高铁站房作为城市的门户, 是体现地域文化的标志性建筑, 其建筑形式总是受到人们的关注。而高铁站同时也是一种大跨度的特殊交通功能建筑, 必须满足交通功能和大跨度建构逻辑的要求。

　　 在高铁站房建筑设计中, “功能、技术、艺术”作为建筑的三要素是辩证统一的, 理清建筑形式与结构逻辑之间的关系有助于在高铁站房创作中获得更自由的基于结构逻辑的建筑形式。

　　 二十世纪以后, 由于新型建筑材料的出现和现代结构技术的发展, 建筑形式获得了空前解放, 在先进的结构技术下形态的塑造得到了极大自由。例如, 钢和钢筋混凝土对机械化时代现代大跨度建筑的发展产生了极其重要的影响;钢构件通常也非常适于表现“线的构成”或者“网格化的构成”;混凝土构件在浇筑之后融为一体, 非常有利于塑形。这其中奈尔维、小萨里宁、卡拉特拉瓦等人的探索极富代表性。

　　 意大利建筑师、工程师皮埃尔·路易吉·奈尔维 (Pier Luigi Nervi) 毕生致力于探索钢筋混凝土的性能和结构潜力, 他凭借超群的结构直觉, 创造出风格独特、形式优美、具有强烈个性的建筑作品。他认为“建筑必须是一个技术与艺术的集合体, 而并非是技术加艺术”。他的代表作罗马奥运会小体育宫, 受葵花肌理的启发, 采用了钢筋混凝土网格的结构系统, 外部则从人类腿骨的受力分析中得到启示, 创造了“丫”形支撑体系, 使空间结构与建筑艺术形式的虚实结合达到了完美统一。

　　 芬兰建筑师埃罗·萨里宁 (Eero Saarinen) 设计的美国耶鲁大学冰球馆, 模仿动物的脊椎受力特性, 既充分发挥了结构效率, 又创造了崭新的充满运动精神的建筑形态。他的另一作品纽约环球航空公司航站楼, 其结构由四瓣组合式薄壳构成, 中间有缝隙用以采光, 四瓣薄壳由下部的“丫”形柱支撑, 与人的头盖骨的拼合极为相似。这种结构肌理不仅解决了自由曲线造型的难点, 而且也使结构与形式达到了有机融合。由此可见, 要实现某种建筑造型不一定要牺牲结构的合理性, 有机的结构与建筑形态可以相互共生。

　　 西班牙建筑师圣地亚哥·卡拉特拉瓦 (Santiago Calatrava) 致力于折叠结构与仿生结构的实践, 他设计的位于加拿大多伦多市的BCE文化广场大厦, 模仿树干分叉的生长肌理设计了建筑两侧的支柱与顶栅的弧形肋架, 取得了独特的造型效果。在他的其他建筑作品中, 也模拟动物关节的自由运动设计了具有可自由启闭结构的建筑屋顶。在法国里昂塞托拉斯机场地铁车站的设计中, 模拟动物骨架的结构原理, 充分发挥了节省材料、提高效能的结构特性。

　　 从以上建筑师的实践和作品中不难看出, 结构技术时刻影响着建筑形式。本文期望通过肯定结构技术对建筑形式的客观作用规律, 使建筑师们充分认识到结构技术对于建筑形式创作的重要意义, 在实践中自觉学习结构基本知识, 关注结构技术动态, 应用结构新技术, 来达到建筑形式创作的更大自由。

　　 西安北站位于古都西安市中轴线北端, 是我国六大枢纽性客运中心之一, 是亚洲最大的火车站, 也是铁路“十一五”规划的标志性、示范性工程。西安北站距市中心约12km, 集高铁、公交、地铁、公路等多种交通方式于一体, 是目前西部地区功能最全、现代化程度最高、涵盖交通方式最多的特大型综合交通枢纽。站房地下一层设换乘大厅兼连接车站南北站前广场大型地下交通及商业工程的地下人行通道, 与地面车行道路实现人车立体分流, 互不干扰。铁路车场共有34个站台面34线, 站房建筑高43.6m, 檐口高度为29.3m, 总建筑面积42.5万m², 站房面积17.1万m² (含地铁2.5万m²) , 站台雨棚面积9.3816万m²。

　　 西安北站是西安市未央区向北发展延伸的“高铁新区”的核心, 也作为连接城市中轴线上张家堡广场和渭河景观轴线的重要景观节点强化并完善城市景观轴线。通过整合高铁、公交、地铁、公路等多种交通流线实现高效衔接, 形成高效城市综合交通枢纽的核心。

　　 功能布局采用上下4层 (地上2层、地下2层) 的立体化布局模式。地面二层为旅客候车区域和商业夹层, 主体长度约550m, 宽度184m;地面一层为站台层;地下一层为出站通道、换乘大厅及设备用房;地下二层为地铁2号线。

　　 建筑形态应根植于本土的、民族的文化特征, 关注民族建筑文化的可持续性发展。西安是十三朝古都, 尤其以曾经是汉唐盛世的古都长安举世闻名, 西安北站作为古都的门户必须体现其浓厚的地域文脉。建筑形态通过提炼汉唐屋顶和西安古城墙的形象特征, 用现代的折板钢网格结构体系进行形态转译, 抽象地表达出唐代宫殿建筑大屋顶、关中夯土高台和西安古城墙的神韵, 让人们感受到中国传统建筑的华丽空间, 传达出古都西安的“唐风汉韵、盛世华章”, 体现了华夏建筑的精髓, 是一种“朴素的高贵, 俊秀的壮美”。整个建筑朴素庄重、壮美雄奇, 折板网格钢屋盖既有中国传统建筑大屋顶的神韵, 又是现代新型大跨结构技术的体现, 达到了历史文脉与现代科技的完美统一。

　　 西安北站站房建筑平面采取高架候车的形式, 将车站功能空间划分为高架候车层、站台层、出站层、地铁站台层4个主要层面。旅客流线采用“上进下出”模式, 使得车站各种流线便捷、顺畅、路径最短, 实现了客流的“零距离换乘”。同时采用了先进的“航空港”安检模式, 将安检区设于进站厅内、候车厅入口处, 允许旅客自由出入综合进站厅并在室内进行安检, 这种模式在寒冷气候的西安尤为必要, 切实体现了“以人为本”。这种安检模式还拓展了综合进站大厅的功能和空间, 使售票、商业、休闲、进站等多种功能空间融为一体, 更为高效便捷, 而以折板单元创造的大跨度建筑空间也有助于实现这些建筑功能。

　　 建筑形态、空间与结构逻辑有机统一, 结构与建筑形态相互共生。建筑形态塑造在体现地域文化特色的同时也体现了结构受力的真实性及合理性, 形态塑造利用结构构件形成一定的韵律, 并利用符合结构力学规律和力学原理的形式美元素, 体现结构自身的形式美, 增强细部形象设计的表现力, 这是获得建筑艺术感染力的有效途径。

　　 西安北站的屋盖由11个折板钢网格结构单元体重复组成, 结构形式属国内外首创, 塑造出优美的弧形屋脊, 与舒展的两翼共同形成出檐深远的“唐风汉韵”庑殿顶意象, 是现代新型结构技术与历史文脉的完美结合。通过建筑师与结构工程师的紧密合作实现建筑与结构的一体化设计, 使建筑形态与结构逻辑有机统一。轻质化的折板钢网架杆件规格和节点尽可能标准化, 钢构、铝板、石材、幕墙等都尽量采用工厂预制、现场装配的方式。

　　 提炼于自然界的“树杈”形钢柱细部精细, 体现了盛唐时期中国传统木构建筑的特点。站房屋盖的“树状”支撑与屋盖结构和下部钢管混凝土柱的连接采用独特的关节轴承, 节点设计造型美观新颖。对于“树状”支撑的关节轴承和铸钢件等关键复杂节点, 采用了数字仿真分析与足尺模型试验相结合的方法指导设计。每个屋盖单元体在中间高起的屋脊处开以“树叶叶脉形式”的梭形天窗, 结合梭形遮阳百叶取得良好的天然采光和通风, 阳光透过半透明的天窗形成华丽的光影, 产生具有视觉冲击的室内空间效果。

　　 统一考虑建筑形态的设计方法, 真实暴露结构, 不做虚假装饰, 节省投资。西安北站采用了空间刚度大、整体性强、经济性好的三向交叉空间网格结构, 满足了结构承载力和刚度需要, 使结构与建筑造型和谐统一。同时由于结构自重较轻, 减小了屋盖双向大跨度悬挑引起的水平和竖向地震作用对下部结构的影响。屋盖结构的“树状”支撑有效减小了屋盖网格结构的跨度, 增大了屋盖支撑结构的水平抗侧力刚度, 体现了结构的力度和美感。

　　 钢管混凝土柱与钢框梁及预应力钢拉杆组成的斜拉预应力“伞”状结构单元形成站台雨棚, 通过对钢拉杆施加预应力作为43m大跨度和悬挑长度为11.5m钢梁的弹性支点, 有效减小了雨棚结构的用钢量。

　　 同时, 创造性地在43m大跨度楼盖上采用TMD阻尼消能减振系统, 通过楼盖舒适度分析, 选取了合适的TMD阻尼减振器布置方案, 兼顾了结构振动舒适度和结构经济性的要求。

　　 此外, 采用柱顶设置水平滑动支座相结合的分缝方式, 将南北站房划分为两个独立的结构单元, 以减小温度作用产生的反应, 同时减少因双柱分缝导致的站场征地面积的增加, 这种做法在国内尚属首次。

　　 通过精细的结构设计, 屋盖用钢量 (含上下弦主檩条, 按投影面积计算) 为85kg/m², 工程经济性较好, 是近几年来已建成的大型铁路客运站房中少数几个没有突破概算的工程之一。

　　 玻璃幕墙与屋盖采用链杆铰接的方式, 允许两者之间产生一定的形变使得幕墙挡风桁架只传递横向力, 构造简单可靠。高架层以下的建筑基座立面材料采用成熟可靠的开缝式干挂花岗石构造, 在幕墙背后的墙面刷防水聚氨酯涂膜, 雨水流经石材幕墙背面, 使外墙不易污染, 历久弥新。

　　 西安地处西北地区, 黄土地生态本身较为脆弱, 减少项目对环境的破坏尤为重要。此外, 根据西安日照较好和多风的条件, 应注重自然通风和采光。西安北站采用适应夏热冬冷气候的围护结构外保温隔热节能技术, 加强外保温措施, 并采用双层表皮幕墙及热缓冲墙。

　　 根据西安夏热冬冷的地域气候特征, 确定了被动式低技术节能建筑设计的思路, 尽量利用自然采光和通风来解决过渡季节的建筑热舒适性问题。通过建模分析, 在自然通风、自然采光、建筑遮阳、外围护结构的保温隔热及建筑声学等多方面制定了切实可行的绿色建筑策略;运用CONTAMW和AIRPAK软件分别从宏观和微观角度进行自然通风的模拟分析, 并以此指导建筑平面和剖面设计;中间高、周边低的坡屋顶形式结合智能控制开启天窗, 利用热压通风原理实现良好的自然通风换气, 整个屋面被分成一个个单元体, 每个单元体在中间高起的屋脊处布置梭形天窗, 方便调节大厅各部分的微气候。运用ECOTECT软件进行自然采光的模拟分析并指导天窗和遮阳百叶的布置, 将天窗窗地比控制在9%以内, 使得空调能耗和采光系数达到良好的平衡, 分散布置的梭形天窗结合梭形遮阳百叶使得采光均匀, 避免眩光。

　　 经过深入的自然通风和采光的计算机模拟分析, 全面实施绿色建筑技术, 并在运营中与清华大学合作进行了自然采光、通风及围护结构热工性能等多方面现场数据实测, 进行了大量数据的比对分析, 结果表明西安北站的节能效益较为明显, 过渡季节延迟了开启空调和暖气的时间, 对当今高铁车站及其他类似大跨度建筑的绿色建筑设计具有借鉴意义。

　　 折板屋面的室内空间具有良好的声音反射作用, 配合吸声吊顶, 通过声学计算确定吸声材料的应用, 使得声场均匀, 混响时间控制在1.5s, 客运广播清晰度指标在目前国内已建成高铁站房中居于前列。

　　 建筑空间由实质的物质形态构成, 空间形态在满足人们特定的使用要求和人的心理感受、需求的同时, 还应该考虑结构、构造等技术方面的因素, 而高铁车站作为大跨度建筑对结构因素的考虑更为重要。

　　 在作为城市门户的现代化高铁站房建筑形态的塑造中, 既应根植于本土的、地域的文化特征, 关注地域建筑文化的可持续性发展, 也必须依托结构力学的原理。建筑师如果能够利用并驾驭好结构逻辑, 就能真正获得形式创作的自由, 从而更好地表达地域建筑形式。

　　 业主:西安铁路局

　　 建设地点:西安市未央区

　　 建筑设计:中南建筑设计院股份有限公司

　　 联合设计:中铁第一勘察设计院有限公司 (铁路站场及站房地下结构)

　　 项目负责人:唐文胜 (建筑) 、李霆 (结构)

　　 设计团队:王新、熊伟、张丹、孙行 (建筑) ;陈兴 (结构) ;倪冰 (电气) ;

　　 杜金娣 (给排水) ;严阵 (暖通)

　　 总建筑面积:42.5万m²

　　 设计时间:2009

　　 建成时间:2011

　　 摄影:傅兴、章勇、唐文胜