案例｜鹽城高鐵站：結構的透明性

本文中會介紹剛建成通車的鹽城高鐵站的設計項目，從結構工程師的角度分享設計過程和總結思考，希望大家喜歡。

項目名稱：鹽城高鐵站站房

項目地點：江蘇省鹽城市

項目類型：高鐵站

建築面積：5萬平方米

設計時間：2017~2018

建設時間：2018~2019

建設單位：蘇北鐵路公司

施工單位：中建交通建設集團有限公司

設計單位：華東建築設計研究總院，中鐵上海院

建築總師：陳雷

主持建築師：章菊新，張帥

華東院建築設計團隊：包蕾，董麗，徐揚，宋丹陽，劉鐵夫，宋海瑛，張國愷，盧兵兵

結構總師：周健（屋蓋結構）；譚奇峰（下部結構）

結構專業負責人：李彥鵬（屋蓋結構）；陳中（下部結構）

結構設計團隊：方衛，陸文妹，原培新，丁霖（屋蓋結構）；顏陽（下部結構）

結構體系：混凝土框架，鋼結構桁架

項目背景

徐宿淮鹽鐵路是江蘇省東西向高速鐵路，途徑徐州、宿遷、淮安、鹽城等縣市，是江蘇腹地最重要的鐵路大動脈之一，本次設計的鹽城站即是徐宿淮鹽的重要一站。

站場規模5台12線，其中高速場設到發線8條（含正線2條），有效長度650米，設側式站台1座，中間站台2座, 規模均為450m×12m×1.25m。普速場設到發線4條（含正線1條），有效長度1050米，預留新長鐵路增加二線條件。設側式站台1座，規模為550m×8m×1.25m，兩場共用島式中間站台1座，規模為550m×12m×1.25m。

整個工程包括鹽城站站房工程、站台雨棚工程、地下通道工程等。站房由東、西兩側站房及高架候車室組成，成為東西一體的高架候車空間。站房主體三層，分別為站台層、候車層、商業夾層，地下為出站通道。

站房設計團隊是華東建築設計研究總院與中鐵上海院聯合體，其中結構設計部分，華東建築設計總院負責站房屋蓋設計，中鐵上海院負責下部混凝土設計，本文主要介紹小i負責的屋蓋鋼結構設計。

建築需求

項目伊始建築師對於結構工程師就有比較明確的要求，通過與建築師溝通，總結建築師的需求主要是以下幾點：

1 室內需要近100米的無柱空間；

2 結構體系和傳力需要真實的表達；

3 結構表現需要有力度感；

4 平面和立面需要一體化設計和表達；

建築師對於結構表達的強烈意願對結構師來說既是機會又是壓力，結構外露使得結構設計的難度成倍增加，需要與建築師更加密切的配合，共同完成這道「命題作文」。

限制條件

高鐵站的造型單一和結構呆板一直是大家詬病的話題，還有人總結了中國火車站類型學分類：大帽檐型，大坡頂型，大波浪型。小i在設計站房前也曾參與過吐槽，但俗話說得好「天道好輪迴，蒼天饒過誰」，當自己真正接觸設計後才發現，對於功能性主導的鐵路站房設計，結構設計的自由度是受到諸多條件限制的。

首先站房一般採用線上式站房，即候車廳架空在鐵道線上方，為了防止站房破壞影響線路安全，設計中對結構安全等級的要求極高。結構豎向構件的布置也受制於鐵道線排布，只能湊鐵道線的排布去布置，柱子落在鐵道線間，而線間距一般不會過寬，因此對柱子的寬度有限制。同時站台層當旅客上下車時是看得到豎向構件，因此柱子長向尺寸也受到限制。豎向構件要求高，間距大、截面小的特點，限制了建築造型和結構體系的隨意發揮。

這時肯定有讀者問了，那為什麼國外可以做出各種炫酷造型的車站呢？比如英國國王十字車站、比利時列日居爾曼火車站等。這時就要說到我國國情了，鐵路站房設計是有嚴格造價控制的，同時為了讓高鐵儘快造福百姓，設計與施工進度更是不斷壓縮。因此，除了一線城市幾座大站，在設計中就無法選擇費錢或費時的方案。

結構方案與找形分析

站房施工從進場到通車只有一年多時間，在選擇結構體系時，技術成熟、方便採購、能夠快速施工就成為必須考慮的問題。那麼對於100m跨的方形屋蓋，什麼結構形式最為合適呢？

萬能的桁架無疑是首選，桁架結構技術成熟構件方便採購，鋼結構工廠基本都可以加工製作，在工期緊的情況下可以分標段多個工廠共同加工。並且結構冗餘度大容錯性高，對施工單位的安裝精度要求低。但對於100m的跨度，桁架高度約需要6~7m，對建築凈高影響大，並且構件尺度大很難滿足建築外露的美觀要求。

進一步對桁架進行優化，將端頭直柱改為兩根斜柱。一方面可以貼合建築立面造型，滿足建築師平面立面一體化設計的訴求；另一方面可以有效減小桁架跨度，從而減小構件尺度。但優化效果有限，仍然無法滿足建築師對空間和美觀的訴求。

如果進而將中部高度減為0並設鉸，整體結構體系即變為了經典的三鉸拱，在極大提高建築凈高的同時由於拱結構效率高，結構構件尺度和表現力也得到了提高。方案演化到此，建築師的需求得到了滿足，但所有類型拱結構都有個共同特點：拱腳推力大。而如前面設計限制中所述，下部混凝土無法做牆且柱截面也受限，作為三鉸拱支座的混凝土懸臂柱將無法承擔此部分推力。

「建築是妥協的藝術」，小i覺得結構也是。既然桁架結構效率低推力小，三鉸拱效率高推力大，那麼就可以通過調節結構剖面形態，達到某個平衡點，於是最終確定了平衡的結構方案。

那麼如何找到這個平衡點呢？結構設計時採用了基於Grasshopper平台的找形工具進行結構找形。分析中中考慮恆載及自重，模型中僅考慮中間典型一榀。其中跨中部分截面高度為變量，考察在不同截面高度情況下，結構支座反力以及整體應變能的變化規律。其中應變能為構件應力與材料用量的綜合指標，間接反映在固定應力水平下材料用量的多少。

程序自動記錄每個時間點跨中截面高度、支座反力、應變能的數據，並繪製如下曲線圖。隨著截面高度的逐漸增大，屋蓋結構逐漸從三鉸拱的受力形態，轉化為抗彎桁架的受力形態。因而支座反力逐漸減小，而應變能逐漸增大。

同時，支座反力的變化為非線性變化，初始階段反力減小較慢，而隨著截面高度的進一步加大，反力的減小速度也隨之加大。而應變能的變化則為線性變化，截面高度的增大會直接造成材料用量的線性增加。

通過定量分析得到應變能和支座側推力的相互關係，最終和建築師共同確定建築效果、結構效率、下部結構承載能力的平衡點。

結構設計

通過結構找形解決了結構的豎向傳力途徑，在結構設計中同時需要考慮水平傳力途徑。在結構的短跨方向，每榀桁架有足夠的剛度抵抗水平作用。而在結構縱向，則通過將夾層鋼樑、屋頂檐口縱向鋼樑、桁架立面斜柱共同組成兩榀巨型縱向桁架，抵抗縱向水平荷載。在滿足結構受力的同時，這樣也恰好將屋面三角形的結構語言自然延續到了立面，滿足了建築師平面立面一體化設計的思路。

要保證結構外露的效果除了結構體系選擇，對於構件截面和尺度的把握也由為重要。桁架下弦為拱形，建築師希望能夠強調並增加更多線腳，因此在設計時下弦截面採用梯形截面，腹板在下底邊部分突出翼緣，一方面可以增加線腳使構件更挺，另一方面可以隱藏下底面焊縫。

桁架腹杆主要承受軸向力截面一般較小，並且各個腹杆間受力不均勻，因此如果完全通過杆件受力大小來優選杆件截面，會造成弦杆與腹杆尺寸不協調，腹杆截面變化雜亂無序等問題，從而造成建築效果差，最終只能外包。

因而在構件設計中與建築師一起調試腹杆與弦杆的比例關係，突出結構下弦的表達增加結構拱的力度感。同時分區統一腹杆直徑，通過調整壁厚的方式協調杆件受力大小，使得結構杆件更加規律。通過對結構外露部分截面的人為優化，結構犧牲了部分結構合理性，但得到了更加好的建築效果。

節點的精細化表達直接影響外觀效果，也直接反應設計的精細化程度。鋼結構柱腳為鑄鋼節點，支承於商業夾層樓面，屬於近人尺度節點。因此鑄鋼設計時在考慮結構合理性的同時，同樣與建築師一同對鑄鋼件進行了塑形。支座斜放法線方向朝向柱軸力方向減小支座剪力，從而使支座儘量做小。柱腳三根構件分別為梯形和三角形，通過設計使其平滑過渡，儘量突出節點處舉重若輕的效果。

結構的透明性

結構如何表達？結構表達是否就是結構外露？在本項目中設計團隊擔心如果結構完全暴露是否會用力過猛，讓最終效果顯得不像車站而更像展廳或廠房。

這讓我想到了關於什麼樣的服務是好服務的討論。大家有都有經驗，當走進一家店如果服務員太熱情，一直跟在身後介紹，會無形中給消費者壓迫感，從而草草結束逃離店鋪；但如果一家店鋪服務員非常冷漠，想要諮詢時愛答不理，那也一定不是好的服務；而好的服務是你幾乎感受不到服務員的存在，但當你需要幫助的時候，服務員總是恰好出現在你身邊。

我認為對於結構表達可能是同樣的道理，如果結構完全暴露太過強烈，將會給受眾以壓迫感和緊張感；而完全外包完全尋不到結構構件的蹤跡，也會讓建築缺少力度和特點，過目即忘；而如果能對結構構件部分外包處理，同時又能夠真實感受到結構的邏輯，感知到力的流動，那麼可能更接近於結構好的表達。

在本項目中最終建築師選擇了半暴露，上弦部分由於有系杆和屋面檁條，因此採用吊頂板完全外包。而對於可以體現結構邏輯的桁架部分，則採用管簾外包桁架側邊，使得當中的腹杆若影若現，當只看建築整體效果時幾乎感受不到腹杆的存在，但當想去探究結構存在時，又可以隱約看到腹杆的布置規律。

同時對於結構下弦梯形構件完全暴露，給整個屋面以力度感，從構件截面的大小和截面間的粗細關係，就可以感知到受力大小和力的流動方向。柱腳鑄鋼件與混凝土樓面間採用鋼支座隔開，間斷感帶來了舉重若輕的感覺，同時也進一步強化了屋面鋼構件的力度感。

本文來源： iStructure ，作者：李彥鵬。文中部分圖片為網絡轉載，僅供分享不做任何商業用途，版權歸原作者所有。如有問題，請後台聯繫我們，我們會立即刪除，謝謝！

文章來源: https://twgreatdaily.com/sGu1fW8BMH2_cNUgATbt.html