熊朝輝， 周 兵， 何 叢

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，城市人口增多，城市規(guī)模擴大，交通成為城市可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。為解決城市交通問題，近年來各地紛紛發(fā)展綜合性交通樞紐，多種換乘方式集中在一個小區(qū)域，可有效提高換乘效率。

地下綜合交通樞紐是綜合交通樞紐中一種特殊的形式，各種功能主體都被設(shè)計在地下，不占用或占用少量的地表空間，具有與綜合交通樞紐相同的功能。我國城市交通樞紐建設(shè)因受土地資源及道路交通情況等條件制約,難以達到其應(yīng)有的規(guī)模并實現(xiàn)其應(yīng)有的功能，故應(yīng)以大力開發(fā)地下空間為契機,建設(shè)地下客運交通樞紐,合理利用城市中心區(qū)現(xiàn)有地下空間資源,緩解地上道路資源供給的不足。

國內(nèi)研究者對城市地下交通樞紐做了一些研究。文獻[1]對地下綜合交通樞紐的概念、功能、相對于綜合交通樞紐的發(fā)展優(yōu)勢進行了詳細地闡述，并結(jié)合國內(nèi)外典型案例，總結(jié)了地下綜合交通樞紐的發(fā)展經(jīng)驗。文獻[2-6] 從大型地下綜合交通樞紐一體化規(guī)劃設(shè)計的內(nèi)涵出發(fā)，闡述了首批建設(shè)的新型交通樞紐一體化設(shè)計中存在的問題，并對一體化交通系統(tǒng)、一體化綜合開發(fā)及城市空間融合等進行了論述，為類似工程設(shè)計提供借鑒。文獻[7-8]對城市地下軌道交通樞紐中的消防和排煙問題進行了分析和研究，提出該類建筑在防火分區(qū)設(shè)置及分隔方式、疏散設(shè)計以及煙氣控制系統(tǒng)等方面存在的消防設(shè)計難題，并提出了通過準安全區(qū)的設(shè)置解決安全疏散設(shè)計難題等方案。

目前國內(nèi)對于地下綜合交通樞紐的研究還不夠系統(tǒng)，主要還局限在單一學(xué)科及領(lǐng)域的研究，尚無對于交通樞紐中的設(shè)計創(chuàng)新研究。如何在復(fù)雜邊界條件下，采用創(chuàng)新手段解決社會及工程問題是業(yè)內(nèi)關(guān)注焦點。

本文基于武漢光谷廣場綜合體工程，結(jié)合周邊現(xiàn)狀條件，針對項目難點開展創(chuàng)新設(shè)計研究，分析相關(guān)設(shè)計對策，總結(jié)出特定條件下大型綜合交通樞紐采用的各項創(chuàng)新設(shè)計手段，以期為同類城市地下大型綜合交通樞紐設(shè)計提供解決思路和方法，具有一定的借鑒和參考意義。

1 項目背景

1.1 交通現(xiàn)狀

武漢光谷廣場建成于2001年，位于洪山區(qū)魯磨路、民族大道、虎泉街、珞喻西路、光谷街和珞喻東路等6條道路的交匯處，中央形成景觀性交通環(huán)島。交通環(huán)島周邊的商業(yè)開發(fā)快速發(fā)展，使得光谷廣場不但是重要的交通節(jié)點，更是成為國家級開發(fā)區(qū)——東湖高新區(qū)最重要的商圈，是集交通、人流集散、娛樂、休閑、居住、展示功能于一體的綜合性廣場。

隨著光谷城市副中心建設(shè)加快、商圈的進一步發(fā)展，光谷廣場無論是人流量還是車流量均出現(xiàn)爆炸式增長。既有道路及配套交通設(shè)施資源緊張，難以滿足和適應(yīng)近遠期交通發(fā)展要求。整個區(qū)域內(nèi)車行與慢行交通均存在巨大安全隱患。節(jié)假日期間光谷廣場交通環(huán)島周邊客流情況如圖1所示。光谷廣場交通環(huán)島俯視圖如圖2所示。

圖1節(jié)假日期間光谷廣場交通環(huán)島周邊客流情況

Fig. 1 Passenger flow at Optical Valley Square traffic around island square during holidays

1.2 項目規(guī)劃

為解決日益嚴峻的交通形式，規(guī)劃及相關(guān)部門決定延長軌道交通2號線，同時對光谷廣場交通樞紐進行全面升級建設(shè)。

圖2 光谷廣場交通環(huán)島俯視圖

光谷廣場區(qū)域規(guī)劃建設(shè)2條市政下穿隧道(分別沿珞喻路方向和魯磨路—民族大道方向)、3條軌道交通線路(2、9、11號線)以及地下公共空間。

樞紐工程通過3條地鐵線路、4座地鐵車站(含2號線南延線珞雄路站)相互連通疏導(dǎo)地鐵客流，通過2條市政隧道分離過境車流，并將地下空間整體連通，使行人及非機動車通行更加便捷，同時保留地面交通環(huán)島。光谷廣場地下交通規(guī)劃線路如圖3所示。

圖3 光谷廣場地下交通規(guī)劃線路

Fig. 3 Planned underground traffic lines of Optical Valley Square

2 方案構(gòu)思及創(chuàng)新

2.1 客流預(yù)測

光谷廣場地處武漢東湖高新區(qū)與市中心城區(qū)交流的咽喉地帶，目前有超過30條公交汽車線路正常運營以及最高日客流量超30萬人次的地鐵2號線1期光谷廣場站與6條城市道路交匯。交通環(huán)島周邊商業(yè)成熟，相互間穿越日客流超過40萬人次，部分過街高峰客流超過6 000人次/h。遠期早高峰小時客流量預(yù)測見表1。

結(jié)合軌道交通2號線光谷廣場站客流情況可知，光谷廣場地下交通綜合體高峰小時軌道交通集散客流為80 890人次，進出站客流為42 454人次。

表1 遠期早高峰小時客流量預(yù)測

注： 數(shù)據(jù)來自武漢市規(guī)劃戰(zhàn)略發(fā)展研究院。

圖4示出軌道交通2號線1期光谷廣場站客流量為2萬人次/高峰小時的情況。而本工程遠期高峰小時預(yù)測有8萬人次。因此，如何妥善解決3條地鐵換乘與進出站客流、商業(yè)客流以及市政過街客流的交叉與對沖以及超大客流下環(huán)境的舒適性、人性化以及事故狀態(tài)下客流的快速疏散，對設(shè)計人員來說是一項嚴峻的挑戰(zhàn)。

圖4軌道交通2號線1期光谷廣場站客流量為2萬人次/高峰小時的情況

Fig. 4 Passenger flow at Optics Valley Square Station of Phase 1 of Rail Transit Line 2

2.2 設(shè)計理念

1)保證最優(yōu)的交通功能，快進快出。由于該交通節(jié)點客流量巨大，樞紐容量面臨巨大壓力，因此方案設(shè)計的立足之處應(yīng)為交通型節(jié)點，較少考慮商業(yè)，以快進快出為原則。3條線之間付費區(qū)內(nèi)進出站客流、換乘客流以及非付費區(qū)內(nèi)過街客流的流線組織為方案形成的核心要素。

2)打造便捷、美麗、舒適、節(jié)能的地下空間。光谷廣場自建成起已逐漸成為武漢市光谷地區(qū)重要的交通節(jié)點及城市名片。在結(jié)合規(guī)劃條件的前提下，光谷廣場交通綜合體地下空間的設(shè)計除改善擁堵的交通現(xiàn)狀、整合新的交通格局外，還應(yīng)突破傳統(tǒng)地鐵站的設(shè)計模式及思想局限性，站在設(shè)計的制高點，以“便捷換乘、舒適空間環(huán)境、節(jié)能環(huán)?！睘槟繕?，旨在把光谷廣場綜合體打造為武漢光谷最亮麗的一道風(fēng)景線。

2.3 原規(guī)劃方案及換乘設(shè)計創(chuàng)新

2.3.1 原規(guī)劃方案

原規(guī)劃設(shè)計該交通節(jié)點采用地下4層的地下空間。地下節(jié)點外輪廓采用直徑280 m的圓，中央環(huán)島直徑160 m，地面為綠化廣場。環(huán)島外，出入口采用下沉廣場的形式。原設(shè)計方案平面圖如圖5所示。地下1層為人行區(qū)域，南半部為地鐵用空間，北側(cè)考慮一定的物業(yè)開發(fā)； 地下2層為9、11號線共用站廳及9號線站臺和魯磨路隧道層； 地下3層為2號線南延線工程的區(qū)間隧道和珞喻路隧道層； 地下4層為11號線站臺層。原設(shè)計方案地下平面圖如圖6所示。

圖5 原設(shè)計方案平面圖

原規(guī)劃方案將3線換乘分解為1+2的布局，1為2號線車站，2為9、11號線的側(cè)換島形式。該方案存在的不足之處為： 1)地鐵9、11號線有效站臺區(qū)域位于光谷轉(zhuǎn)盤南側(cè)，難以達到對各象限均勻服務(wù)； 2)9號線采用側(cè)站臺形式，且站廳、站臺同層，不利于與2號線換乘； 3)2號線換乘11號線需通(穿)過9號線站臺層； 4)11號線站臺區(qū)域的乘客疏散不便，安全隱患大。

2.3.2 換乘設(shè)計創(chuàng)新

在地下空間受限制的情況下，3線換乘軌道交通車站難以處理兩兩線路之間的客流交叉影響問題，例如： 上海地鐵世紀大道站、武漢地鐵香港路站等雖然采用了部分平行換乘，但換乘與進出站客流的交叉始終困擾著軌道交通運營部門[9]。

方案研究起始階段，設(shè)計人員重點從2、9、11號線3座車站的平面布局關(guān)系入手，提出了多種平面布局組合方案，包括集中站位、分散站位、市政通道不引入和加深地鐵埋深等，通過探討和研究最后提出將9、11號線2條線路車站站臺從空間上分設(shè)于上下2層而將人行和換乘集散廳布設(shè)于中間層的方案，解決了困擾建設(shè)各方多時的流線問題，這也是本工程最為核心的技術(shù)創(chuàng)新所在。光谷廣場地下交通綜合體方案演變示意圖如圖7所示。光谷廣場地下交通綜合體最終方案空間結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

(a)

(b)

Fig. 8 Space structure schematic diagram of final plan of Optical Valley Square underground traffic complex

3 重要設(shè)計創(chuàng)新

3.1 地下高架車站與快速疏散

常規(guī)地鐵車站往往是地下1層采用站廳，旅客進入付費區(qū)下至地下2層站臺乘車。當(dāng)受到各種條件制約時，還有一種與之相反的布局，即乘客先下到地下2層，再從地下2層上到地下1層，一般將其稱為倒廳方案。

由于倒廳做法工程規(guī)模較大，與乘客出行流線及心理相矛盾，因此，在地鐵建設(shè)中極少使用。但在光谷廣場綜合體工程中，設(shè)計者創(chuàng)造性地將9號線站臺上抬至地下1層換乘大廳中，形成了站臺在上、站廳在下的“地下高架車站空間”，有效地解決了換乘流線、換乘廳空間被分隔的問題，如圖9所示； 同時，利用有利的條件，在9號線站臺上設(shè)置4組直通地面環(huán)島的疏散樓梯，確保事故工況下快速疏散人員。

在乘客流線及出行心理方面，通過營造大規(guī)模、大跨度、高凈空的地下?lián)Q乘大廳以及導(dǎo)向標識的設(shè)置，盡量減少乘客產(chǎn)生先下后上的回頭路心理。

(a)

(b)

綜合體地下1層通高大廳與周邊地塊設(shè)置有小型開敞式下沉廣場銜接，并設(shè)置足夠運量的樓扶梯作為人行輸送設(shè)施，保證未來全日高峰40萬客流的進出和穿越。在此空間中，向上1層可達地鐵9號線站臺，向下可直達11號線站臺，同層向西與2號線1期既有光谷廣場站站廳付費區(qū)通道相通。

這種空間結(jié)構(gòu)方式形成了一個貫通無阻隔的地下1層換乘大廳，使得客流的主流線較為通暢，大廳與各下沉廣場出入口直接相通，且內(nèi)部無商業(yè)空間，達到人員快進快出、規(guī)避重大安全隱患的目的。

3.2 高凈空與大跨度空間

光谷廣場綜合體客流大、地下空間面積大、區(qū)域廣，采用高凈空、大跨度的空間結(jié)構(gòu)方式可以營造良好的地下空間，對于改善環(huán)境、舒緩乘客心理等具有重要的意義[10]，同時有利于消防排煙和節(jié)省工程投資。

設(shè)計方案中，地下1層大廳結(jié)構(gòu)凈高9～11.5 m，裝修吊頂后凈高8～10.5 m，同時對鋼筋混凝土箱形框架結(jié)構(gòu)也進行了優(yōu)化。由于工程主體輪廓呈圓形，柱網(wǎng)沿環(huán)向、徑向布置，框架柱跨一般為15.0 m，中央付費區(qū)最大柱跨近26 m。高凈空、大跨度空間結(jié)構(gòu)使得地下空間品質(zhì)、舒適度大大改善。9號線站臺與魯磨路隧道空間橫斷面示意圖如圖10所示。高凈空、大跨度空間設(shè)計效果見圖9。

圖109號線站臺與魯磨路隧道空間橫斷面示意圖

Fig. 10 Spatial cross-section diagram of platform of Line 9 and Lumo Road tunnel

3.3 大體量空間環(huán)境控制

光谷廣場綜合體地下1層公共區(qū)面積為3.4萬m2，地下空間凈高不小于8 m，空間體積約25.8萬m3，包括通高大廳、2號線換乘通道和9號線架空站臺。通高大廳、9號線軌行區(qū)和站臺上方設(shè)有條形采光帶，將采光帶作為自然排煙窗，火災(zāi)時采用自然排煙方式。

該項目規(guī)模巨大，相當(dāng)于10座標準地鐵車站體量，如何解決好防排煙問題、保障通風(fēng)空調(diào)效果，是本工程設(shè)計的一項重要工作。經(jīng)計算，為滿足車站內(nèi)地下1層公共區(qū)防排煙及空調(diào)舒適度要求，光谷廣場綜合體要提供巨大的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能力。光谷廣場地下交通綜合體與1座標準地鐵車站的相關(guān)參數(shù)對比見表2。

表2光谷廣場地下交通綜合體與1座標準地鐵車站的相關(guān)參數(shù)對比

Table 2 Comparison of related parameters between Optical Valley Square complex and standard metro station

工程項目總排煙量/(萬m3/h)空調(diào)總送風(fēng)量/(萬m3/h)總冷負荷/kW光谷廣場綜合體207.0480.486 662標準地鐵車站20.709.00600

設(shè)計重點開展了2個方面的科研與創(chuàng)新： 1)復(fù)雜全地下高大空間火災(zāi)自然排煙可行性驗證及排煙效率研究; 2)復(fù)雜全地下高大空間氣流組織優(yōu)化研究。

3.3.1 復(fù)雜全地下高大空間火災(zāi)自然排煙可行性驗證及排煙效率研究

設(shè)計人員利用火災(zāi)模擬軟件FDS對光谷廣場綜合體地下1層高大空間火災(zāi)煙氣運動特性進行了研究。模擬的前提條件： 排煙天窗面積取排煙區(qū)域建筑面積的5%，約為1 700 m2；吊頂鏤空率按照50%計算。通過模擬結(jié)果驗證了自然排煙的可行性，并提出了最佳裝修吊頂鏤空率。300 s和1 200 s時的煙氣蔓延分布示意圖如圖11所示。

(a) 300 s

(b) 1 200 s

Fig. 11 Nephagrams of smoke spreading distribution at 300 s and 1 200 s

經(jīng)過多種工況模擬分析表明： 地下1層站廳中心處發(fā)生火災(zāi)時，站廳和站臺人員高度處溫度、能見度均滿足人員安全疏散要求，煙氣能夠被有效排出。因此，可以證明光谷廣場綜合體地下1層采用自然排煙的方式是可行的。

3.3.2 復(fù)雜全地下高大空間氣流組織優(yōu)化研究

設(shè)計采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)對光谷廣場綜合體地下1層高大空間氣流組織進行了研究，主要分為以下2個部分：

1)送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度的選定。通過模擬2種送風(fēng)溫度(18 ℃和19 ℃)下地下空間的溫度場與速度場(如圖12所示)發(fā)現(xiàn)，其分布基本相似，降低送風(fēng)溫度可以減少送風(fēng)量，減小風(fēng)機負擔(dān)，降低噪音，節(jié)省運行成本。因此，設(shè)計中選取送風(fēng)溫度為18 ℃，送風(fēng)速度為4.22 m/s。

2)通過對多個旋流風(fēng)口送風(fēng)特性進行模擬，驗證既有設(shè)計方案的有效性，進一步對地下1層高大空間的氣流組織進行優(yōu)化。不同噴口間距情況下9號線站臺夾層下方溫度場如圖13所示。通高大廳旋流送風(fēng)口間距不同時立面溫度場如圖14所示。

經(jīng)過模擬分析可知，9號線站臺夾層下方噴口間距取6 m、通高大廳旋流送風(fēng)口間距取7 m時通風(fēng)空調(diào)設(shè)計滿足地下1層大廳環(huán)境控制要求。

(a) 送風(fēng)溫度為18 ℃時立面溫度場(單位： ℃) (b) 送風(fēng)溫度為19 ℃時立面溫度場(單位： ℃)

(c) 送風(fēng)溫度為18 ℃時立面速度場(單位： m/s) (d) 送風(fēng)溫度為19 ℃時立面速度場(單位： m/s)

圖12送風(fēng)溫度為18℃和19℃時地下空間的溫度場和速度場

Fig. 12 Temperature field and velocity field of underground space when air supply temperature is 18 ℃ and 19 ℃

3.4 BIM技術(shù)的運用

本項目采用BIM技術(shù)進行了全專業(yè)協(xié)同設(shè)計，模型采用REVIT平臺軟件建立，碰撞檢查則采用NAVSWORK軟件。BIM協(xié)同設(shè)計專業(yè)結(jié)構(gòu)示意圖如圖15所示。

本項目除了采用常規(guī)的三維設(shè)計進行建模與碰撞檢測之外，還基于BIM中心模型開發(fā)了BIM相關(guān)軟件與其他專業(yè)軟件(如客流仿真模擬、排煙氣流模擬等)的數(shù)據(jù)接口。

立足于BIM平臺，基于各項軟件接口，利用專業(yè)軟件對工程進行了換乘、緊急疏散等客流仿真模擬、地下1層大廳消防排煙模擬及地下1層大廳氣流組織模擬等多項輔助設(shè)計工作，驗證了樞紐換乘設(shè)計、消防疏散及排煙設(shè)計的可行性，切實發(fā)揮了BIM這一輔助設(shè)計工具的優(yōu)勢。最終成果獲得了2017年中國勘察設(shè)計協(xié)會組織的第8屆“創(chuàng)新杯”建筑信息模型(BIM)應(yīng)用大賽“最佳交通樞紐BIM”應(yīng)用獎。

(a) 旋流送風(fēng)口間距為8 m時的立面溫度場(單位： ℃) (b) 旋流送風(fēng)口間距為8 m的立面速度場(單位： m/s)

(c) 旋流送風(fēng)口間距為7 m時的立面溫度場(單位： ℃) (d) 旋流送風(fēng)口間距為7 m的立面速度場(單位： m/s)

(e) 旋流送風(fēng)口間距為6 m時的立面溫度場(單位： ℃) (f) 旋流送風(fēng)口間距為6 m的立面速度場(單位： m/s)

圖15 BIM協(xié)同設(shè)計專業(yè)結(jié)構(gòu)示意圖

Fig. 15 Professional structure diagram of BIM collaborative design

4 結(jié)論與思考

我國大城市人口眾多，交通節(jié)點處節(jié)假日期間擁堵嚴重，對于綜合交通樞紐工程特別是地下綜合交通樞紐工程，應(yīng)始終以以人為本、快進快出、防范風(fēng)險作為設(shè)計的第一理念。根據(jù)實際需要，光谷廣場交通樞紐綜合體地下工程產(chǎn)生了高凈空、大跨度的空間，從改善人流量特多的交通節(jié)點環(huán)境考慮，可一定程度上緩解乘客的心理壓力，同時利于消防和排煙。除此之外，在面臨復(fù)雜需求、設(shè)計難度大的情況下，本工程還進行了其他各項設(shè)計創(chuàng)新和探索，為國內(nèi)同類地下交通樞紐工程提供一定的借鑒。

創(chuàng)新需要以問題解決、實際需求導(dǎo)向為驅(qū)動，為了創(chuàng)新而創(chuàng)新則會舍本逐末。創(chuàng)新的目的應(yīng)為解決問題，當(dāng)常規(guī)的設(shè)計手段和辦法無法應(yīng)對復(fù)雜的環(huán)境和條件時，則必須進行創(chuàng)新，即運用新方法、新技術(shù)、新材料解決前所未遇的問題和困難。本工程在空間組織、消防排煙、大型地下空間環(huán)境的營造方面取得了豐富的成果。但受實際情況的制約，還有很多不足的地方，例如結(jié)構(gòu)體系、環(huán)境控制模式、室內(nèi)裝修材料等，需要進一步深化研究和分析，以完善同類大型地下樞紐工程的創(chuàng)新設(shè)計理念和方法。