铁四院:铁路客站技术创新发展与展望

 
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  一、中国铁路客站的建设成就

  新世纪以来,伴随着中国高铁技术异军突起,高铁客站建设也取得了骄人成就。截至2016年底,全国共建成高铁客站676座,其中特大型客站52座,分布在祖国东西南北的广袤大地上,成为镶嵌在2.2万公里高铁线路上的耀眼串珠。

  高铁客站贯彻的“一切以旅客为中心,打造各种交通方式无缝衔接、旅客零距离换乘的综合客运枢纽”等一系列创新建设理念,是我国铁路客站建设史上的一次重大转变和突破。创新的理念彻底改变了中国铁路的陈旧面貌,也催生出中国高铁客站一批划时代的鸿篇巨作。

图1 北京南站

图2 武汉站

图3 广州南站

图4 上海虹桥站

  2008年8月1日,伴随着京津城际铁路开通和全新标准的现代化大型铁路客站北京南站的启用,中国铁路开启了高铁时代。

  2009年12月26日,首创桥建合一结构形式的武广高铁武汉站开通运营。

  2010年1月30日广州南站建成启用。广州南站是我国目前规模最大、最繁忙的高铁客站。2017年春运日到发旅客最高峰值为44.62万人次。

  2010年上海虹桥高铁站建成,它与虹桥机场一起形成铁、路、空三位一体的世界级交通枢纽。

图5 呼和浩特东站

  2010年开通的还有我国北部边疆的重要门户客站呼和浩特东站。

  2011年,深圳北站、南京南站、成都东站、西安北站、天津西站相继建成。

  2012年,哈尔滨西站、郑州东站、大连北站开通运营。

  2013年,南昌西站、杭州东站竣工。

  2014年,合肥南站、兰州西站、贵阳北站建成使用。

  2015年,我国首个全地下高铁车站深圳福田站建成使用。

  2016年,我国西南地区最大枢纽客站昆明南站建成使用。

图6 哈尔滨西站

图7 南宁东站

图8 杭州东站

  二、中国铁路客站的技术创新与实践

  (一)零距离换乘的综合交通

  高铁客站规划之初就提出“以人为本、一切以旅客的需求为中心”,打破过去的条块分隔和管理的现状束缚,形成与城市交通融合开放的格局。

  无论是最早建成的北京南站、武汉站,还是近期开通的福田站、于家堡站,铁路与城市交通无缝衔接已成为中国铁路客站的标准配置。

  而2010年建成的上海虹桥综合交通枢纽是城市交通建设的创新,首次采用铁路客站与机场航站楼双中心并联布局,占地1.3平方公里、核心建筑总面积80万平米,涵盖航空、高速铁路、磁悬浮、城际铁路、长途公路客运、城市轨道交通、公共和出租等更多种交通方式,成为轨、路、空三位一体的日旅客吞吐量130万人次的超大型、世界级交通枢纽。

图9(a)上海虹桥综合交通枢纽俯视图

图9(b)上海虹桥综合交通枢纽平面图

  而围绕着“零距离换乘”,高铁客站的设计者更是在前人基础上不断创新追求。

  传统车站一字排开的铁路站场、旅客站房和交通广场,在武汉站的设计中,被创新性地立体叠合,产生了桥建合一结构,大大缩短了进出站流线。

图10 武汉站“桥建合一”将客站三要素立体叠合

  为了缩短换乘距离,设计师还在过去铁路两侧开口的基础上创新出了线上开口进站的方式。

  例如昆明南站铁路站场共16站台30股道,宽达300余米,即便采用了高架候车,立体叠合。从广场一侧入口横跨整个站场仍有近400米远。而采用了机动车开行至铁路上方的进站方式后,旅客被直接送达高架候车室的中部入口,平均步行距离缩短近一倍,并且风雨无阻。

  零换乘除了追求短捷,还要追求明确和高效。在高铁客站设计中,我们提出了以空间透明化、功能可视化引导组织客流疏解等一系列提高旅客出行效率的理念与方法。

  进入武汉站的中央大厅,车站整体功能布局一目了然,旅客能立刻看见站台上的列车,有效缓解焦虑,避免盲目拥挤。

  在大型客站中创新采用站台无柱雨棚,也是为了减少站台上影响旅客行进和观察视线的障碍物,创造更明确、更舒适的乘车环境。

图11 空间透明功能可视引导组织客流

图12 旅客行进和视线无阻碍的无柱雨棚空间

  无柱雨棚不仅使客站面貌的焕然一新,也有力推进了结构设计与建造技术的进步

  (二)融合创新的结构技术

  设计理念的创新带来设计、建造技术的进步。桥建合一、无柱雨棚、全地下车站等一系列需求的提出,促使结构设计不断研究攻关,创新实践,取得大量成果。

  “桥建合一”理念的实现,关键在于高铁桥梁和民用建筑结构的跨领域研究,此前没有先例参考和规范可循。经过研究与实践,形成了融合不同理念、不同标准、不同方法的“桥建合一”结构设计完整技术体系。目前这一技术已日趋成熟,并推广运用。

  为实现功能可视的开放设计理念,武汉站“拱-壳”组合结构,在狭小铁路限界内以单管方式实现了116m的跨距,创造了该类结构的世界最大跨度。其下部的轨道梁与站台梁合一的单箱五室鱼腹断面梁获国家专利授权。

图13 武汉站中央大厅“拱-壳”组合结构

  于家堡网壳结构体系的创新主要包括网壳网格形式的创新和国内外罕见的跨度。网壳由36根顺时针方向和36根逆时针方向的螺旋形箱梁杆件相互编织,形成纵向跨度143米、横向跨度80米、矢高24米的贝壳形单层网壳结构。

图14 于家堡站采光屋盖的单层网壳穹顶纵向跨度143米

  厦门北站在屋盖中应用双向不等高交叉桁架组成的新型网格结构,无柱候车厅屋盖双向跨度132米×220米。2015年荣获国际桥梁及结构工程协会“杰出结构工程奖”。

  福田站为全地下高铁站,站址位于深圳市繁华的中心区域,周边高楼林立,地铁与桥梁纵横。车站总建筑面积近15万平方米,最大埋深30米,与三条地铁线衔接换乘,堪称地下结构的奇迹。

  (三)节能环保的绿色建筑

  发展绿色铁路客站符合国家可持续发展战略要求。高铁客站对绿色建筑技术进行了大量研究和应用。

  如北京南站运用冷热电三联供系统,利用天然气发电后产生的余热,直接进行制冷或制热,通过能源的梯级利用,可将天然气使用效率从50%提高到90%以上。

  虹桥站利用屋面面积6.1万平方米安装太阳能电池板,总装机容量6688千瓦,年均发电可达630万度。此项目每年可以减排二氧化碳6600多吨,节约标煤2254吨,其经济效益和节能减排作用十分明显。

  武汉站不仅采用了集约用地、智能照明、太阳能发电、自然采光通风等措施,其空调采用的地源热泵系统,能有效减少车站能耗。

  2012年,原铁道部统计中心对近期建成的49座新型客站和45座传统客站进行了能耗对比统计,新型客站单位建筑面积能耗比传统客站平均低52.9%。

图15 新型客站与传统客站能耗对比

  为对客站在环境品质和节约资源方面的表现进行整体评估和全面指导,铁路管理部门依托铁路客站绿色技术研究成果,借鉴国内外绿色建筑评价标准的经验,建立了国际上首部绿色铁路客站评价标准。

  包括节地、节能、节水、节材、室内环境、施工管理和运行管理七个方面。是一部适用于铁路客站设计、施工到运行管理全过程的绿色建筑评价标准。

  评价标准建立在铁路客站设计及建设标准基础之上,充分结合当地气候、环境、资源、经济及文化特征和我国铁路客站建设运营特点,在客站建筑全寿命期内,综合考虑建筑环境质量与环境负荷的平衡,引导客站向节能环保、健康舒适、讲求效益的方向发展。

  (四)展现文化自信的城市名片

  今天,高铁客站建筑形象已成为展现城市地域风貌和中国人的文化自信的最好载体。

  昆明南站结合当地独有的文化特点,用“孔雀开屏、鲜花绽放”的形象表达昆明城市的开放进取和热情好客。同时,作为“一带一路”的节点,用富有民族特色的色彩、纹饰和细部构件作为建筑语汇,表达出“民族交融之城、国际交流之门”的寓意。

图16 昆明南站

图17 苏州站

  苏州站结合临近古城的环境特点,选取菱形为基本元素,以富有苏州特色高低起伏、纵横交错的屋面,在有效解决候车大厅采光通风的同时,又把大空间、大体量交通建筑化整为零,融入古城的城市肌理。达到了“苏而新”的设计要求。

  黄山北站不仅是世界闻名的黄山风景区的门户,也是位于最富中国传统文化底蕴的徽州文化所在地的标志性建筑。建筑立面体现出中国文化审美情趣,提取迎客松、奇峰云海、摩崖石刻等黄山典型元素,创新性地运用中国传统绘画和徽州砖雕的表现手法,勾勒出一幅令人印象深刻的壮美画卷。

图18 黄山北站

  三、中国铁路客站的发展方向

  (一)站城融合

  铁路客站不仅是城市的有机组成部分,还是城市规划的前导、经济发展的引擎,也是整合容纳各种城市所需功能的容器。

  近期的设计实例中,铁路客站与城市建设发展的关系已经开始出现新的变化。如上海莘庄站项目利用交通便利融入其他城市功能激发出区域活力。福厦高铁TOD项目中提出结合高铁客站规划引导沿线区域产业布局和经济转型升级。

  今后高铁客站还将城市发展中扮演更加重要的角色。

图19 上海莘庄综合交通枢纽TOD项目

图20 福厦高铁TOD开发

  (二)综合开发

  要做到铁路客站的可持续发展,坚持绿色节能环保理念进行车站建设之外,还必须在保证服务质量的前提下提高铁路客站的经济收益,即客站应具有自身造血能力。采取“铁路+物业”的组合方式是有效方法“铁路+物业”组合中,以站内商业最具价值和开发成熟度。在设计之初就应结合商业策划进行口部和动线设计,增加对旅客的吸引力。此外,充分发掘一些特定车站的土地价值,做车站上盖开发、打造车站城市综合体,也是今后应重点研究的课题之一。近期我们在佛山西站、义乌站交通综合体等设计中都在“铁路+物业”的组合方面做出了有益的尝试。

图21 义乌站交通综合体

  (三)智慧车站

  随着新一代信息技术的发展和创新应用,以物联网、云计算、移动互联和大数据等新兴热点技术为核心的,可以让旅客享受更加轻松和智能化出行体验的“智慧车站”必将到来。

  智慧车站以满足旅客出行需求为核心,运用先进的信息技术,感测、分析各项关键信息并做出智能响应,优化整合服务资源,与旅客人网互动,实现车站智慧式管理和运行。

  结合人脸识别等先进技术,应用信息互联、自动清算和旅客征信系统,可以实现各种交通方式安全区域的互通互认,实现一卡通行的付费区零手续换乘。运用大数据提前预判客流,智能引导人流车流,保证车站秩序和运行效率。同时以客流优势为契机,为客站创新出更多商机和收益。

  (四)安全运营

  铁路客站尤其是大型高铁站,人流量密集、空间跨度大、结构体系复杂、公众关注度高。保证其安全运营是不可忽视的重要问题。包括日常使用维护的安全、突发应急疏散的安全、影响行车的安全,以及结构构件耐久性和抵抗自然灾害的安全性能问题。

  如何协调好加强突发事件的防范应对措施与提高为旅客服务的质量水平之间的矛盾,是我们当前面临的挑战。必须依赖技术进步和管理创新加以妥善解决。

  对大型结构进行安全监测是保证安全的有效手段,目前已经在大型公共建筑领域广泛开展,如奥运会鸟巢国家体育场等。昆明南站率先在铁路客站领域开展了此类研究并实际运用于工程实践,填补了铁路客站领域安全监测工程的空白。今后应进一步研究完善,制定标准,形成机制,在大型客站及重要结构工程中加以推广应用。

图22 昆明南站结构健康安全监测原理图

  四、结语

  今天,中国已经从一个铁路大国转变成世界铁路强国之一。中国铁路梦是伟大中国梦的一部分,我们不能仅仅满足于国内市场需求,还要走出去,在世界范围的铁路客站建设舞台讲中国故事、用中国标准、提供中国解决方案。