建筑结构| 盐城高铁站：结构的透明性

　　本文转自：iStructure,ID: iStructure2017;作者：李彦鹏。

　　小编做公众号的初心是为大家介绍有趣的结构设计，推进建筑结构的融合设计，因此大部分推文偏科普性质。很多读者在后台问小编是不是学校老师，其实小编是一线的结构工程师。

　　从此篇开始，小编将在往后的文章中陆续介绍一些自己设计的项目，分享设计过程和总结思考，希望大家喜欢。作为本系列第一篇，是刚建成通车的盐城高铁站。

　　项目名称：盐城高铁站站房

　　项目地点：江苏省盐城市

　　项目类型：高铁站

　　建筑面积：5万平方米

　　设计时间：2017~2018

　　建设时间：2018~2019

　　建设单位：苏北铁路公司

　　施工单位：中建交通建设集团有限公司

　　设计单位：华东建筑设计研究总院，中铁上海院

　　建筑总师：陈雷

　　主持建筑师：章菊新，张帅

　　华东院建筑设计团队：包蕾，董丽，徐扬，宋丹阳，刘铁夫，宋海瑛，张国恺，卢兵兵

　　结构总师：周健（屋盖结构）；谭奇峰（下部结构）

　　结构专业负责人：李彦鹏（屋盖结构）；陈中（下部结构）

　　结构设计团队：方卫，陆文妹，原培新，丁霖（屋盖结构）；颜阳（下部结构）

　　结构体系：混凝土框架，钢结构桁架

　　项目背景

　　徐宿淮盐铁路是江苏省东西向高速铁路，途径徐州、宿迁、淮安、盐城等县市，是江苏腹地最重要的铁路大动脉之一，本次设计的盐城站即是徐宿淮盐的重要一站。

　　徐宿淮盐铁路示意

　　站场规模5台12线，其中高速场设到发线8条（含正线2条），有效长度650米，设侧式站台1座，中间站台2座, 规模均为450m×12m×1.25m。普速场设到发线4条（含正线1条），有效长度1050米，预留新长铁路增加二线条件。设侧式站台1座，规模为550m×8m×1.25m，两场共用岛式中间站台1座，规模为550m×12m×1.25m。

　　站场布局示意图

　　整个工程包括盐城站站房工程、站台雨棚工程、地下通道工程等。站房由东、西两侧站房及高架候车室组成，成为东西一体的高架候车空间。站房主体三层，分别为站台层、候车层、商业夹层，地下为出站通道。

　　建筑分区三维示意图

　　建筑分区平面示意图

　　站房设计团队是华东建筑设计研究总院与中铁上海院联合体，其中结构设计部分，华东建筑设计总院负责站房屋盖设计，中铁上海院负责下部混凝土设计，本文主要介绍小i负责的屋盖钢结构设计。

　　盐城站总平面图

　　建筑需求

　　项目伊始建筑师对于结构工程师就有比较明确的要求，通过与建筑师沟通，总结建筑师的需求主要是以下几点：

　　1 室内需要近100米的无柱空间；

　　2 结构体系和传力需要真实的表达；

　　3 结构表现需要有力度感；

　　4 平面和立面需要一体化设计和表达；

　　建筑师对于结构表达的强烈意愿对结构师来说既是机会又是压力，结构外露使得结构设计的难度成倍增加，需要与建筑师更加密切的配合，共同完成这道“命题作文”。

　　方案讨论建筑意向模型

　　限制条件

　　高铁站的造型单一和结构呆板一直是大家诟病的话题，还有人总结了中国火车站类型学分类：大帽檐型，大坡顶型，大波浪型。小i在设计站房前也曾参与过吐槽，但俗话说得好“天道好轮回，苍天饶过谁”，当自己真正接触设计后才发现，对于功能性主导的铁路站房设计，结构设计的自由度是受到诸多条件限制的。

　　被吐槽的“风格化”高铁站

　　首先站房一般采用线上式站房，即候车厅架空在铁道线上方，为了防止站房破坏影响线路安全，设计中对结构安全等级的要求极高。结构竖向构件的布置也受制于铁道线排布，只能凑铁道线的排布去布置，柱子落在铁道线间，而线间距一般不会过宽，因此对柱子的宽度有限制。同时站台层当旅客上下车时是看得到竖向构件，因此柱子长向尺寸也受到限制。竖向构件要求高，间距大、截面小的特点，限制了建筑造型和结构体系的随意发挥。

　　站台层铁路线与站房关系

　　结构竖向构件布置示意

　　这时肯定有读者问了，那为什么国外可以做出各种炫酷造型的车站呢？比如英国国王十字车站、比利时列日居尔曼火车站等。这时就要说到我国国情了，铁路站房设计是有严格造价控制的，同时为了让高铁尽快造福百姓，设计与施工进度更是不断压缩。因此，除了一线城市几座大站，在设计中就无法选择费钱或费时的方案。

　　英国国王十字车站

　　比利时列日居尔曼火车站

　　结构方案与找形分析

　　站房施工从进场到通车只有一年多时间，在选择结构体系时，技术成熟、方便采购、能够快速施工就成为必须考虑的问题。那么对于100m跨的方形屋盖，什么结构形式最为合适呢？

　　如何填满100m跨度的空间

　　万能的桁架无疑是首选，桁架结构技术成熟构件方便采购，钢结构工厂基本都可以加工制作，在工期紧的情况下可以分标段多个工厂共同加工。并且结构冗余度大容错性高，对施工单位的安装精度要求低。但对于100m的跨度，桁架高度约需要6~7m，对建筑净高影响大，并且构件尺度大很难满足建筑外露的美观要求。

　　方案1.0：桁架结构

　　进一步对桁架进行优化，将端头直柱改为两根斜柱。一方面可以贴合建筑立面造型，满足建筑师平面立面一体化设计的诉求；另一方面可以有效减小桁架跨度，从而减小构件尺度。但优化效果有限，仍然无法满足建筑师对空间和美观的诉求。

　　方案1.5：桁架结构+斜柱

　　如果进而将中部高度减为0并设铰，整体结构体系即变为了经典的三铰拱，在极大提高建筑净高的同时由于拱结构效率高，结构构件尺度和表现力也得到了提高。方案演化到此，建筑师的需求得到了满足，但所有类型拱结构都有个共同特点：拱脚推力大。而如前面设计限制中所述，下部混凝土无法做墙且柱截面也受限，作为三铰拱支座的混凝土悬臂柱将无法承担此部分推力。

　　方案2.0：三铰拱

　　“建筑是妥协的艺术”，小编觉得结构也是。既然桁架结构效率低推力小，三铰拱效率高推力大，那么就可以通过调节结构剖面形态，达到某个平衡点，于是最终确定了平衡的结构方案。

　　方案3.0：三铰拱与桁架的平衡

　　那么如何找到这个平衡点呢？结构设计时采用了基于Grasshopper平台的找形工具进行结构找形。分析中中考虑恒载及自重，模型中仅考虑中间典型一榀。其中跨中部分截面高度为变量，考察在不同截面高度情况下，结构支座反力以及整体应变能的变化规律。其中应变能为构件应力与材料用量的综合指标，间接反映在固定应力水平下材料用量的多少。

　　Grasshopper结构找形分析

　　程序自动记录每个时间点跨中截面高度、支座反力、应变能的数据，并绘制如下曲线图。随着截面高度的逐渐增大，屋盖结构逐渐从三铰拱的受力形态，转化为抗弯桁架的受力形态。因而支座反力逐渐减小，而应变能逐渐增大。 同时，支座反力的变化为非线性变化，初始阶段反力减小较慢，而随着截面高度的进一步加大，反力的减小速度也随之加大。而应变能的变化则为线性变化，截面高度的增大会直接造成材料用量的线性增加。

　　通过定量分析得到应变能和支座侧推力的相互关系，最终和建筑师共同确定建筑效果、结构效率、下部结构承载能力的平衡点。

　　结构最终形态的确定（建筑师手绘）

　　结构最终方案

　　结构设计

　　通过结构找形解决了结构的竖向传力途径，在结构设计中同时需要考虑水平传力途径。在结构的短跨方向，每榀桁架有足够的刚度抵抗水平作用。而在结构纵向，则通过将夹层钢梁、屋顶檐口纵向钢梁、桁架立面斜柱共同组成两榀巨型纵向桁架，抵抗纵向水平荷载。在满足结构受力的同时，这样也恰好将屋面三角形的结构语言自然延续到了立面，满足了建筑师平面立面一体化设计的思路。

　　结构纵向立面结构体系示意

　　要保证结构外露的效果除了结构体系选择，对于构件截面和尺度的把握也由为重要。桁架下弦为拱形，建筑师希望能够强调并增加更多线脚，因此在设计时下弦截面采用梯形截面，腹板在下底边部分突出翼缘，一方面可以增加线脚使构件更挺，另一方面可以隐藏下底面焊缝。

　　建筑模型局部

　　结构构件截面

　　桁架腹杆主要承受轴向力截面一般较小，并且各个腹杆间受力不均匀，因此如果完全通过杆件受力大小来优选杆件截面，会造成弦杆与腹杆尺寸不协调，腹杆截面变化杂乱无序等问题，从而造成建筑效果差，最终只能外包。

　　结构整体计算模型

　　因而在构件设计中与建筑师一起调试腹杆与弦杆的比例关系，突出结构下弦的表达增加结构拱的力度感。同时分区统一腹杆直径，通过调整壁厚的方式协调杆件受力大小，使得结构杆件更加规律。通过对结构外露部分截面的人为优化，结构牺牲了部分结构合理性，但得到了更加好的建筑效果。

　　钢结构屋面施工现场

　　节点的精细化表达直接影响外观效果，也直接反应设计的精细化程度。钢结构柱脚为铸钢节点，支承于商业夹层楼面，属于近人尺度节点。因此铸钢设计时在考虑结构合理性的同时，同样与建筑师一同对铸钢件进行了塑形。支座斜放法线方向朝向柱轴力方向减小支座剪力，从而使支座尽量做小。柱脚三根构件分别为梯形和三角形，通过设计使其平滑过渡，尽量突出节点处举重若轻的效果。

　　柱脚铸钢件的建筑结构表达

　　结构的透明性

　　结构如何表达？结构表达是否就是结构外露？在本项目中设计团队担心如果结构完全暴露是否会用力过猛，让最终效果显得不像车站而更像展厅或厂房。

　　建筑师对吊顶效果和吊顶颜色进行调试

　　这让小i想到了关于什么样的服务是好服务的讨论。大家有都有经验，当走进一家店如果服务员太热情，一直跟在身后介绍，会无形中给消费者压迫感，从而草草结束逃离店铺；但如果一家店铺服务员非常冷漠，想要咨询时爱答不理，那也一定不是好的服务；而好的服务是你几乎感受不到服务员的存在，但当你需要帮助的时候，服务员总是恰好出现在你身边。

　　小i认为对于结构表达可能是同样的道理，如果结构完全暴露太过强烈，将会给受众以压迫感和紧张感；而完全外包完全寻不到结构构件的踪迹，也会让建筑缺少力度和特点，过目即忘；而如果能对结构构件部分外包处理，同时又能够真实感受到结构的逻辑，感知到力的流动，那么可能更接近于结构好的表达。

　　在本项目中最终建筑师选择了半暴露，上弦部分由于有系杆和屋面檩条，因此采用吊顶板完全外包。而对于可以体现结构逻辑的桁架部分，则采用管帘外包桁架侧边，使得当中的腹杆若影若现，当只看建筑整体效果时几乎感受不到腹杆的存在，但当想去探究结构存在时，又可以隐约看到腹杆的布置规律。

　　同时对于结构下弦梯形构件完全暴露，给整个屋面以力度感，从构件截面的大小和截面间的粗细关系，就可以感知到受力大小和力的流动方向。柱脚铸钢件与混凝土楼面间采用钢支座隔开，间断感带来了举重若轻的感觉，同时也进一步强化了屋面钢构件的力度感。

　　建造记录

　　建成效果

　　免责提示

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