采用自平衡悬吊体系优化城市轨道交通高架车站建筑设计

李文新

（广州地铁设计研究院有限公司，510010，广州∥高级工程师，国家一级注册建筑师）

1 国内城市轨道交通高架车站概况

根据与城市道路的位置关系，城市轨道交通的高架车站可分为路侧式、跨路式、路中式3种型式。其中：路侧式车站因线路区间占地较多而难以实现；跨路式车站因上跨非机动车道，在建筑设计时也受限制；路中式车站布置灵活，与区间过渡顺直，最能够体现高架线路易于建设、节省投资的特点。因此，国内多数高架车站采用首层架空路中式。本文以此作重点研究。

高架车站按结构形式分为“建-桥分离式”和“建-桥组合式”两种。“建-桥分离式”常见于高铁车站，多适用于车站规模及列车荷载较小、站台长度一般不超过150 m、并列站台数量不超过5个、不需要采用超大跨度与荷载的结构体系，因“建-桥分离式”极少采用，故在此不作分析。“建-桥组合式”根据站内轨道梁与主体结构体系的连接方式又可分为“轨道梁支承式”、“轨道梁固接式”两种形式，如图1所示。

图1 “建-桥组合式”高架车站结构示意图

2 传统长悬臂梁托换结构体系车站建筑分析

国内已建成的高架车站多为首层架空的“建-桥组合”形式，其中最普遍采用的受力体系为传统的长悬臂梁托换结构体系（以下简称“传统体系”）。现以广州某轨道交通车站为例，对采用传统体系的车站建筑进行功能与形体分析。

2.1 室内空间利用与平面功能

传统体系的站厅层为横向3跨4柱框架结构，室内被立柱分割为3个无主次关系的条形空间，如图2、图3所示。因柱跨限制，本该作为车站核心区域的中跨却零碎狭长，低下的空间利用率不利于站厅平面功能布置；室内框架梁纵横交错，低矮的有效空间不利于机电系统布置；边跨外侧有托换柱及边纵梁，可利用的外墙面积有限，不利于公共区自然采光通风。

图2 传统体系高架车站结构示意图

图3 传统体系高架车站的站厅平面图

2.2 建筑体量对城市景观的影响

高架车站结构传统体系受力传递路径为：站台雨篷、楼扶梯、建筑外围护系统等竖向荷载通过托换柱传递到站厅层长悬臂梁端部，经长悬臂梁传递到首层墩柱（见图4）。竖向荷载集中在结构最不利点，导致长悬臂梁尺寸增大，随之增加的结构自重又迫使首层墩柱加粗，最终梁柱尺度失调，造成建筑体量厚实，不利城市景观。

2.3 人行过街天桥对城市道路的影响

城市轨道交通车站与地面人行道之间需架设人行过街天桥实现连通。为不影响城市道路通行，天桥一端应上跨路面车道并支承在车站结构上，不宜在车道上立墩。传统体系站厅层长悬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过街天桥总荷载一般约为4 000 kN，故需加大悬臂梁根部高度至3 m以上方可满足承载要求。当轨道交通车站轨面高度受到限制不能继续增加梁高时，人行过街天桥则无法直接搁置在车站结构上，只能在机动车道上增设桥墩，如图5所示。

图4 传统体系高架车站结构竖向受力传递路径示意图

图5 传统体系高架车站人行过街天桥与道路关系示意图

3 自平衡悬吊体系车站建筑分析

3.1 自平衡悬吊体系概述

自平衡悬吊体系是近年来国内城市轨道交通高架车站采用的一种全新结构体系（见图6），其建筑特点为车站体量轻盈、空间开阔、视野通透。车站采用钢结构与钢筋混凝土的混合结构，结构的主要受力体系为自身平衡稳定的拉杆悬吊体系，竖向荷载通过站厅层短悬臂梁传递到首层墩柱。

3.2 自平衡悬吊体系相比传统体系的优势

传统体系的高架车站室内空间狭小零碎，外观粗重厚实，对城市景观及道路负面影响较大，而自平衡悬吊体系具备了解决这些问题的优势。现将广州地铁同一条线路上轨面高度、车站规模、边界条件完全相同的A（传统体系）、B（自平衡悬吊体系）两座车站进行量化分析比较，数据如表1所示。

通过表1的分析可看出，自平衡悬吊体系的车站设计具有室内空间完整、外观轻盈通透、对城市景观及道路影响小等优势。此外，从工程建设成本方面分析，按2017年的市场价格（钢筋混凝土0.18万元/m3，钢结构0.85万元/t）计算，B车站地上部分土建造价为1 332万元，A车站为1 425万元，土建造价大致持平，但B车站的钢结构在施工速度上优势明显，且无需搭建满堂脚手架，占用道路施工的时间至少可缩短2个月。

图6 高架车站结构自平衡悬吊体系示意图

表1 传统体系与自平衡悬吊体系的高架车站综合比较

4 自平衡悬吊体系车站设计方法

4.1 设计思路

（1）高架车站设计的根本矛盾是建筑空间利用率与结构梁柱尺寸之间的矛盾：扩大建筑空间需要加大悬臂梁高度，加大梁高会降低车站净空。如果通过加大层高的方式提升车站净空，必然引起扶梯、电梯等设备规模增加，从而增加结构荷载，而加大结构尺寸反过来又会降低建筑空间利用率。这个根本矛盾导致了车站设计必然存在“体量大，空间利用率低”的问题，如要使设计水准达到质的提升，需要彻底消除这个矛盾。

（2）自平衡悬吊体系车站的设计思路是精准锁定根本矛盾影响的最不利控制点。通过创新手法解决根本矛盾，消除不利控制点对建筑的制约，从而优化车站的整体设计。

（3）解决根本矛盾需打破固有的思维模式，从最初的建筑概念设计阶段着手，带动所有专业联动创新。全面优化车站设计，这不仅体现在设计、建造、造价方面，也体现在运营成本及效率、可持续发展等方面，这种优化能够量化并彻底地全方位提升品质，而非个别专业或某个阶段的微调整。

4.2 控制点优化设计方法

以广州轨道交通某侧式站台车站为例进行分析，对该站的3处最不利控制点分别进行优化设计。

4.2.1 人行过街天桥站厅一端的支承控制点

此处控制点的受力特点为集中荷载，按钢桁架桥考虑通常每个牛腿承受竖向荷载超过1 000 kN，个别达到1 500 kN，绝对值非常大（见图7）。考虑到天桥可能为非对称布置，且在满足受力计算的基础上还应尽量提高天桥刚度，减少振动感，以提升使用舒适度，因此不能简单地采用自平衡来解决所有问题。最有效的优化方式是缩短悬臂长度以减小弯矩，即通过悬吊体系平衡站厅荷载，取消站厅外侧柱跨，使站厅层长悬臂梁长度缩短约2.5 m，使之优化为短悬臂（见图8、图9），以便最大限度消除了对车站建筑的制约。

图7 人行过街天桥荷载分析图

图8 高架车站结构自平衡悬吊体系受力传递路径示意图

图9 高架车站结构自平衡悬吊体系天桥与道路关系示意图

4.2.2 最外侧自动扶梯的上下支承控制点

此处控制点的受力特点为集中荷载，按上升高度6.0 m的并排双向扶梯考虑，其上平台梁所承受竖向荷载约为220 kN，绝对值大（见图10）。由于自动扶梯为基本对称布置，自平衡效率高，优化为悬吊体系后可抵消扶梯自重及大部分活荷载，消除了对建筑的制约。

4.2.3 建筑外围护系统控制点

图10 公共区楼扶梯荷载分析示意图

此处控制点的受力特点为均布线荷载，按无填充墙的建筑幕墙考虑，通常竖向荷载约为2.7 kN/m，绝对值较大（见图11）。因建筑外围护系统为完全对称布置且分布均匀，自平衡效率非常高，优化为悬吊体系可完全抵消外围护系统自重及绝大部分活荷载，消除了对建筑的制约。

图11 建筑外围护系统荷载分析示意图

对以上3处最不利控制点进行优化设计后，车站整体结构模型如图12所示。

图12 优化设计后的高架车站整体结构模型

4.3 整体建筑优化设计方法

（1）自平衡悬吊体系站厅层为横向3跨2柱混合结构，站内划分为中央大空间与两侧交通及管线空间，主次分明，空间完整。大柱跨提高了空间利用率，利于建筑功能布置和优化站厅的平面设计（见图13）；大空间则增加了视线开阔度，有利于提升方向感和优化了车站导向设计，以便乘客通过直观、开敞的环境，可对各种导向信息一目了然（见图14）。

图13 自平衡悬吊体系高架车站站厅平面图

图14 自平衡悬吊体系高架车站站厅大空间实景

（2）相比传统体系，自平衡悬吊体系站厅层边跨没有突出楼板的框架结构梁，故可增加有效净高约1 m，但设备管线可贴楼板底面敷设而无需绕行梁底。充裕的机电安装空间利于管线综合布置，可将传统的管线分散平铺方式优化为采用设备综合吊架系统的集中立体排布（见图15）；站厅外侧无立柱遮挡，利于外围护系统设计，可最大限度地优化室内自然采光通风效果，优化建筑节能设计（见图16）。

图15 自平衡悬吊体系对机电系统安装空间的优化

（3）自平衡悬吊体系外侧无柱，构件纤细，为实现轻盈通透的建筑效果提供了前提条件，优化了车站外立面建筑效果（见图17）。

5 结语

对采用自平衡悬吊体系的城市轨道交通高架车站设计进行了初步探讨和分析。目前国内高架车站建设处于高速发展时期，以往的工程经验及理论已不能完全适应城市设计新理念，对全新设计理念的研究势在必行。今后需要更加合理地利用自平衡悬吊体系的经济适用性，在城市轨道交通高架车站的节能环保、装配式建筑、可持续更新等方面作进一步广泛深入的研究。

图16 自平衡悬吊体系对自然采光通风效果的优化

图17 自平衡悬吊体系车站实景