虹桥交通枢纽(虹桥综合交通枢纽的故事)

新一代终极交通枢纽的秘密:上海虹桥交通枢纽站

上海是西方世界最早进入中国的门户城市。周边地区人口膨胀到1800万，都需要通过以上海为中心的交通网络开展活动。快速的人流很快就会把现有的通行能力推到极限。上海再次突破原有思维，整合各种交通方式，最终成为全球最大的综合交通枢纽——虹桥综合交通枢纽。让我们通过探索频道的镜头来了解这个“建筑奇迹”。

图1虹桥枢纽鸟瞰图

上海虹桥综合交通枢纽始建于2006年，2010年开通，并于当年成功服务世博会。交通枢纽位于上海闵行区北部，拥有虹桥机场2号航站楼、虹桥火车站、长途汽车客运站、地铁2号线和机场，足以满足一百万人在七种交通方式之间切换。在这个激进的项目背后，也有很多技术上的挑战。中国四分之一的人口生活在上海周边地区。和其他城市一样，火车站、公交、地铁站、机场散落在城市各处。要缩短它们之间的距离，就需要一些革命性的设计——所有路线都集成在一个建筑里，这个建筑就是综合交通枢纽。按照以前的交通布局，从机场到火车站打车要一个小时，现在走路只要五分钟。这个概念很好理解，但是实现起来就没那么简单了。

图2堆叠架构

如何将立体交通系统融入到一个建筑中？

工程师面临的第一个挑战是如何在建筑中规划不同的交通方式。如果按照传统方式设计，交通枢纽主体建筑延伸6公里，走完全程需要1个小时。他们的方案是多层堆叠(图2)。对枢纽站各部分进行划分，按照不同的功能类型进行堆叠。从地下到地面共6层，高43米(共72米)，这样整个建筑可以缩短到2公里。看似简单的主体建筑却有着巨大的玄机，包括20条火车线和5条地铁线，需要8万吨钢材(是北京鸟巢体育场钢材的两倍)。叠楼的问题是把很大的重量压在很小的范围内，对地基造成很大的压力。更糟糕的是，楼底下是一条古老的河床，地面潮湿松软，满是淤泥。解决方法是建造一个巨大的基础，工人们必须将桩基打入80米深。工程师发现，土壤中的水分会对桩基的稳定性产生很大影响。漂浮建筑会拉扯桩基，迫使其伸长，降低桩基的强度。再加上火车停下来带来的水平力，会造成灾难性的后果。为了解决这个问题，工程师在每个桩基柱中间加钢圈(图3)，然后在钢圈里加钢筋。在工程师们的努力下，仅用17个月就完成了车站的主体结构。

图3桩基内部示意图

2.如何将枢纽站与城市道路系统无缝链接？

主体结构的完成只是万里长征的一步，工程师们接下来的任务是将枢纽站无缝融入城市道路系统。拥堵的交通(尤其是早晚高峰时段)在上海早已是常态，这也是交通系统工程师面临的最大挑战。传统的道路设计远远不足以使用虹桥枢纽。交通堵塞通常发生在十字路口，传统的处理方法是信号灯。工程师决定避免这种选择，采用单向高架桥的设计(图4)，道路宽度50米，环绕整个枢纽站。道路系统由四条封闭的环形道路组成，一条来自北部，一条来自南部，两条来自西部。

图4视频截图环形道路工程

3.如何解决枢纽站的拥堵问题？

想象有两辆车从北部环路进入(图5)。他们根据不同的目的地分开。1路去火车站，2路去机场。当车辆离开时，它们再次相遇并离开枢纽站。来自其他方向的车辆根据相同的原理运行。该系统的高明之处在于，每条环形道路都是完全独立的，每条道路上的车辆速度都可以稳定在每小时50公里，不会发生事故。高架桥的桩基总长度为100米。即便如此，整个道路系统在使用过程中预计会下沉5 mm，看似微不足道的数字也会给方案中的关键节点带来麻烦。新的道路系统需要与枢纽站南段9年的旧公路连接，已达到下沉距离的极限。老路交汇后，下沉的新路会给传统道路带来太大的压力，使传统道路受到严重破坏(图6)。在道路系统完成之前，他们必须找到一个新的能够吸收下沉力的路面。新路面需要和传统路面一样坚硬，但不能像沥青一样容易断裂，但必须能弯曲。工程师发现传统材料的限制因素是黑焦油，纯度为100的样品在拉伸机上5 cm处断裂。最后，工程师将废橡胶加入焦油混合物中。经过不同的测试比例，工程师终于在4个月后找到了完美的结合点。试验结果表明，实现了延性和强度的双重优势，混合料在30 cm处断裂。这种超强的柔性材料(图7)弹性足以抵消5 mm的高度差，强度足以满足这个超级枢纽站繁忙的交通。

图5两辆车根据目的地不同从分离到汇合。

图6新旧道路交叉口

图7视频截图可弯曲的超强材料

4.跑道和地铁隧道如何同时施工？

枢纽站位于上海虹桥机场跑道附近。为了满足新的交通，设计师不得不扩建第二条跑道，并建造一个有45个登机口的新航站楼。设计师们面临着在机场正常运行的前提下扩建跑道的艰巨任务(图8)。他们唯一的选择是在晚上工作，在没有客机运行的时候开始施工。整个跑道建设需要两年半的时间，但全新的跑道与枢纽站内的其他项目发生冲突。与此同时，地铁工程师正在机场东部建设地铁10号线。工程前期没有问题，直到最后2公里连接枢纽站。地铁线路要在跑道正下方挖隧道，任何情况下挖隧道都是有风险的，因为上面的地面或多或少会下沉，在机场下方挖隧道危险系数更高。如果机场跑道只下沉几厘米，就会造成更严重的后果。隧道专家解释说，一般情况下，这种路面预计会下沉40~50毫米，但他们要保证沉降不超过10毫米，为了避免发生意外，工程师使用高精度仪器随时监测跑道，但传统的测量工具在这种环境下毫无用处，就像拿着棍子，每3分钟就要站在飞机降落的地方。工程师决定使用一种叫做“全站仪”的测量仪器(图9)。这个仪器会向目标发射短激光。仪器将测量并接受反射所需的时间差，然后计算距离。同时仪器会测量光束的角度，通过简单的数学原理就可以测出垂直高度的变化(图10)。精密的仪器足以检测出名片厚度的变化。工程师在跑道旁放置两个平行的仪器(图11)，自动扫描跑道上的监测点。

图8正常运营下地铁隧道开挖模拟图

图9“全站仪”在工作中的模拟画面

图10地面高度变化的检测

图11模拟图两台检测仪器同时工作

5.地铁隧道怎么挖？

地上的问题解决了，还有地下工程——地铁系统。现在已经不是人工挖掘的时代了。接下来，土压平衡盾构机(图12)华丽登场。盾构机一次只能挖很短的隧道，然后在隧道壁上铺设预制板，但是会在隧道壁和水泥套筒之间留有3厘米的缝隙。如果地面下沉填补了这个空的缺口，上面的跑道就会严重受损。工程师需要用水泥填补缺口，当地恶劣的地质环境给工程师带来了麻烦，原有的快干水泥无法满足需求。工程师们决定添加特殊材料来应对这种特殊环境。隧道建成后，工程师等了半年跑道下沉。系统检查显示，整个跑道只下降了6毫米..

图12土压平衡盾构机

6.虹桥枢纽站环保设备

毫无疑问，虹桥交通枢纽将成为上海的“面子”工程。喜欢这个城市，项目的设计师希望他有国际风格和一流的服务体验。夏天，上海的气温可以达到35摄氏度。为了给乘客一个舒适的环境，枢纽站的工程师建造了四个巨大的空调节系统。他们可以将水冷却并送到中心站来调节温度。这是一种节能的方式，但是带来了一个成本问题，因为枢纽站太大了，系统的运行需要2.18亿升水，足够注满100个奥运游泳池。如果水源是自来水，就要150万。工程师们决定为信息资源寻找更便宜的水源。流经此地的河水成了选择之一，但水质污染严重，只有改善水质后才能使用。工程师们决定在陆地和河流上种植几种植物，依靠自然力净化水源。他们在每个地区种植不同的湿地植物。经过10个月的实验，工程师发现陆地上的植物净化效果比悬浮在河流中的好(图13)。生长在植物根部的微生物可以有效分解有机污染源，根部本身可以吸收氮磷污染源。水源经过净化后，一部分作为冷却水送出，一部分通过外循环回到水源系统，也改善了河流的水质。不幸的是，在寒冷的冬天，道路上的植物区域的生长受到抑制。虽然植物本身生长状态不好，但根系还是可以正常工作的。工程师将样品带到实验室，加入化学指标检测氮磷含量，最终结果显示指标完全符合标准。

图13净化水源的植物

7.枢纽站如何解决智能照明问题？

为了节能环保，设计师用很多眼镜尽量利用自然光，然后在光线不好的时候加15万组灯工作。西门子成为了整个智能照明系统背后的关键，系统的中央控制室控制着机场的每一个灯泡。传统的开关只能在思想的控制下开灯关灯，西门司提供的照明系统更加智能。整个照明系统分为两部分。第一部分是与最新的入口和出口信息相关的照明时间表。飞机即将降落或起飞时，登机口灯光灯会提前亮起，做好准备。当灯光效果良好时，系统的第二部分开始工作。建筑中的数百个传感器(图14)对自然光的亮度做出反应。如果光线充足，即使时刻表显示灯亮着，灯也不会亮。测试表明该照明系统是有效的，整个系统价值150万元。令人惊讶的是，是六年剩余的钱可以和成本持平。

图14用于检测自然光的传感器

8.终极测试

路标的科学设置(图15)也是整个系统顺利运行的关键。设计师认为过多的路标会干扰乘客的选择，所以他决定使用最少的路标，机场天花板的线条也会让乘客下意识地去需要值机的值机地点。这种极简主义的做法是有风险的，机场管理者对此表示怀疑。跑道已经完工，主枢纽也准备好了。在系统正式投入运行之前，它还需要面对5000名用假机票和假行李参加测试的志愿者的终极挑战。为了提高难度系数，这些志愿者大多是学生。他们从未去过机场。老师安排好“行程”后，剩下的就靠自己了。结果显示，所有志愿者顺利到达目标，测试提前结束。

图15地下一层出站大厅

这次测试也是远程监控系统的一次“实战演习”。整个监控系统由148个摄像头和20个监控屏幕组成。监控系统还可以自动检测枢纽站的拥挤区域(图16)。这个系统也分为两部分。第一部分测量屏幕上人群的百分比。如果百分比超过80%，控制者的屏幕会亮起警报，他还可以控制枢纽站的标志进行更改，引导人们走其他通道。

图16能够检测拥塞的监控系统

上海虹桥交通枢纽，最初是为了迎接2010年世博会而设计的，已经安全运营了4年。按照规划设计，受益的不仅是上海，还有周边的城镇。从更广阔的角度来看，虹桥站连接着中国高度发达的地区(长三角)，这也是上海成为金融中心的重要砝码。

虹桥火车站候车厅