亚洲最大高铁站“青莲滴露”——雄安站结构设计及监测平台探秘

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本文来源： 建筑结 构（ID： buildingstructure ）

亚洲最大高铁站“青莲滴露”——

雄安站结构及监测平台设计探秘

雄安站是雄安新区开工建设的第一个国家级大型交通基础设施，建筑面积47.52万m2，相当于6个北京站，是目前亚洲已建成建筑规模最大的火车站。采用“青莲滴露”设计理念，呈水滴状椭圆造型，从高处俯瞰，犹如水滴上一颗明珠闪闪发光，是我国工程设计人员自主原创的建筑方案。

▲雄安站建成后实景

▲雄安站建筑效果图

优秀的建筑方案是由结构成就的，在“未来之城”即将完工之际，为了深入探索本项目结构设计及及监测技术，《建筑结构》杂志社特别邀请到了本项目的主创工程师设计团队：中国建筑设计研究院总工程师、全国勘察设计大师范重，中国铁路设计集团有限公司的雄安站结构总体负责人宋志文，浙江大学建筑工程学院院长罗尧治，就大家关心的雄安站结构设计及监测技术进行了采访。

问题

01

雄安站总规模是11台19线，平面尺寸巨大，这种大体量的站房建筑应该怎么进行选型？

范 重:

站房建筑应根据其建筑功能和建筑特点进行结构选型，承轨层承担列车荷载和站房相关功能的荷载，采用钢筋混凝土框架结构；考虑到高层候车厅屋盖及站台雨棚能获得更大的空间，同时能适应建筑更好造型需求，承轨层以上的结构采用了钢结构。

建筑师希望结构能外露，更多用结构构件的尺度感来体现建筑之美；在雨棚区域，采用了外露的实腹式钢框架结构体系，双向次梁正交，与纵横交错的铁路网相呼应。高架候车厅屋盖结构与屋面光伏板的分格协调统一，采用大跨度钢框架结构体系，最大跨度达78m。

问题

02

雄安站是我国国内建筑师的原创方案，结构有哪些部分是配合建筑师的功能、造型进行设计的呢？

宋志文：

雄安站最大的建筑效果是首创采用三维曲面清水混凝土梁柱造型，承轨柱四角有从上到下渐变的弧形切角，承轨梁在梁柱交接处水平和竖向均有弧形加腋，使其整体呈现出规则变化的曲线效果，凸显建构美学，展现独特韵律，同时大幅度提升空间舒适度。

结构设计中，采用有限元等多种分析方法，对清水混凝土梁柱进行内力分析，截面设计；并对型钢梁柱节点及钢筋排布构造等进行专项设计，从而实现这一重要建筑效果。雄安站建成通车后，地面候车厅清水混凝土柱造型美观大气，为旅客提供了舒适、温馨的候车环境。

▲清水混凝土实景照片

此外，雄安站地面候车厅夹层设置了一个回字形吊挂钢结构交通连廊，该吊挂连廊既是站房功能的需要，也是重要的室内景观廊桥。由于该钢结构连廊吊挂于上部承轨层梁底，进行了列车振动及人行荷载耦合下的振动舒适度分析，保证该交通连廊吊挂钢结构舒适可靠。

范 重:

为了隐蔽雨棚屋面排水管线，方便检修，保证建筑效果美观，站台雨棚钢管柱采用了异形截面。异形钢管柱为闭口薄壁杆件。由于建筑功能的要求，上部钢屋盖的防震缝与下部混凝土结构防震缝无法设置在统一位置；考虑到建筑美观要求，支承雨棚及屋盖出现双柱的效果不理想。为此研发一种可发生双向大位移的新型滑动支座，以实现大跨度屋面之间的搭接连接。

▲双向滑动支座构造示意图

问题

03

雄安站抗震设防烈度是8度（0.3g），针对高烈度区的结构设计，进行了哪些专项的研究呢？

范 重 :

本工程抗震设防烈度高，钢结构采用实腹构件的范围大，如果对层间位移角等指标控制过严，将导致结构刚度与用钢量增大，而结构刚度与质量增大又会引起地震作用进一步加大，导致用钢量显著增加。为此，设计人员从钢管柱变形能力与层间位移角限值入手，通过分析轴压比、径厚比与长细比对钢管柱变形性能的影响，对支承雨棚的钢柱屈服变形角与极限变形角进行适当放松。

同时，由于站房雨棚钢柱的受力特点近似于竖向悬臂梁，轴压比很小，将等厚箱形柱改为上部壁厚小、下部壁厚大的变阶形式，构件外形尺寸保持不变，在抗侧刚度相等的条件下，节约钢材的效果较好。考虑到大跨度屋盖梁截面较大，提出一种腹板带加劲肋的薄壁箱形梁，通过在腹板设置纵向槽形加劲肋、横向加劲肋以及缀板的方式,保证构件具有较高的稳定承载力，便于加工制作与现场安装。

问题

04

雄安站结构健康监测系统在其施工与运营过程中发挥了重要作用，具体来说重点关注了哪些关键结构参数？并应用了哪些新型监测技术？

罗尧治:

雄安站结构体量巨大，在多源荷载输入作用下受力复杂，于此建立了以温度、应变、位移、振动和视频图像等多类型参数为基础的全方位结构健康监测智能感知系统由于重点监测部位分散，如果采用有线监测方案存在线路布设复杂及后期维护困难，因而针对雄安站结构特点设计研发了一套完整的无线健康监测系统。

应用了温度、应力、位移和振动等新型无线感知技术，实现对结构的全方位感知；建立了以传感器节点、通讯路由节点与基站进行数据信息交互的新型树形网络拓扑，满足大面域无线监测的需求；基于云平台技术，开发了集成数据查询、设备管理、报警维护等多种功能的新型结构监测智慧平台，实现对监测信息的可视化。

该无线监测系统的持续运行，实时掌握结构的健康状态，继续为雄安站的安全运维保驾护航。

“人民日报”公众号关于雄安站的视频报道

通过以上专家的解答，我们对雄安站的结构设计及监测有了初步的了解，接下来具体介绍该项目的相关内容。

1

项目概况

雄安站位于河北省保定市雄县城区东北部，京港台高铁、京雄城际、津雄城际三条线路汇聚于此。

车站总规模为11台19线，近期车场新建京港台车场规模为7台12线(含6条正线)，远期车场预留津雄车场规模为4台7线(含2条正线)。站房总建筑面积47.52万m2，其中京雄站房9.92万m2，预留津雄站房5.08万m2，市政配套规模约为17.66万m2，城市轨道交通规模约为6.05万m2，地下空间为8.81万m2，站台雨棚总面积约9.76万m2。

雄安站承轨层及以下设计使用年限为100，其余设计使用年限为50年；耐久性年限均为100年。结构设计安全等级为一级。100年重现期的基本雪压为0.40kN/m2，100年重现期的基本风压为0.45kN/m2，地面粗糙度为B类。

根据《河北雄安新区规划纲要》的规定，雄安站站房抗震设防烈度为8度(0.30g)，设计地震分组第二组，建筑抗震设防分类为重点设防类；建筑场地类别为Ⅲ类，场地特征周期Tg=0.55。

▲雄安站俯视效果图

▲雄安站结构长轴向剖面示意

2

基础及结构概况

01

基础

地下空间采用柱下桩基承台+防水板；非地下室部位采用柱下桩基承台。基桩采用钢筋混凝土钻孔灌注桩，并采用桩端后注浆工艺。桩径为1.25m和1.0m，桩长为60m和50m。

02

承轨层以下结构

站房主体结构南北长606m，东西宽307.5m，属于超长结构。将结构分为东、西两大部分。顺股道方向设置4条防震缝，垂直股道方向在通过悬挑或弱连接形式设置2道防震缝。

▲承轨层结构防震缝示意

最大温度区段A1平面尺寸为126m×149m。线下主体结构站房部分最大柱网30mx23m，标准柱网（20～23）m×24m，支撑承轨层的框架柱采用型钢混凝土柱，截面尺寸为2.7m×2.7m，钢骨采用十字形钢骨，承轨层框架梁和轨行区承轨梁采用型钢混凝土梁，钢骨采用H型钢骨；枢纽配套区标准柱网(10~11.5)x15m，采用普通钢筋混凝土框架结构。

▲承轨层混凝土结构实景照片

03

承轨层以上结构

屋盖平面呈椭圆形，总尺寸为450m355m（长宽），为了减小结构的温度效应，结合近、远期车场顺轨向15m宽的光谷，将屋盖沿顺轨向分为两大部分。考虑到屋盖建筑效果与防水性能，在垂轨向设置2道结构缝，将屋盖共划分为6个结构单元。

▲近远期中间光谷及带形镂空效果

▲站房屋盖和雨棚屋盖结构平面布置（总尺寸）

04

高架候车厅

高架候车层楼盖最大跨度达30m，候车厅内布置用于商业功能的房中房，楼面荷载较大。大跨度框架梁采用实腹H型钢，在支座部位设置双翼缘，提高其承载能力。井字形次梁间距为6m，采用平面桁架，将桁架上、下弦之间的空间作为夹层，便于敷设机电设备管线，同时作为H型钢框架梁的侧向稳定支撑。

▲高架候车层结构三维布置

▲高架候车层框架梁双翼缘构造示意

在相邻桁架弦杆之间布置次钢梁H300×200×8×12，桁架上弦杆及次梁与120mm厚钢筋桁架楼承板形成组合楼板，混凝土强度等级C40。部分区域利用桁架下弦杆局部布置100mm厚混凝土板，既作为管道检修平台，又可以作为建筑吊顶。框架柱采用矩形钢管混凝土柱，其位置与下部混凝土柱位置对应。

高架候车层屋盖跨度为78m，为了达到建筑效果简洁、室内净空高大的效果，采用变截面箱形拱梁，梁端支承在V形柱顶部，可有效减小结构跨度。均匀布置的纵向次梁也采用箱形构件，并设置屋面支撑体系保证结构的整体性。

▲II2区高架候车厅屋盖示意图

▲高架候车厅及屋盖

05

站台雨棚

雨棚柱网尺寸为（15～23）m×24m，屋面采用聚碳酸酯板，上敷太阳能光伏板。为了满足屋面排水的需要，雨棚屋面在垂轨向各跨按5%双向起坡。蔽雨棚屋面排水管线，方便检修，保证建筑效果美观，雨棚柱网尺寸与承轨层以下主体结构相同，采用异形钢管柱。

▲典型雨棚结构的剖面

▲雨棚柱隐藏雨水管建筑效果图

屋面主梁采用焊接箱形梁，双向交叉次梁间距均为6m，采用焊接H型钢，规格为H600×300×tw（腹板厚度）×tf（翼缘厚度），与建筑空间相契合；仅在雨棚周边局部设置斜撑，在保证井字梁外露效果的同时，增强雨棚屋盖结构的面内刚度。

▲雨棚建成效果图

3

结构设计难点及创新点

01

新型半埋入式柱脚

雄安站站房采用型钢混凝土柱，柱距、柱截面大。按照传统埋入式柱脚设计方法，型钢在承台中埋深过大，柱下承台厚度过大，基坑需要开挖大量的土方工程。针对以上设计难题，经过反复比较论证，采用一种新型的半埋入式柱脚，型钢埋入约1.35倍截面高度，采用双向设置靴梁的方式来解决柱脚弯矩传递给基础的问题，同时减小了承台厚度。

▲型钢混凝土柱脚示意图

02

雨棚变阶异形钢管柱

本工程下部为混凝土框架，上部为大跨度钢屋盖，钢柱底部与混凝土框架相连，钢柱顶部通过抗震球型支座支承屋盖。

大跨度结构室内净高大，柱顶侧向变形与底部弯矩起主要控制作用，而柱承受的竖向荷载较小，其受力状态近似于竖向悬臂梁，上部的利用率较低。

为了有效节约钢材用量，根据支承大跨度屋盖钢柱的受力特点，提出一种变壁厚箱形柱，壁厚上小、下大，与弯矩分布规律相符，受力较为合理；变壁厚箱形柱截面的外形尺寸与等壁厚箱形柱相同，不影响建筑室内效果。

对于不同上柱高度比（变壁厚箱形柱上柱高度与柱总高度之比）及轴压比，在变壁厚与等壁厚箱形柱抗侧刚度相等的条件下，变壁厚箱形柱的用钢量明显低于等壁厚箱形柱，当上柱高度比为0.4时，可节约钢材11.67%~16.24%

▲支承雨棚的异形钢管柱

▲雨棚异形柱建成效果图

03

带肋箱形梁

为减轻结构自重，提出一种腹板带加劲肋的薄壁箱形梁，即采用减薄腹板厚度，通过在腹板设置纵向槽形加劲肋、横向加劲肋以及缀板的方式保证构件具有较高的稳定承载力，便于加工制作与现场安装，减小用钢量。

▲带肋薄壁箱形梁构造

▲带肋薄壁箱形梁现场照片

04

大跨度屋面搭接双向滑动支座

由于上部钢屋盖的防震缝与下部混凝土结构防震缝无法设置在统一位置，根据本工程地震烈度高、相邻屋盖变形差很大的特点，研发了一种可双向大位移的球形支座，实现相邻大跨度屋面之间的可滑动搭接。

▲承轨层上、下结构防震缝示意

▲搭接屋面双向滑动支座位置示意

该支座包括上滑动轨道、下滑动轨道及中间转动支座。上滑动轨道与下滑动轨道两端设有限位板，中间转动支座可在上、下两个滑动轨道形成的矩形范围内滑动，最大滑移量可达±650mm。该支座在保证结构竖向传力的同时，可以避免相邻屋盖在水平方向的相互影响，具有防撞、防跌落措施。

▲双向滑动支座现场照片图

为检验双向大位移球型支座的可靠性，进行1:2缩尺模型试验。试验结果表明，双向大位移支座在加载过程中无卡滞现象，具有优越的变形性能；双向大滑移支座的竖向变形与支座总高度之比不超过1%，径向变形与外径之比小于0.05%，摩擦系数不大于0.03，竖向受压承载力、竖向受拉承载力和水平受剪承载力均符合设计要求。

▲加载装置

▲工装示意图

▲试验示意图

05

复杂大跨度屋盖风洞试验与列车风风致影响

鉴于雄安站屋盖造型、体型独特、结构复杂，同时考虑到车站站房建筑柱网稀疏，跨度大，结构刚度偏柔，风致动力响应显著。

为明确风荷载取值，对雄安站进行了刚性模型风洞试验。试验结果表明：

1）对于四周敞口的雨棚结构而言，平均压力系数一般在-0.8～0.3之间；

2）屋盖悬挑区域风荷载体型系数约–2.3；

3）高架候车大厅屋盖悬挑部分的上吸风荷载要明显高于其他屋盖悬挑区域；

4）15m宽光谷两侧的屋面风荷载变化较小，屋面的风荷载体型系数及风荷载并未受到屋盖分开的影响；雨棚柱上的镂空区域对于整体屋面相对较小，局部镂空区域对风荷载的影响也较小。

▲模型在风洞中的照片

雄安站共有6条正线，列车高速过站时列车风的影响不可忽略。采用有限元软件Fluent对过站列车风进行数值模拟的结果表明，当列车以350km/h速度运行通过时，最大竖向振动加速度为0.15m/s2，对高架候车层跨中影响较大，但未超过规范限值0.15m/s2，尚能满足舒适性要求。

▲列车风压沿列车两侧的典型分布曲线（车速350km/h）

▲列车风压随距车身表面距离变化曲线

06

无线健康监测系统

雄安站屋盖钢结构分区单元跨越多个混凝土结构单元，受力复杂。为了探究该屋盖结构实际受力与变形状态，提高结构运营期间的安全性，设计并开发针对雄安站屋盖结构的无线健康监测系统。

建立以应变、位移和温度传感器为基础的全方位结构健康监测感知层，构建以传感器节点、通信路由节点与基站进行数据信息交互的树形网络拓扑传输层，开发集成数据查询、设备管理和报警维护等多种功能的结构监测智慧平台分析层。

▲无线感知传感器现场安装照片

▲监测系统数据传输框架

结构运营期间，引起结构构件应变变化最主要的因素是环境温度，跟踪大跨度变截面框架箱型曲梁应变变化曲线，表明其应变与环境温度呈现较强的相关关系，相关系数R2在0.9以上。

环境温度不仅会引起结构构件应变变化，同样对结构变形的影响也不能忽略，跟踪结构变形缝处滑动支座水平纵向位移的变化。

水平纵向位移与温度的时程曲线表明水平纵向位移与环境温度呈现较强的相关关系，其相关系数R2在0.7以上，滑动支座工作状态稳定。

雄安站结构健康监测系统有效实现了对结构状态的实时掌握，有助于保障雄安站的安全运维。

▲大跨度变截面框架箱型曲梁应变与温度关系

▲滑动支座水平纵向位移与温度关系

项目信息

建设单位：雄安高速铁路有限公司

建设地点：河北省雄安新区

总建筑面积：475200平方米

项目状态：已建成

设计时间：2018.3-2020.10

设计单位：中国铁路设计集团有限公司，中国建筑设计研究院有限公司，北京市政工程设计研究总院有限公司，阿海普（法铁）建筑设计咨询公司

承轨层以下结构设计团队（中国铁路设计集团有限公司）：刘明、宋志文、尉文婷、于军港、郭峻嘉、郑修凯、李洪达、张文超、乔越、殷启阳

承轨层以上结构设计团队（中国建筑设计研究院有限公司）：范重、张宇、朱丹、刘涛、胡纯炀、尤天直、刘学林、樊泽源、谢鹏、李劲龙、杨苏、高嵩、王金金、杨开、韩文凯

监测团队（浙江大学空间结构研究中心）：罗尧治、沈雁彬、赵靖宇、蔡朋程、李炜

图片来源：

除视频外，图片均由作者提供。

作者简介：

范重，中国建筑设计研究院总工程师，教授级高级工程师，全国工程勘察设计大师，现任中国建筑学会工程建设学术委员会副主任委员、住房和城乡建设部科学技术委员会超限高层建筑工程专业委员会副主任委员、中国土木工程学会混凝土结构分会副理事长、中国工程建设标准化协会钢结构专业委员会副主任委员、中国钢结构协会专家委员会副主任委员等，北京科技大学、北京交通大学、北京建筑大学兼职教授、《建筑结构》编委。

先后完成国家体育场“鸟巢”、首都博物馆新馆、国家网球馆“钻石球场”、深圳京基100、中钢大厦、苏州站、绿地大望京中心、银川绿地中心、雄安高铁站、厦门翔安机场、厦门白鹭体育场、上海临港西岛金融中心等重大建筑工程结构设计100余项，完成超高层、大跨度结构方面研究课题20余项。已获得专利30余项，在EI、SCI及核心期刊发表学术论文160余篇。获得国家优秀设计金奖1项、银奖2项、铜奖2项，全国优秀工程勘察设计奖一等奖5项。获得国家科技进步奖二等奖2项、北京市科技进步奖一等奖1项、二等奖2项，华夏建设科学技术一等奖5项。

罗尧治，浙江大学求是特聘教授，国家杰出青年基金获得者，浙江大学建筑工程学院院长，浙江大学空间结构研究中心主任，先进结构设计与建造国家地方联合工程研究中心主任，浙江省空间结构重点实验室主任，JIIR期刊主编，《建筑结构》编委。

从事大跨度空间结构的教学和科研工作30余年，主持国家863计划、国家科技支撑计划、国家重点研发计划等科研课题，创新发展了现代空间结构分析理论和关键技术，建立了空间结构复杂行为分析的有限质点法，研制了空间结构分析、设计与加工一体化专业软件MST，创建了空间结构物联网智能监测系统，成果直接应用于国家体育场、国家游泳中心、国家速滑馆、国家大剧院、首都国际机场、北京大兴国际机场、雄安高铁站、上海世博会、杭州亚运会、迪拜City of Arabia等国内外大型工程200余项。获国家科技进步奖一等奖1项（排名第1）、二等奖2项（排名第3、4）、三等奖1项（排名第1）、省部级科技进步特等和一等奖3项（排名第1）、詹天佑土木工程大奖2项。

宋志文，2010年博士毕业同济大学土木工程学院，现任中国铁路设计集团有限公司建筑院高级工程师，一级注册结构工程师，一级建造师。主要从事铁路站房结构设计与研究。近年来负责完成济青高铁济南东客站及综合交通枢纽工程、京雄城际雄安站站房及相关工程等重大项目的结构设计。

供 稿 人：张宇，中国建筑设计研究院有限公司，高级工程师；宋志文，中国铁路设计集团有限公司，高级工程师，国家一级注册结构工程师；沈雁彬，浙江大学建筑工程学院，副教授，博士生导师。

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