天津西站站房拱顶空间建筑设计

孟 然

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

天津西站站房设计的基本理念是，在如此复杂的枢纽建筑实体中实现建筑设计的简洁性，寻找单一性和多样性之间的平衡，创造其独特性和实用性的统一，充分体现高品质的交通建筑。因此，从最初的造型设计就采用醒目的编织拱顶和浑厚的柱廊基座用以构成站房形象主体。在2008年12月底，寓意为“光辉”的天津西站设计方案，一个象征着天津美好未来、代表铁路高速发展的新型火车站得到部、市领导的一致认可。天津西站古典的拱形与现代的工程技术相结合，明确表达了天津西站的城市功能——一座通往未来的现代化火车站。西站的核心就是编制大拱和貌似支撑大拱的基座柱廊以及拱顶所覆盖的动感空间，在所有旅客可视空间里面进行了大量的空间研究和方案比较工作。并对公共空间的细节处理作了细致的对比和借鉴。鸟瞰图见图1。

设计之初与结构专业研究了拱顶的受力形式及结构对建筑体形的要求，结合线间立柱、设置转换层等条件明确纵向拱脚分格间距为10.75 m最为合理。拱顶过高会产生较大的水平推力，过低弧形效果欠佳，整体外观不协调。最终确定大拱圆心位于站房中心地下－8.06 m标高处、矢高37 m、大拱高度57 m、跨度114 m。拱形屋面结构体系为联方网格型单层网壳。单层网壳弦杆构件采用实腹箱形梁。高架两侧裙房钢框架作为拱形屋面结构的支座及主要的抗侧力构件。整体屋盖结构不设置伸缩缝。拱顶屋面包括南北悬挑部分全长396 m。设计构思图见图2，图3。

结构外露是天津西站设计的一大特点，要求以结构形式变化体现建筑空间的丰富层次。因此，在保证整个结构体系安全的前提下，建筑对结构构件体量、尺寸、形式等方面提出较高的设计要求:高架室内拱顶空间采用外露变截面钢结构拱形形式，拱顶部较宽较薄(高1 m，宽2.2 m)，底部则变化为窄而高(结构梁高3 m，宽0.8 m)，以结构构件形式体现建筑设计意图，不再进行过多的吊顶装饰。顶部较宽底部较窄对空间的遮阳也起到了积极的作用。通过不断优化建筑方案及构件形式和尺度、每个结构单元格菱形对角线处的弧度、钢结构表面涂装色彩以及光泽度的控制，达到理想的建筑空间形式与结构受力的完美结合(见图4)。

圆拱形结构可以创造出南北长346.5 m，东西跨度114 m的大尺度开敞空间，塑造出纯净、大气、具有震撼力的室内空间，给旅客呈现一种简洁、现代的候车氛围。

同步进行着拱顶内部环境以及幕墙分格和建筑材料的研究。拱顶主要由三角形檩条、采光天窗、主体钢结构组成，天窗面积达54%。如此巨大的天窗面积，在北方的交通建筑中非常罕见。对于国内常见的用于采光顶篷的外围护材料，着手在可塑性强的玻璃和自重轻、爆裂问题较少的聚碳酸酯板之间进行比较、咨询。从材料耐久性、对空间效果的影响、热工性能、清洁性能、造价、产品使用成熟度等众多方面的权衡确定屋面采光材料为玻璃。

采用玻璃关注度最高的就是玻璃的自爆以及日后的维护。对于防止玻璃自爆设计方面尽量控制玻璃的单方向尺度，避免双向超大玻璃，拱顶最大玻璃尺寸1 000×4 950。充分考虑拱顶结构变形对整体幕墙的影响，设置多方向长圆孔钢结构转接件用以消除拱顶变形对幕墙的挤压、拉伸作用。

大面积玻璃的使用，节省了照明用电量，但会造成一定的能源浪费，且由于太阳辐射的存在，通过玻璃屋顶直射到人身体上，会大幅增加人体的热感觉。为合理确定拱顶玻璃参数以及是否设置遮阳系统，天津西站进行了室内环境分析以及室内环境舒适度的研究。这也是国内交通建筑中首次针对人体舒适度进行的环境分析研究。根据玻璃采光要求及遮阳性能的可行性研究，从节能、舒适、美观及经济四方面综合考虑，最终确定屋顶玻璃太阳能透射率为10%，遮阳系数为0.25，传热系数为1.65 W/(m2·℃)，采用双银Low-E钢化夹胶中空玻璃(共三层)，再增加50%左右彩釉可达到以上设计参数，无须考虑内外遮阳设施。结合适度的通风、制冷、供暖，达到最优的节能方案。拱顶与拱脚部分根据消防性能化要求设置适度的自动排烟窗，拱顶排烟窗的设置对于室内的通风、排热非常有利。

对于拱顶幕墙的后期维护:高大无柱空间的设计为旅客提供了开敞舒适的候车空间，大气磅礴的候车感受，但也对日后的检修维护带来了很大的困难。拱形屋顶是天津西站建筑中最具标志性的一个部分，也是维护最为复杂的部分。透明玻璃屋顶面积占据整个屋面系统面积的54%，拱顶上设置大量灯具。经过对国内外擦窗设备的参考和研究，室内维护主要利用蜘蛛车。在10 m高架层安置展臂高度可达47 m的蜘蛛车，进行内幕墙的清洁以及灯具的更换，并在高架层设置蜘蛛车专用停车室。室外设置蜘蛛人吊钩，拱顶设置南北通长不锈钢栏杆，并在20 m裙房屋面上留有小型蜘蛛车，用于屋面玻璃的更换。以多种相结合的方式解决外幕墙的后期维护问题，室内蜘蛛车辅助。山墙部分内外侧设置擦窗机轨道，便于今后擦窗设备的使用。

通过以上一系列的研究，天津西站拱顶方案基本确定。超大的拱顶形式被喻为是一座超大尺度的城市大门，内部则容纳了站房最重要的候车大厅，通透的钢结构采光屋面引导自然光线进入到大厅，47 m高的无柱空间使旅客对站内各部分功能一览无余，同时也有着清晰的方向感。拱顶展开面积55 900 m2，玻璃面积约30 120 m，约占拱顶总面积的54%。双向编织拱顶钢结构造型优雅并极富动感:空心箱形钢梁截面的不断变化，形成下部较为通透上部相对宽大具有遮阳效果的独特结构形式。为了突显拱顶与众不同的结构美，在围护结构和装修设计上尽量简洁。拱顶整个体系仅由玻璃采光顶、三角形檩条以及主体钢结构组成。屋面檩条通过转接件与拱顶主体钢结构上表面连接，檩条支撑玻璃幕墙系统。檩条外包穿孔铝板，铝板表面处理为金属光泽深灰色氟碳喷涂，内衬吸音棉，兼具吸声功能。可见钢结构表面处理为金属光泽银灰色氟碳喷涂。钢结构外侧为屋面铝板天沟，宽度随钢结构尺度变化而变化。

拱顶构造图见图5。

拱顶玻璃采用TP8+12A+6TP+1.52PVB+6TP中空夹胶双银Low-E钢化玻璃。玻璃上面50%彩釉条。拱顶共设置512个电动开启窗。在钢结构上侧与三角形檩条对应的侧面穿孔铝板与钢结构之间设置100宽凹槽，作为拱顶部分管线的走行空间。

作为基座的20 m高拱廊裙房强调了慷慨大度的城市空间性和使用上的开敞性，营造了站前广场与站房之间舒适宜人的过渡空间。站房20 m以下南北主入口是以宽度为1 m，外装饰面为石材的柱式墙体作为分隔，中间为17 m高的玻璃幕墙。5 m以下包括许多服务空间的入口，采用退后的玻璃幕墙与石材墙面结合;5 m以上的石材百叶可以遮挡部分直射光，另外整个立面单元利用玻璃幕墙和石材百叶之间约0.7 m的空间设开启门作为清洁通道。柱廊顶部的天窗在视觉上延续了立面上1.67 m宽的条形玻璃幕墙，同时为柱廊空间带来了丰富的光影变化。

东西立面为整体玻璃幕墙立面，相对于辅楼立面，设计上力求简洁。为了保证内部一些服务房间的使用以及外观不受影响，玻璃幕墙采用中空彩釉玻璃，室内一侧为黑线彩釉玻璃，既保证了室内采光，室外效果也较为整体统一。

立面材料仅限于天然石材、玻璃和深灰色金属板三种，柱廊、实墙面、石材百叶、柱廊顶和地面采用同一种天然石材(白麻)，玻璃幕墙框全部为金属光泽深灰色，单纯的材料选择用以突出建筑的体量感和空间感。深色金属材料的运用与浅色石材形成对比，在石材与玻璃大量运用的立面中更显沉稳。

立面节点图见图6。

石材的分格水平方向与玻璃幕墙保持一致，以1 m为模数，转角部分则采用“L”形石材，减少了石材的拼缝。在紧张的施工过程中，极大的提高了建筑整体品质。这种柱转角石材的做法也延续至室内空间。