次案例設計選取了初期棄流池、哨井、雨水花園、生態樹池、透水鋪裝等5種措施。并結合案例實際需求進行設施規模計算。

(1)初期棄流池

初期棄流分為車站主體建筑棄流和車站附屬建筑及周邊用地棄流兩部分。通過初期雨水棄流計算公式，計算兩部分初期棄流水量，車站主體建筑棄流15.4 m3，車站附屬建筑及周邊用地棄流10.2 m3，故選擇規格為1 m×1 m×0.9 m的初期棄流裝置16個，放置于車站主體建筑下方的橋基兩側，其中11個放置于車站附屬建筑及周邊的綠地和硬質地面中。

(2)雨水花園

雨水花園主要位于車站主體建筑下方和車站附屬建筑兩部分。依據計算公式S雨需=α·S匯·S設計降水·β/H蓄水(公式參考美國馬里蘭州雨水花園建議計算方法[13])，計算其所需雨水花園面積。車站主體建筑及周邊用地需要雨水花園318.4 m2，車站附屬建筑需要雨水花園125 m2，因S橋下=770 m2>S雨需，故至少選擇4塊高架橋下橋基間綠地(每塊為85.5 m2，共342 m2)改造為雨水花園。S附屬建筑綠地=65 m2

(3)哨井

由于場地內綠地不能完全消解上游匯水區水量和存在一定面積的硬質地面，故選擇哨井對其進行消解。根據《恩維斯哨井總結報告》，每平方米哨井可處理400～500 m2匯水區，每個哨井面積為0.5 m2。故根據北側出入口周邊用地匯水面積S1=1 200 m2，選擇4個哨井；南側出入口用地面積S2=705 m2，選擇3個哨井。高架附屬建筑屋面及周邊匯水區需雨水花園125 m2，綠地面積僅為65 m2，僅消解一半匯水面積，剩余約1 025 m2匯水區還需4個哨井，滿足設計要求。哨井以過濾和吸附為核心功能單元，由透水過濾層、沉淀層、過濾介質層、轉輸層4部分組成，雨水經前3層分別進行大塊顆粒過濾、粗細粒沉淀物過濾、營養物等物理吸附過濾后通過轉輸層輸出，此處可根據后續需要進行調整，如增加雨水調蓄池進行調蓄回用等。

依據場地內部的可利用空間，將選取的海綿設施進行合理布置，如圖7所示。初期棄流池及雨水花園主要布置于車站主體建筑下的橋下綠地以及車站附屬建筑旁的綠地中，用以處理來自建筑屋頂的匯水。建筑屋頂徑流通過雨水管進入初期棄流池，經初期棄流后流入雨水花園，經其凈化后用以補充地下水或是回用于生活用水。哨井、生態樹池、透水鋪裝主要布置于出入口天橋周邊的硬質場地中，用以處理天橋及周邊用地匯水，見圖8。

圖7 王道站海綿措施設計平面

圖8 王道站海綿措施設計立面

4.3 模型模擬

結合王道站片區建設過程的特點，對車站片區下墊面進行合理概化。運用XP Drainage軟件模擬分析王道站案例在相應降雨重現期下低影響開發(LID)措施組合情景方案的水文過程。采用生物滯留設施(雨水花園)、水箱、綠色屋頂3種LID方案進行模擬。

4.3.1 XP Drainage軟件參數設置

自定義降雨設置：降雨數據理論上可以通過實際測量獲得，但實際中由于各種條件的限制和水文資料的保密性，無法獲取實測降雨。因此，可以利用研究地區的暴雨強度公式與雨型參數耦合生成設計降雨替代實測降雨。

芝加哥雨型[14]是根據雨強-歷時-頻率的關系得到的一種不均勻設計雨型，具有洪峰流量和徑流值穩定的特點，能夠較全面地反映降雨的各種特征。因此本文采用芝加哥雨型和西安戶縣雨型(參考《西咸新區排水(雨水)防澇綜合規劃》)擬合生成。公式如下

(1)

式中，A、C、b、n為暴雨公式參數；P為設計降雨重現期；t為降雨時間，min；T為降雨總歷時；本研究中A=6.41，C=1.512 1，n=0.704，b=14.084。

生物滯留設施相關參數及來源見表3，水箱的相應參數設計主要包括深度、平面面積、容積、保護高、孔隙率等，深度、面積等應根據場地大小和設計儲蓄雨水量來確定，保護高常用的設計參數為100 mm，孔隙率為100%。

表3 生物滯留設施相關參數及來源

排水管道指匯集和排放污水、廢水和雨水的管渠及其附屬設施所組成的系統。一般建議排水管道外徑規格為最小300 mm，可根據具體情況設定。排水管道埋設可參見GB 50014—2006《室外排水設計規范(2011年版)》以下規定：4.3.7 管頂最小覆土深度，應根據管材強度、外部荷載、土壤冰凍深度和土壤性質等條件，結合當地埋管經驗確定。管頂最小覆土深度宜為：人行道下0.6 m，車行道下0.7 m。埋設深度可深至6～10 m。可根據具體情況設定。

檢查井一般設在排水管道交匯處、轉彎處、管徑或坡度改變處、跌水處等，由井座、井筒、井蓋和相關配件等組成，用以定期檢查、清潔和疏通或下井操作檢查的井狀構筑物。一般建議檢查井管道外徑規格為600，800，1 200，1 500，2 000 mm等，檢查井的埋深同排水管道埋設，可根據具體情況設定。

4.3.2 XP Drainage軟件結果分析

如圖9所示，結果表明：在暴雨重現期為3年，降雨持續時間為120 min，西安市5號線王道站的海綿措施設計是可行的(若模擬結果狀態顯示為OK，即LID措施布局可行)。若提升暴雨強度，軟件顯示為出現洪水，可進行相應的海綿措施規模面積調整以應對洪水。

圖9 軟件模擬結果

4.4 分析討論

就地鐵路中站廳分離式高架車站海綿設計而言，其設計關鍵有以下兩點。

(1)分析車站用地、匯水、污染物等特征，同時綜合考慮海綿措施與污染物之間的對應關系，從而選取相應的海綿措施。根據場地用地情況，灰綠結合，綠地搭配綠色海綿設施，硬質地面結合灰色海綿設施。

海綿措施與污染物之間的關系如下：生物滯留設施處理大規模道路徑流污染時，對N、P處理相對較弱，但對TSS的處理效率極高[16-17]，其中生物滯留池對TN、TP的去除率可以達到65%左右；人工濕地對于TSS的去除效率達85%，對TN、TP去除率僅為30%～45%；草地植被過濾帶TSS、TN和TP的去除率均顯著高于灌木植被帶；下凹式綠地對徑流量具有很好的滯留效果；TP削減率最低為58.38%；徑流中顆粒態磷的去除率最高，為 90.28%[18]，透水路面主要針對TSS和重金屬，污染物去除率達50%以上，植草溝對于TSS去除率為 50%～75%，TN、TP去除率為25%～75%[19]。

(2)根據場地條件進行海綿措施規模計算，從而確定措施的位置及相應規模，但前提應是保證設計場地的雨洪安全。在進行措施規模計算及位置的選取時要注意因地制宜，如在本設計中需考慮結合車站場地內部的可利用空間類型及面積大小，選取適當的措施位置。綠色技術設施應優先選擇，輔以灰色海綿設施，灰綠結合最大程度上實現設立的雨水管理目標[20]。

5 結語

隨著城市化進程的加快，水資源短缺和環境問題逐漸引起人們重視。對地鐵進行低影響開發設計，有助于城市生態環境建設，同時也是國家政策支持、建設綠色地鐵、保護生態環境的大勢所趨。基于海綿城市理念與地鐵建設相結合的視角，著眼于地鐵高架車站雨水處理問題，分析典型車站特征，提出一套涵蓋方案設計、計算方法、參考案例等內容的較為系統的低影響開發設計策略，能夠為其他類似項目的低影響開發設計提供借鑒。

地鐵與“海綿城市”的建設都是周期長、投資大、牽涉面廣的系統性工程，從海綿城市的概念出發，重新對地鐵建設進行思考并提出“海綿地鐵”的設計策略，這對當前我國城市軌道交通建設具有積極的現實意義。