1949年新中国成立后, 建设了北京站、广州站、长沙站、南京站等客运站房, 成为我国建国后的第1代铁路站房, 这些站房具有规模不大、功能简单、流线布局比较程式化的特点。在建筑造型方面, 强调树立城市大门形象的要求;1979年以后, 先后建成了上海、天津、北京西、深圳、成都、郑州、徐州、沈阳北、西安等一批第2代新站房。这一时期的站房主要是以高架候车室与综合服务建筑前后相连、紧密结合的商业综合体。

在新时期大型铁路站房建设中, 客流组织实现了上进下出为主、平进平出为辅的管理模式, 出租、社会车辆等可通过高架桥直接到达站房进出站口, 实现了便捷换乘, 由此铁路站房开始从平面综合交通体系向综合立体交通体系转换。随之相继出现了北京南站为代表的大型现代化综合交通枢纽, 形成了具有鲜明时代特征和中国特色的第3代铁路站房。

在国家“八纵八横”路网实施过程中和现代化服务发展中, 衍生了大型铁路客运综合交通枢纽, 以铁路站房为依托, 将铁路、城市轨道交通、城市公交、长途客站、出租车以及私家车等多种交通方式相互衔接, 甚至与航站楼相结合。铁路站房是旅客通过、到发、换乘、旅客运输中转的集散中心, 也是城市重要的标志性建筑。目前已建成的综合性大型铁路客运综合交通枢纽有上海虹桥站、成都东站、广州南站、郑州东站、兰州西站等。

目前铁路站房总体布局按站房和铁路站场的位置关系, 分为线上式、线侧式站房、地下站、桥上站等。其中大中型站房多采用线上式站房布局方式, 站房位于站台及线路之上, 一般为高架式站房, 这种站房形式最大的特点是高架候车厅位于轨道正上方, 多应用于大型、特大型站房, 例如北京南站、成都东站、郑州东站的站房等;同时也有采用地下式站房布局方式, 地下站房是指车站站房位于地下的车站, 轨道层在地面而候车大厅在地下, 天津于家堡站、深圳福田站采用了这种地下车站设计;随着复杂的综合型车站的出现, 上述几种站房形式也可能互相组合, 同时还可能与车站广场共同组合, 产生新型的复合式站房。如新广州站, 是线上式和线下式站房的复合体, 它采用框架桥形式的高架站场, 将站房、站场、站台雨篷融合为有机的整体, 为车站布局带来了极大的灵活性。

为了适应站台轨道层跨越地下地铁层, 同时又支承候车层及屋顶的功能需要, “桥建合一”结构体系应运而生, 它是将桥梁与房屋建筑结构组合为一体的综合结构体。这种结构形式既有效地利用了轨道上下空间, 又营造出宽敞的候车、换乘环境, 同时也解决了铁路站房及轨道阻碍城市交通的问题, 是站房集成化布置的必然选择。新时期的站房建筑, 特别是采用“桥建合一”的站房建筑, 自下向上主要由以下几部分组成。

1) 地铁层 地铁与上部结构可以共用支承构件, 也可以在结构上完全独立。

2) 地下1层 一般设置为换乘大厅和出站口, 旅客可以在此零距离换乘其他交通工具或直接出站。

3) 地面层 (承轨层) 也称站台层, 列车在此层穿过站房。

4) 高架层 (候车大厅) 旅客集散的主要区域, 进站口也设在此层。通过高架车道, 旅客可直达此层。另外, 许多站房在高架层上另设局部高架夹层, 用于生产和商业。

5) 屋面层 多为钢桁架结构或钢网架结构, 上部为金属屋面或采光屋面。

北京南站站房采用的就是典型的“桥建合一”形式, 如图1所示。

“桥建合一”站房结构是指用建筑构件取代桥梁构件来直接承受列车动荷载作用, 突破了“列车动荷载由桥涵结构承受”的传统观念, 从而实现了真正意义上的“建筑里面跑火车”的一种纯框架结构。站房结构承轨层为下建上桥的结构形式, 即:下部为建筑框架结构与上部桥梁结构结合构成的承轨结构和站台面结构;列车在承轨结构上运行, 而承轨结构将列车运行的动荷载通过盆式橡胶支座作用在框架梁上, 在平面上与框架梁可以产生水平方向的滑动, 从而大大减少了由于列车运行产生的动载对站房结构的影响 (见图2) , 具有代表性的工程有成都东站、郑州东站等。

“桥建合一”结构承轨层预应力施工技术是结构施工的关键所在。因钢筋密集, 在施工前运用BIM技术对该部位进行节点优化及施工模拟, 解决了复杂梁柱节点钢骨、预应力筋、非预应力筋密集交叉布置的难题;同时轨道层钢筋连接也是技术难点, 承轨层钢筋多为直径32, 36, 40mm的HRB400钢筋, 接头采取滚轧直螺纹套筒机械连接的方式。考虑到承轨体系要经常承受动荷载, 根据JGJ107—2016《钢筋机械连接技术规程》的规定, 对承轨体系中拟采用的机械连接接头进行了200万次抗疲劳试验和型式检验, 满足要求后再进行施工;轨道层预应力钢筋张拉前采用施工模拟仿真及应力状态计算分析, 确定双向预应力张拉次序及张拉应力应变控制值后, 再根据混凝土龄期实施张拉, 从而保证了预应力张拉质量及安全。

为了及时掌握轨道梁结构的变形情况, 及时消除安全隐患, 在运营期间, 对结构采取适宜的变形监测是非常必要的。在施工完的承轨层上采用光纤光栅传感技术对轨道桥在列车运行荷载及温度作用下监测, 通过数据分析, 保证铁路运营安全。

大型铁路站房按照正常的施工工序, 往往多是由下向上, 先完成基础, 然后完成混凝土结构, 最后完成屋面钢结构的施工方法。施工遵循“先土建后安装、先围护后装修、先粗装修后精装修、装修与设备安装配合交叉、各专业按分区组织流水作业”的基本建设规律。由于大型站房多采用大跨度钢结构屋盖体系, 且体量巨大, 单根构件重量大, 采用一般的施工方法, 难以完成屋顶钢结构的吊装, 或者成本巨大。因此“逆作托换法”或叫“半逆法”就应运而生。“逆作托换施工”是在地下室底板施工、竖向钢柱及外侧混凝土柱施工完成后, 开始进行高架层和屋面层大跨度钢结构的吊装, 中间采用临时钢柱支撑;然后施工承轨层结构;全部结构完成后进行托换并拆除临时支撑钢柱;在施工顺序上改变了常规的顺作施工顺序, 在空间上保证了屋盖层、高架层、站台承轨层的同步施工;在时间上比顺作施工大大缩短施工工期, 在工程成本上节约了顺作施工吊装中临时工装支撑费用;但是逆作托换技术在铁路站房施工中尚属创新应用, 施工时需对方案可行性、整体结构稳定性、施工质量控制进行详细研究。

以成都东站为例对逆作托换技术进行介绍。成都东站站房主体结构采用逆作法施工, 先行吊装钢结构屋盖, 最后进行地铁上方轨道层及高架层合龙施工 (见图3) 。

由于改变施工顺序, 钢结构屋盖系统在施工过程中受力状态发生改变, 结构体系必须确保稳定。因此结构体系的稳定性研究就显得尤为重要。通过建立计算模型, 采用有限元分析设计软件MIDAS对卸载后自重荷载下的屋盖位移和杆件、钢管混凝土柱强度进行计算分析。通过临时支撑的安装及卸载工况分析, 确定临时支撑的形式及设置要求;屋盖主体结构吊装需设置临时支撑塔架, 通过合理设置临时支撑, 以便节点和构件就位;制定合理的卸载方案, 保证屋盖内力和位移的变化幅值控制在合理的范围内, 使其不发生强度破坏或失稳。计算模型及结果如图4所示。

逆作法施工特点是竖向受力支撑构件先施工, 再施工上面结构, 最后施工下部结构。站房钢结构施工利用柱和临时支撑能独立施工至顶, 利用高架层结构桁架连接稳定, 再托起屋面结构, 形成整体空间稳定结构, 后进行高架层楼层板及承轨层施工。

钢结构在分段吊装时, 采用临时支撑和定位支架上支撑作为结构的主体承重受力体, 支撑为平面结构体系, 当安装全部完成后, 必须进行结构体系的转换;托换方法是通过设置在支架或支撑顶部的可调节支撑装置 (螺旋式千斤顶) , 按多次循环、微量下降的原则, 实现荷载的平稳转移。

大型铁路站房的钢结构屋盖施工一般可采取分块吊装、整体或局部整体提升、顶升、整体滑移或分段累积滑移等方案进行。

设计采用平面或单曲网架结构形式的钢屋盖, 或者广义单曲面的屋盖, 首选考虑累积滑移方案。钢结构滑移施工技术是十分成熟的工艺, 利用结构柱或临时立柱设置滑移轨道实现滑移, 经过转换将受力体系从轨道转移到结构柱, 然后卸下轨道、临时柱等。特别是对大型起重机械使用场地限制苛刻的项目, 累积滑移方案优点明显。钢结构屋盖的拼装没有嵌补杆件, 焊接一次到位, 而且作用区域小、拼装设备小, 对钢结构拼装、安装质量、安全和成本控制非常有利。改建的大中型站房工程, 涉及到既有铁路线正常运营和转线问题, 采用滑移方案, 对钢结构施工的安全更有保障, 近年来施工的铁路站房屋盖钢结构多采用滑移施工技术, 如福州南站、南京南站、西宁站、珠海站、厦门西站等。

采用滑移施工方案需要注意的是: (1) 轨道及支撑体系的稳定性必须经过验算满足要求; (2) 多点滑移驱动的同步控制和调节; (3) 钢结构受力工况在拼装、滑移、转换的过程中要与设计的受力工况一致; (4) 至少具备1个滑移单元的拼装场地。

设计采用大断面结构、空间桁架结构时, 结构柱呈现非直线布置时, 或者网架传力体系非常复杂时, 一般采用整体或分单元吊装施工。吊装法是钢结构最常采用的施工方案, 其特点是将钢屋盖结构划分成较大的施工段, 利用大吨位起重设备在轨道层上行走来满足屋盖及柱、梁等其他钢结构构件的安装需要。采用大吨位机械设备的目的是尽量减少结构分段、减少现场高空拼装焊接作业量。北京南站、武汉站、西安北站、太原南站钢屋盖施工都采用了该方案。北京南站屋盖结构为椭圆形, 武汉站为大曲面网壳, 太原南站设计为放射伞状支撑柱, 厦门站则采用大跨度空间钢管桁架结构, 这些结构的特殊性决定了施工方案的不同。

采用吊装施工方案需要解决以下问题: (1) 大型设备的吊装路线要清晰; (2) 具备二次拼装的场地条件; (3) 临时支撑柱提前设计施工; (4) 吊装工况、卸载工况要经过验算符合要求; (5) 确定大型起重设备的行走路线和结构加固措施等。

不论网架结构还是桁架结构理论上都可以采用提升的方案, 一般分为整体提升或分块提升、高空拼装的方案。需要考虑的要点是: (1) 提升承力构件尽量利用结构柱; (2) 提升单元能够形成稳定的单元体, 并且结构的变形满足设计要求; (3) 提升工况与设计工况的受力需基本吻合, 如有偏差必须采取加固措施处理; (4) 具备拼装、提升场地。提升作业时要控制同步提升, 监测结构变形等。天津西站设计为采用箱形构件的拱形结构, 施工采用分段提升方案。厦门站设计为大跨度空间钢管桁架, 施工采用桁架整体提升方案。于家堡站为不规则贝壳形, 中部架空大堂部分钢结构采用地下拼装、整体提升、高空合龙的施工方式。网架结构采用分块提升或整体提升的比较多, 如滨海站、南宁站、沈阳站、普者黑站等。

铁路站房钢结构工程现场作业量非常大, 焊接变形量的控制取决于理论加经验以及变形调整的技术措施。钢结构拼装不仅仅是构件连接为一个整体或单元的过程, 更重要的是把加工制作的误差和土建施工的误差能够做零和调整, 并尽量避免累积误差的出现。利用BIM技术和扫描视像处理技术能够将现场施工误差直接反馈到钢结构加工厂, 是提前进行的做零和误差调整手段。杆件拼装、单元体拼装和焊接的顺序也是质量控制的关键, 后补段、后焊接缝的设置对变形控制是必要的, 需要时间数据的支持来确定。钢结构对温度的敏感性是施工方案必须考虑的, 长细比大的构件尤其明显, 施工过程中钢结构构件、单元体、整体的温度变形都要采取预控措施;并且对钢结构、混凝土复合板结构要在年累积温差较大的地区重点考虑温度变形对装饰装修层的影响, 合理设置变形缝。

天津于家堡站 (见图5) 屋盖设计采用螺旋状贝壳结构, 坐落在椭圆形环形钢箱梁上。贝壳中部采用提升工艺, 外围区域采用单元吊装散拼方案, 提升区和散拼区最后由嵌补杆件连接。施工过程跨越夏、秋季, 钢结构温度变形非常明显, 通过分隔缝留置、拼装时间控制、焊接顺序等措施尽量释放和控制温度变形。

提升区与散拼区之间的嵌补杆件有121个, 分布情况如图6所示, 其中1类杆件35根, 2类杆件86根, 天窗环梁内部提升塔架群位置有2个嵌补分块。1类杆件构件两端分别与提升区构件和散拼区牛腿连接, 安装方法同散拼区嵌补杆件一致, 采用高空定位马板固定的方法安装。2类杆件空间位置与提升架体相碰, 需要采用“托拆吊”的安装方法进行嵌补。

高速铁路站房具有现代化程度高、空间大、跨度大, 非常规造型多等特点, 站房内外装修是对站房建筑空间的再塑造, 可以大大提升旅客的舒适感与客站的综合品质。总体上, 站房装修风格应简洁、通透、明快, 装饰材料大量采用铝板、玻璃、块材等工业化产品, 便于统一加工和装配施工;大量利用站房结构线条来加强装修效果, 比如站台雨篷、高架平台等。重视站房建筑细部做法, 如楼梯、扶手等, 实行标准化设计和工厂化制造, 确保细部装修效果和品质, 同时降低造价。坚持方案先行、样板引路的方针, 严格执行样板制作和验收的程序和方法, 统一关键施工工艺和标准。

建筑幕墙在新一代铁路站房工程中也得到了广泛应用, 它不仅实现了建筑外围护结构中墙体与门窗的合二为一, 而且把建筑围护结构的使用功能与装饰功能巧妙地融为一体, 使建筑更具现代感和装饰艺术性, 提高了现代铁路站房的建筑表现力。铁路站房外幕墙多具有大空间和大跨度的特点, 因此在幕墙的选择上应考虑幕墙结构的稳定性及抗震性能, 多采用钢桁架体系、预应力钢拉索体系等, 幕墙结构体系应与站房自身结构体系相适应, 同时幕墙应考虑节能要求, 采用Low-E玻璃、节能铝型材或双层幕墙等;结构柱或结构剪力墙部位的幕墙多采用石材幕墙或铝板幕墙。

以成都东站为例, 站房外幕墙结构形式为单层索网点式玻璃幕墙、石材幕墙及铝板编制幕墙;其中单层索网式幕墙主受力体系为钢结构桁架体系, 左右两侧采用三角形空间桁架, 顶部采用矩形空间桁架;索结构玻璃幕墙所使用钢索的工作状态是处于持续永久受力状态, 为保证钢索稳定工作性能, 对每条钢索在使用前都必须进行预张拉, 同时为了保证大面积幕墙的稳定性, 还必须采取水平、竖向阻尼器等措施。

站房内装施工要根据站房使用功能和设计意图, 着重进行站房内部装修整体排版和细部节点的细化设计, 对各部位、各工序的施工方案和细部节点处理方案进行完善, 以满足使用功能需求, 体现设计意图, 实现“质量工艺精细化、细部节点亮点化”。策划的主要内容包括:外立面和室内空间的墙顶、地排版对缝, 顶棚的综合排布, 材料色彩的搭配选择, 各系统管线设备的综合排布, 门洞口、消火栓、设备末端的精确定位, 细部节点做法等。

施工前应重视装饰样板的施工, 针对室内天花吊顶、卫生间单元、室内墙地面、玻璃隔断、设备末端进行单元综合样板的施工, 从而确定装饰材料规格尺寸、色彩、材质、施工工艺、接口做法, 最终确定效果最佳的材料。材料加工阶段, 根据不同的使用部位和需求, 积极推行工厂化加工, 有效保证材料加工质量和精度。对异形复杂构件, 通过BIM技术辅助下料, 并派员驻厂进行加工质量控制。施工安装时对室内高空天花吊顶采用地面分单元现场拼装, 反吊顶施工技术, 避免搭设满堂脚手架的施工方案;墙面及地面施工应采用BIM技术进行精准下料加工、工厂预制、现场拼装的施工工艺, 从而保证施工质量, 避免返工。

大型铁路站房为集多种交通方式一体、功能用房配套齐全的综合性巨型交通枢纽中心, 能耗、水耗巨大, 因此采用绿色施工技术是站房施工的必然选择。站房施工中贯彻“绿色建筑”“生态建筑”和“四节一环保”理念, 从节地与室外环境、节能与能源利用、节水与水资源利用、室内环境质量控制等方面采用多项环保节能的绿色建筑技术措施。施工中考虑了使用材料的可再循环利用, 同时采用本地材料 (混凝土、砂、石) , 及绿色施工组织方案, 有计划地回收建筑废弃物, 加强环保措施, 避免了施工对周围环境产生破坏。同时站房施工还采取了地源热泵技术、污水源热泵技术、屋面光伏发电技术、生态湿地污水处理技术等。

现代大型铁路站房多为综合交通枢纽, 在站区规划、建筑造型、功能布局、关键技术、交通流线布置、服务设施等方面与以往相比都有重大突破或创新, 与多种城市公共基础设施功能紧密连接;工程项目交叉多, 建设管理界面多, 投资主体多。对作为大型铁路综合交通枢纽核心体的现代化站房工程, 须以系统理论指导枢纽及站房建设和建设管理, 坚持系统的“同步设计、同步施工、同步验收、同步开通”的四同步原则, 才能达成建设目标。在制定枢纽施工组织方案时应统筹考虑枢纽内各个独立项目的建设特征, 一般以铁路站房为核心, 铁路交通线路、配套广场、市政道路、地铁、长途公交站、商业广告等多个工程项目在独立完成自己工作内容的同时, 必须统筹安排, 适时穿插, 最大程度地减少因工程界面交叉造成的项目相互制约、施工效率降低的问题。综合研究重难点、交叉、控制工程, 分析安全、质量、进度、投资的管理风险源及影响项目建设的其他因素, 模拟施工总体过程和关键技术的应用, 制定针对性的措施和技术方案。以重难点工程为中心, 控制工程为主, 科学评估项目建设的优先权, 寻求同步开展其他项目的建设, 全面实行标准化管理、科学化组织、专业化施工。减少施工交叉作业面和立体交叉作业面, 全面降低安全风险和影响, 确保实现预期目标。

大型铁路站房建设中涵盖了多种专业集成, 包含了土建、装修、机电安装等多个专业, 而每个专业又包含了很多内容:钢筋、模板、混凝土、给排水、送排风、防排烟、空调风、空调水、消防、强电、信息、客服等。这些复杂多样的专业内容形成了一张包罗万象的网络系统, 而网络系统中每一条线都直接影响着整个工程的施工质量。

BIM技术在施工中能够进行多专业协调、多专业集成、多功能整合, 在施工组织设计、重大施工方案动态模拟、施工技术方案的确定、四新技术的应用、施工现场动态调整, 施工进度的模拟, 工程安全、质量、文明施工管理、现场数据的采集、储存、后台处理, 图纸及文档电子化管理、全过程造价成本管控等方面应用BIM技术, 基本可以实现项目施工的全过程管理。

BIM模型通过附加各个专业不同形式的数据, 形成完整的施工BIM模型。通过BIM模型进行碰撞测试, 对碰撞部位及时进行系统优化达到最终优化方案。减少错漏碰缺对施工设计和成本的影响, 其次施工BIM模型将BIM设计模型与建筑信息相结合, 直观地体现施工的界面、顺序, 使总承包与各专业施工之间的施工协调变得清晰明了, 同时利用BIM技术进行施工平面布局优化, 使设备材料进场、劳动力配置、机械配备等各项工作的安排变得更为经济。重大施工方案, 特别是危险性较大的施工方案, 可以采用施工模拟来降低施工风险;在施工安全质量与进度控制中, BIM技术与移动终端相结合, 将现场实际数据上传至BIM模型, 实现数字化的现场管理模式, 更有效地进行施工安全、质量、进度跟踪及预警, 使现场管理人员可以把更多的精力用在现场实际情况的预控和对重要部位、关键产品的严格把关等工作上, 不仅提高了工作效率, 还可以帮助管理人员尽早发现并减少施工管理风险。

通过应用BIM技术对站房结构构件、装饰装修进行深化设计, 将站房部分构件和装饰装修设计的深度提升至构件工厂化加工的精度。对站房装饰装修材料进行数字化、定型化、预制化加工, 形成装配式施工的铁路站房新工艺。通过数字化施工策划, 生成高精度的电子文档直接交付厂家下单, 取代现场测量或制作模板等传统下单方式, 实现下单过程数字化, 不仅可以大大缩短装饰装修工期、降低工程成本, 还能实现真正意义上的绿色施工。