解析“精品工程 智能京张”对新时代中国铁路建设的深远影响

蒋伟平

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 项目概况

北京至张家口高速铁路位于北京市、河北省北部张家口市境内。线路自既有北京北站引出，途经北京市海淀区、昌平区和延庆区，由延庆区康庄镇进入河北省境内，跨官厅水库，经张家口市怀来县、下花园区、宣化区，至既有张家口南站止，新建正线全长173.947 km。其中：北京市境内70.42 km，河北省境内103.527 km。

全线除既有北京北站外，新设有清河、昌平、八达岭、东花园、怀来、下花园北、宣化及张家口等8个车站。崇礼铁路在下花园北站接轨，预留赵川站，在崇礼设太子城站。2016年4月，京张高铁全线开工建设。新建京张高铁及崇礼铁路线路平面示意如图1所示。

图1 新建京张高铁及崇礼铁路线路平面示意

2 项目的功能定位

京张高铁既是铁路中长期规划网中京包兰客运通道的起始段，也是北京至锡林浩特铁路通道的起始段。与其他高铁不同的是京张高铁同时还兼顾了城际、普速和市郊铁路(S2线)功能。

京张高铁既是2022年北京冬奥会的交通保障线，也是促进京津冀地区一体化协同发展的经济服务线；既是传承老京张铁路百年历史的文化线，也是展示中国铁路建设成果尤其是高铁建设成果的示范线[1]，更是落实“一带一路”走出去战略的政治使命线[2]。

2017年，京张高铁被中国铁路总公司确定为一号工程，是继京沪、青藏之后又一个划时代里程碑式的项目，是打造世界高铁建设典范和推动我国高铁技术新一轮创新的标志性工程，是中国智能铁路1.0版、高铁2.0版[3]。

3 京张高铁对新时代中国铁路建设带来的深远影响

与其他重大工程不同的是京张高铁线路不长，线路所经地区除穿越了军都山、跨过了官厅水库外，再无其他制约线路走向的重大地形、地质和环境等因素。京张高铁之所以被中国铁路总公司明确为一号工程并定位为划时代里程碑式的标志性工程，其重要性主要体现在以下几方面。

3.1 京张高铁开启了中国铁路建设智能新时代

智能铁路不同于常规铁路[4-5]。

从狭义上来讲：智能铁路指通过各种智能化技术的应用，最大化模拟、延伸和扩展人类智能，将这种机制尽可能地移植给人造设备及系统，从而将人类从铁路运输生产组织众多复杂的观察、思维、决策活动中解脱出来，实现整个运输过程的自动化、智能化、便捷化。

从广义上来讲：智能铁路并不限于技术驱动，也体现在新思想、新理念的应用。凡是有助于提高铁路运输效率、提升安全保障能力、优化客户服务质量的技术，都可以称之为智能铁路技术。

智能铁路是一个复杂的系统工程，其整体构架由智能感知层、智能传输层、数据资源层、智能决策层、智能应用层组成，与智能建造、智能装备和智能运营直接相关。

从智能铁路的概念和构架可以看出：智能高铁不是某项技术、某种工艺、某个专业甚至某个领域的拓展和突破，而是对铁路建设的认知和理念的变化，是从设计、建造、装备、运营到维护全生命周期系统性的技术创新、集成和系统间匹配协调的划时代变革。

京张智能高铁是我国智能铁路最新成果的首次集成化应用。为实现智能铁路的建设目标，京张高铁进行了67项智能化专题科研，在全球首次采用了全线、全专业、全生命周期的BIM技术[6-7]，实现了全面的技术创新，并在站城融合、列车自动驾驶[8]、智能调度指挥、故障智能诊断、建筑信息模型[9]、北斗卫星导航[10]、生物特征识别等方面实现了重大突破。

京张高铁开启了中国智能铁路新时代，为构建铁路工程项目智能管理平台、智能铁路技术标准体系及初步形成智能铁路应用格局奠定了坚实的基础。

3.2 京张高铁提出了用工匠精神打造精品工程的新时代工程建设新要求

2017年，铁路总公司党组在落实习近平总书记在北京城市规划建设和北京冬奥会筹办工作座谈会上的重要讲话精神时，明确提出全力打造京张高铁“精品工程、智能京张”的建设目标，并先后出台了《京张高铁精品工程指导意见》和《京张高铁精品工程实施方案》，并在实施方案中，明确提出了京张高铁精品工程的总体要求和创建目标。

总体要求：“高举新时代中国特色社会主义伟大旗帜，实施科技强国、质量强国、交通强国、制造强国的战略，瞄准国际制造顶尖水平，打造中国制造2025高铁新标准，创建新时期中国高铁绿色设计、智能建造[11-12]、精益管理的建设管理新模式，使京张高铁成为推动我国高铁技术新一轮创新的标志性工程，开启中国高铁精品工程建设的新征程，叫响京张高铁世界品牌，实现新发展、新引领”。

创建目标：“打造世界高铁建设的典范。建设优质、创新、生态、人文和廉洁工程，全线创建精品工程90项，其中，国家科学技术进步奖2项，中国建设鲁班奖13项，詹天佑奖4项，铁路优质工程一等奖21项，省部级工法29项”。

在实施方案中，将创建目标细化到了具体工点、单位和责任人。在项目实施过程中，提出了“精心、精细、精致、精品”和“用工匠精神打造精品工程”、“以精心铸就精品、用精细塑造精品、拿精致彰显精品”的建设新要求。

3.3 践行了站城融合的设计新理念

交通强国，铁路先行。铁路总公司先后提出了“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念，“畅通融合、绿色温馨、经济艺术、智能便捷”的建设理念，“精心、精细、精致、精品”的建设要求和客站设计“站城融合”的设计新理念。

在京张高铁北京枢纽和八达岭长城站的客站设计中，完美演绎了科学化的统一布局、现代化的功能融合和各种交通方式的无缝衔接这一“畅通融合”和“站城一体”的新理念，达到了“车站与城市、建设与运营、智能与服务的”完美融合，实现了铁路与城市的共同追求目标。

3.3.1 北京枢纽北京北站和清河站的规划与设计(图2)

北京北站为老京张铁路的起点站，位于海淀区西直门，2009年改造成现有的6台11线规模。由于受周边的环境条件限制，车站无站前广场和停车场，客流主要靠地铁2号线、4号线和13号线及少量的公交换乘，如将西北方向进京客流全部引入北京北站，必将造成西直门地区交通堵塞。

图2 北京北至清河站平面示意

根据西直门地区及老京张铁路沿线的现状和规划，设计单位与地方进行了充分的交流沟通，提出的“在北五环外新设清河站，与北京北站形成一主一副的客站布局，区间线路由地面改为地下。妥善安置清河老站房，利用沿线京张老铁路修建铁路主题公园”设计方案得到了北京市政府和沿线百姓的一致认可。该方案的理念和设计创新如下。

(1)打破了一线一站的传统布局，在五环外增设了清河客站，形成一主一副的客站新布局，有效减轻了西直门地区的交通压力；方便了清河地区尤其是回龙观小区(60万人口)的群众出行，减轻了北京北至清河间旅客往返的城市交通压力。

(2)结合西直门现实情况采用的双客站布局，避免了超大型客站“城中城”现象，符合首都总体规划，大幅减少了城市改造和为客站配套的基础设施投资。

(3)区间线路采用地下方案后，使原本两侧被铁路割裂的城区得到融合贯通，打通了学院南路、知春路、成府路和清华东路4条城市交通主干道。清华园隧道南延纵断面示意见图3。

图3 清华园隧道南延纵断面示意

(4)修缮并妥善安置了清河老站房古建筑，沿线老铁路采用改建为铁路主题公园方式使历史古迹得以宣传和保留。美化了城市，增添了绿色，方便了百姓。

(5)城铁13号线与清河站的并场设计和安检互认，实现了不同交通方式的便捷零换乘。通过下沉式广场设计赢得了京新高速公路、城铁13号线和京张铁路下部空间，使原本有限狭窄的场地变成了集地铁、城铁、高铁、公交、出租、私家车及城市绿道等融合一体的综合交通枢纽。清河站设计剖面见图4。

(6)得益于北京市的大力支持和翔实的地下管线资料支撑，使施工环境最复杂的清华园隧道大直径盾构施工得以顺利实施。全长6.2 km的清华园隧道穿越了城市86处各类地下管线，最小处距地铁隧道建筑限界仅0.8 m，工程施工在短时间内一次完成，如同一台精准的脑外科手术，让人叹为观止。

(7)北京北站和清河站的整体规划和设计，充分体现了以人为本的设计思想，完美演绎了国家铁路集团公司的设计新理念，可称为“畅通融合”、“站城一体”的典范之作。

3.3.2 八达岭长城地下站的规划与设计(图5)

图4 清河站设计剖面

图5 八达岭地区平面示意

八达岭长城站位于北京市八达岭5A级核心景区滚天沟下部，车站地下建筑面积4万m2，车场轨面埋深102 m，旅客提升高度62 m。多达78种不同截面的88个洞室构成了目前世界上规模最大、埋深最深、洞群结构最复杂的暗挖地下高铁站。

(1)地下站采用三洞分离式布置，将正线与到发线、站台分开，洞间隔墙既是正线通过列车的隔音墙，也是三洞间的防火墙。

(2)进出站通道首次采用下进上出叠层式布置，在达到进出站旅客各行其道互不干扰目标的同时大大降低了隧道施工安全风险。

(3)利用施工斜井作为地下站无死角救援通道，达到了工程永临结合的目标。

(4)创新设计了残疾人专用滚梯(斜行电梯)，解决了地下站与地面站的平面位置差异问题。

(5)仅保留必要功能、不足2 000 m2的地面站房采用“退台”式消隐设计，依山就势，将建筑与山体环境融为一体，最大限度保护了周边环境。

从八达岭长城站的规划选址，到下大上小的总体布局，再到地面站房与环境融为一体的消隐设计，无一不体现了设计和建设者的精品意识和匠心精神。

3.4 实现了绿色畅通的建设新目标

在京张高铁的设计中，为减少工程建设对环境的破坏和影响，实现以人为本、绿色畅通的建设新目标，开展了多项专题研究、专项和创新设计。主要有以下几个方面。

(1)开展了京张文化和文化元素应用专题研究。

(2)开展了绿化专题研究和专项设计。根据沿线自然特征、地域特色，将京张高铁及崇礼铁路绿化划分为城郊风光段、关塞风光段、大泽风光段、燕北风光段、雪国风光段等五大景观段，根据不同的周边环境和气候条件优选绿植，打造高铁绿色通道[13]，营造沿线相应的景观意境和效果。立项编制了《铁路工程绿化设计和施工质量控制标准(北方地区)》。

①开展了“一站一景”和生产用房的并栋专项设计。

②开展了隧道洞门的景观专项设计。

③开展了全封闭、半封闭声屏障的结构专题研究和专项设计。

④对位于350 km/h区段跨越一级水源保护区的官厅水库特大桥，开展了环保专题研究和专项设计。采用顶推施工方案，减少对水体的影响；采用超耐候钢桥防腐涂装技术，最大程度地缩减桥梁寿命期内重新涂装次数，以减少涂装过程产生的污染；主桥采用复合不锈钢板排水槽将桥面雨水收集后集中排入两岸的沉淀池，避免桥面排水对水库水体的污染。

⑤对位于5A级核心景区的八达岭长城地下站，开展了环保和文物保护专题研究和专项设计。采用电子雷管微损伤精准爆破，以减少施工震动对长城的不良影响；进行超长寿命混凝土专题研究并应用于地下工程；对施工斜井与救援廊道永临结合方案进行了专题研究及专项设计；创新设计了残疾人专用滚梯(斜行电梯)。

⑥开展了350 km/h有砟轨道专题研究。

一项项结合项目特点和实际环境条件的专题研究和专项设计，将一个冰冷的工程产品变成了充满设计者思维、创意的具有生命活力的作品，让京张高铁体现出了以人为本的服务理念，实现了绿色畅通的建设目标。

3.5 打出了铁路建设史上第一张文化名片

新京张高铁与老京张铁路，从同一个起点到同一个终点，穿越了110年的历史，一头连着历史，一头连着未来。

百年京张，见证了旧中国积弱不振和新中国奋发自强的沧桑变化，见证了中国铁路从无到有从弱到强的完整发展历程[14]。历史的积淀，时代的变迁和社会的变化，在京张铁路身上演变成了其他项目无法替代的铁路文化。这既是项目的巧合，也是历史发展的必然，宣传京张文化更是新时代铁路行业快速发展的需要。人文是精品工程、智能客站的主要构成内容。

京张铁路是我国铁路建设史上第一次明确提出铁路文化、做了京张文化专题研究和文化元素凝练并在设计中具体应用的项目。主要表现在以下几方面。

(1)提出了代表不屈、自信、自强、合德的“天人合德，百年京张”的京张铁路文化主题。

(2)明确了每个车站的站房设计及装修设计主题：如寓意“不息”的清河站、如展示“丰碑”的八达岭长城站、如代表“无界”的太子城站、如体现“古城”的宣化站，如隐喻“基石”的昌平站等。

(3)设计了以人、长城和高铁为代表的京张“LOGO”。

(4)凝练了人字坡、苏州码字、皴法、五色(奥运元素)为代表的京张通用文化元素。

(5)京张文化、地域文化与文化主题在站房、生产生活房屋及隧道洞门等建筑设计中的融合与应用。

(6)在路基大边坡绿植选布及桥梁栏杆、沟槽盖板上文化元素的应用。

(7)在官厅水库桥、各站前广场夜间彩色灯光效果中文化元素的应用。

(8)在车站广场、大厅、八达岭地下站站台及通廊侧壁等地方雕塑、浮雕和字画、影像上文化元素的应用。

(9)清河老站房的修缮、异地安置和铁路主题公园的规划。

这些主题和元素以润物无声的方式，让每位旅客在不经意间时时刻刻感受到京张文化的厚重和魅力。

如果你愿意徒步去青龙桥，在车站的东端有一个潜望台，站在老铁路路基上，可以通过潜望镜看到新京张高铁的智能动车在老铁路下面不到5 m的地下呼啸而过。

从110年前詹天佑老前辈设计的“人”字[15]，到今天我们加上去“一”横使之变成了一个“大”，完整演绎了中国和中国铁路自立自强并从弱到强、从小到大的历史发展过程，这个过程就是京张铁路独有的能够代表铁路行业的京张文化。

3.6 实现了智能京张技术的全面、系统创新

(1)在工程建设方面：全线采用BIM技术，在怀来梁场轨枕生产车间实现了轨枕制造的智能化无人生产，在清华园隧道采用了大直径泥水平衡盾构机掘进。

(2)在动车组方面：以现有“复兴号”动车组为基础，在智能化、安全舒适、绿色环保、综合节能等方面全面升级。

(3)在供电系统方面：配备由智能供电设备、智能供电运营管理及通信网络组成的智能供电系统，实现智能故障诊断、预警、自愈重构等功能，形成供电系统健康评估体系。

(4)在调度指挥方面：构建基于人工智能的高速铁路调度指挥系统，实现智能动态调度、智能协同控制、智能换乘调度、智能故障诊断等功能。

(5)在旅客服务方面：全面完善12306网站及自助服务设施；支持多国语言国外银行卡支付；拓展票种形式；实现全面电子客票、一证通行、刷脸进站及检票等。

(6)在车站方面：提供智能引导、自助服务设施，实现基于非法侵入识别、人流聚集与扩散异常检测、环境监测与调节的车站运营智能感知。

(7)在运维方面：应用大数据、深度学习、故障预测与健康管理、增强现实等先进技术，实现技术装备的全过程管理。

(8)在自然灾害方面：能够对风级、雨量、雪深等自然环境自动监测与报警，实现快速应急处置。

京张智能高铁是我国智能铁路最新成果的首次集成化应用，在列车自动驾驶、智能调度指挥、故障智能诊断、建筑信息模型、北斗卫星导航、生物特征识别等方面实现了重大突破，为构建智能铁路技术标准体系，初步形成智能铁路应用格局奠定了基础。中国铁路总公司提出打造“精品工程，智能京张”的战略举措，使京张高铁集中国铁路建设运营技术和管理水平之大成，全面展示我国智能铁路创新发展的最新成果，成为中国高铁从世界先进水平向世界领先水平迈进的标志性工程，必将对新时代中国铁路建设带来深远影响。

4 思考与建议

(1)关于BIM技术的应用

全线、全专业、全生命周期的BIM是铁路工程项目建设智能管理、智能建造、智能运维的基础，应予以推广应用。由于铁路与建筑行业的BIM有很大差异，因周期长、参与专业多、投入大，对要求采用BIM的项目应单独计费。BIM工作应在设计方案明确后再行开展。

(2)关于工程设计与施工的技术创新

创新是技术发展的根本，对工程而言应结合项目实际情况开展，设计、建造和建设管理理念的创新是最好的创新。为确保安全，智能高铁所应用的每一项技术都是成熟技术，创新的就是理念。为追求跨度、宽度、深度、长度等指标达到国内乃至世界第一的目标和荣誉背后，往往是工程投资的大幅上涨和工程风险的大幅增加，笔者认为殊不可取。