【结构学院】猜火车—车站的结构秘密

来源：iStructure微信公众号

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作者：彭超

随着城市的扩张，人口的聚集，火车站无疑成为了愈发重要的交通枢纽。早些年绿皮车慢慢，大多候车室在铁路线一侧（侧线候车），再通过天桥到达相邻的站台。

▲ 侧线候车

随着建造技术的发展，线上（下）候车逐渐成为主流，人们可以通过候车室方便的到达各个站台，便捷的城际轻轨、高铁也不断涌现。

▲ 线上候车

车站在不断更迭，不变的是人们匆匆的脚步和对出发的渴望。

扩张-荷兰三剑客

为应对客流需求以及增加城市与周边的活力，由BenthemCrouwel Architects主持设计鹿特丹中央车站（Rotterdam Central Station）、乌得勒支中央火车站（Utrecht Central Station）以及海牙中央车站（HagueCentral Station）的扩建工程。

鹿特丹中央车站

（Rotterdam Central Station）

▲ 车站夜景

鹿特丹中央火车站是荷兰最重要的交通枢纽之一。连接欧洲高速列车（HST）网络以及轻轨铁路系统（RandstadRail）。从剖面图可以看出，属于线下候车，通过扶梯上达各出发站台。

▲ 车站剖面

车站南侧面对的是19世纪建筑风格的风情小镇（Provenierswij），为应对较少的客流量以及与城市平缓地过渡，没有进行大体量的扩建，入口为多向开放的三角形，人流指向性很强。

▲ 车站南入口

由于起伏的折角三角形对风荷载较为敏感，经过风洞试验后，风压为荷兰当地规范数值的1.5~6倍，在西侧雨棚到相邻屋顶表面的过渡处为最大值。

▲ 整体模型

南入口为创造无柱空间采用大跨桁架，上拱的形态也有效的减少了桁架的高度，东西两侧各有一个混凝土主支座，支座处有较多桁架以及管线汇集，通过实体建模辅助节点设计。屋面的三角天窗也呼应着入口的形态。

▲ 西侧支座

▲ 南入口桁架施工现场

▲南入口桁架示意

车站北侧面对的是较为现代的市中心以及一条平直的主干道，所以立面采用折角玻璃幕墙平铺开，更具都市感。

▲北入口立面

▲幕墙立面

站台区为正交的框架，采用分叉柱减少跨度，柱位与走道冲突的地方转向90度后再次分叉。

▲站台分叉柱

依据周围高层建筑的遮挡以及玻璃屋面的不同透光率，太阳能电池板被放置在屋面日照最充足的地方，使得车站二氧化碳排放减少8%左右，且每年能为将近100户家庭供电。

乌得勒支中央火车站

（Utrecht Central Station）

乌得勒支中央火车站每年客流约3500万人次，这个数字在不断增加，预计2030将达到一亿。车站属于线上候车，火车、公共汽车和有轨电车包裹在一片起伏的屋顶之下。

▲候车大厅

屋面为沿纵向的一条条弧形连续梁，由剖面可以看出在两侧波谷近似反弯点处做成了铰接（格贝梁），楼板也沿纵向分为三个区段。

▲车站剖面

因为中部波峰下方为密集铁路，两侧波谷为轻轨和巴士，格贝梁可以减小支座不均匀沉降以及温差带来的附加弯曲内力，同时也为施工带来了方便。

▲铰接节点

中部和端部的内倾斜柱，减小跨度的同时也有效的增加了抗侧能力。

▲车站效果图

曲梁在天窗处沿高度方向一分二，立柱贯通，其与天窗下弦交界处较为薄弱，增加斜杆以保证横向水平力有效传递。

▲天窗局部视图

中部外倾的斜柱为不影响通道，中部偏下设置系杆，通过对称拉索自平衡，大大提高了面内刚度。斜柱上再挑梁支撑楼梯。

▲中部斜柱与楼梯

西北侧为避开已有建筑，方便结构模型计算，曲梁在水平向一分二。

▲与已有建筑交界处节点

海牙中央车站（HagueCentral Station）

在拆除上世纪70年代的混凝土车站后，海牙中央车站迎来了新生，新站的关键词就是“通透”。玻璃幕墙外加放置太阳能板的屋面，让整个车站看上去像是一个完全开放的公共空间。

▲车站剖面

一层为火车出发区，乘客通过高架候车室到达二层的有轨电车以及一层各火车站台。

车站平面约120mx96m，高22m，由八个立柱支撑，柱顶一分四，隔跨支撑。

▲分叉柱立面

出于对抗侧的需求，屋顶在长边一侧与旁边的Stichthage办公楼5层相连。

▲车站俯瞰视图

屋顶为斜向菱格，对角拉索以提高面内的刚度。

▲屋面节点

魅影重生

前述的车站扩建都是拆除了原有的结构，若想保留曾经的辉煌，我们又有哪些选择？小i觉得法国斯特拉斯堡火车站（Garede Strasbourg）以及国王十字火车站（King’s Cross Station）都是经典的改造案例。

法国斯特拉斯堡火车站（Garede Strasbourg）

斯特拉斯堡火车站始建于1846年，1883年修缮后部分重建。2012年以后逐步转为多式联运枢纽，从而需要对车站进行扩建，老站在120米长的玻璃罩下熠熠生辉。

▲老站立面

主结构为16个钢拱，间隔9米，之间有交叉拉索，纬向为4.5m一道的Fink Beam，二者保证了纵横向的刚度。

▲单榀立面

考虑到风雪等单侧不均匀荷载，主拱下设有轮辐式预应力张拉索，拱顶下用摇摆柱传递竖向荷载。

▲轮辐式节点

▲主拱下设摇摆柱

玻璃顶棚为6000平方米的冷成型LSG曲面玻璃，人们可以从站前广场的任何角度欣赏到里面的车站，但不知道曲面玻璃会不会在夏天造成一些光污染的困扰。

国王十字火车站（King’s Cross Station）

国王十字火车站是英国1852年启用的大型铁路终点站，位于伦敦市中心的国王十字地区。为迎接2012年伦敦奥运会进行了扩建，由John McAslan + Partners(JMP)操刀，不过很多朋友喜欢它还是因为神秘的9¾站台。

▲9¾站台

车站内部是典型的欧洲样式——“单跨”、“拱顶”以及“侧线候车”。

▲车站内改建

主站台长250米，高22米，宽65米，钢拱屋面，上铺玻璃及节能光伏板，透过南立面的玻璃窗可将车站一览无余。

▲车站南立面

西侧为改建的亮点，屋盖平面为一半圆形，屋盖表面积约9000m2。高约20m，直径约150m，由周圈16颗树形柱和一个锥形的中央树状结构支撑。

▲车站俯瞰

网格自中部上拱，由菱形到三角形再到更密集的三角形，径向网格主要承担弯矩，所以截面为矩形管，斜向网格主要承担轴向力，截面为圆管从而更易保证压力下的稳定。

▲网格结构划分

通过地面上下的广场与通道，国王十字火车站与毗邻的圣潘克拉斯站（St.Pancras Station）（欧洲之星列车在英国的终点站）相连，哥特式的红砖标志着维多利亚时期的建筑风潮，之后的改建也是保留了老车站的元素，在欧洲，用拱就没错了。

▲圣潘克拉斯站

▲圣潘克拉斯站出发站台

定型与异化

Stadelhofen车站是卡拉特拉瓦设计的第一个大型建筑，需要在原有的山地车站基础上新增一条轨道，并有效的规划好人行道及地下商场。卡神采用了斜柱，变截面悬挑梁、摇摆柱以及异型的混凝土框架赋予了车站动感，构件形式与尺度也基本符合力学的需求。

▲斜柱与雨棚

▲地下走道

之后的法国里昂火车站（gare de lyon），飞鸟状外形下的构件似乎还能看到些Stadelhofen车站的影子，此时有些外露的结构（比如有些密肋梁），无论从尺度还是受力角度都有了较多的冗余，可能更多考虑的还是形式的需求。

▲车站全景

▲候车站台

▲里昂火车站候车室

再到近些年，老爷子在纽约的作品WTC交通枢纽。造价近40亿，从两个主拱出挑钢梁形成飞翼状，算是里昂火车站的加强版。

▲WTC交通枢纽

作为纪念性建筑，抑或说是一个雕塑作品，粗壮、高大有秩序的结构构件更多的作用或许是让行走在其中的人们停下脚步，来一个45度角的自拍吧。

▲WTC交通枢纽内景

▲极具秩序的“结构构件”

由于篇幅有限，还有一些有意思的车站仅罗列图片供大家欣赏。

▲Santa Justa Seville Station

▲Zürich Main Station

▲Graz Main Station Redevelopment

▲Denver Union Station

▲Porta Susa TGV Station

参考文献：

1. www.nationalestaalprijs.nl

2. www.archdaily.com

3. 本文图片均来源于网络，版权属于原作者或网站

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