全球最大的綜合交通樞紐虹橋綜合交通樞紐的故事

1、全球最大的綜合交通樞紐虹橋綜合交通樞紐的故事新世代終極交通樞紐的秘密：上海虹橋交通樞紐站上海是西方世界最初進(jìn)入中國(guó)的門戶型城市，周邊區(qū)域的人口膨脹到1 千 8 百萬，他們都需要通過以上海為中心的交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行活動(dòng)?？焖僭鲩L(zhǎng)的人流很快將現(xiàn)有的交通容量推至極限。上海再次領(lǐng)域突破原有思維，將所有的運(yùn)輸方式融合起來，最終打造成全球最大的綜合交通樞紐虹橋綜合交通樞紐。讓我們通過Discovery 頻道的鏡頭共同了解這一“建筑奇觀”（注：探索頻道紀(jì)錄片系列名稱）。圖 1 虹橋樞紐鳥瞰圖上海虹橋綜合交通樞紐始建于2006 年，于2010 年啟用并成功服務(wù)當(dāng)年的世博會(huì)。該交通樞紐位于上海閔行區(qū)北部，內(nèi)有虹橋機(jī)場(chǎng)

2、二號(hào)航站樓、虹橋鐵路車站、 長(zhǎng)途客車總站、地鐵 2 號(hào)線和機(jī)場(chǎng)， 這足以滿足1 百萬人在七種交通工具之間的切換，這項(xiàng)激進(jìn)的工程背后也面臨著諸多技術(shù)上的挑戰(zhàn)。中國(guó) 1/4 的人口居住在上海周邊的區(qū)域，和其他城市一樣，火車站、公交車、地鐵站和機(jī)場(chǎng)四散在城市周圍，要縮短他們之間的距離需要一些革命性的設(shè)計(jì)將所有路線都納入一棟建筑中，也就是綜合交通樞紐。按照之前的交通布局， 搭乘出租車從機(jī)場(chǎng)到火車站要耗時(shí)1 小時(shí)，現(xiàn)在則只需步行5 分鐘，這個(gè)概念很好理解，但實(shí)施起來卻不那么簡(jiǎn)單。圖2 堆疊式建筑1 如何將立體交通系統(tǒng)融入一棟建筑中？工程師面臨的首要挑戰(zhàn)是如何將其中不同的運(yùn)輸方式規(guī)劃進(jìn)一棟建筑內(nèi)。 如果按

3、照傳統(tǒng)的方式設(shè)計(jì)，該交通樞紐的主體建筑將延伸 6 公里長(zhǎng)， 走完全程要花費(fèi)1 個(gè)小時(shí)， 他們給出的方案是多層堆疊式（圖2）。將樞紐站的每個(gè)部分拆分開，再根據(jù)功能型的不同進(jìn)行疊加， 從地下到地上一共6 層，高 43 米（共 72 米高），這樣就能將整個(gè)建筑縮短到2 公里?？此坪?jiǎn)潔的主體建筑大有玄機(jī)，其中包含有20 條火車線路和5 條地鐵線，要用去8 萬噸鋼鐵（北京鳥巢體育館用鋼量的2 倍）。堆疊式建筑的問題是要將很大的重量壓在較小的范圍上，這對(duì)地基造成了極大的壓力，雪上加霜的是建筑下面是古代河床，地面潮軟并充滿了淤泥。解決方法是建造一個(gè)巨大的基座，工人們要將樁基打到80 米深的地方。工程師發(fā)現(xiàn)土

4、壤中水分會(huì)對(duì)樁基的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，漂浮的建筑物會(huì)拉扯樁基，迫使它延伸并降低樁基的強(qiáng)度，加上列車停站時(shí)帶來的水平力，會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。工程師們?yōu)榱私鉀Q這個(gè)問題，為每個(gè)樁基的柱子中間加入鋼圈（圖3），鋼圈中再加入鋼條。在工程師們艱苦的作業(yè)下，僅用 17 個(gè)月便完成了車站的主體結(jié)構(gòu)。圖3 樁基內(nèi)部示意圖 2、如何將樞紐站無縫鏈接城市道路系統(tǒng)？主體結(jié)構(gòu)的完工只是萬里長(zhǎng)征的一地步，工程師們接下來的任務(wù)就是將樞紐站無縫融入城市道路系統(tǒng)。擁擠的交通（尤其是早晚高峰期）早已成為上海市的常態(tài)， 這也是交通系統(tǒng)工程師面臨的最大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的道路設(shè)計(jì)遠(yuǎn)不敷虹橋樞紐的使用。交通堵塞一般發(fā)生在十字路口，傳統(tǒng)的應(yīng)對(duì)方

5、式就是信號(hào)燈，工程師決定避開這一選擇，而是采用單行高架橋（圖4）的設(shè)計(jì)，路面寬度達(dá)到50 米，并環(huán)繞整個(gè)樞紐站。道路系統(tǒng)由4 條封閉的環(huán)形道路構(gòu)成，1 條來自北方， 1 條來自南方， 2 條來自西方。圖4 視頻截圖環(huán)形道路工程3、如何解決樞紐站的擁堵問題？想象一下，2 輛車從北方環(huán)形道路進(jìn)入 （圖5），他們隨著目的地不同而分開，1 號(hào)車前往火車站，2 號(hào)車前往機(jī)場(chǎng)。當(dāng)車輛離開時(shí)，他們?cè)俣葏R合離開樞紐站。其他方向來的車輛也是按照同樣的原理運(yùn)行。系統(tǒng)的高明之處在于每條環(huán)形的道路都是完全獨(dú)立的， 不出意外的話車輛在每條道路的時(shí)速可以穩(wěn)定在50 公里。高架橋的樁基總長(zhǎng)達(dá)到了100 米，即便如此整個(gè)道路

6、系統(tǒng)預(yù)計(jì)在使用期間會(huì)下沉 5 毫米，看似不起眼的數(shù)字卻會(huì)給計(jì)劃中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)帶來麻煩。 新道路系統(tǒng)需要和樞紐站南段已有 9 年歷史的老公路相連，此道路已達(dá)到了下沉距離極限。新老公路交匯后，下沉的新道路會(huì)給傳統(tǒng)道路帶來過多的壓力，這將遭到嚴(yán)重破損（圖 6）。在道路系統(tǒng)完工前，他們必須找到能吸收下沉力量的新路面。新路面需要和傳統(tǒng)路面一樣的堅(jiān)硬，但不能像瀝青一樣容易斷裂而是必須能夠彎曲。 工程師發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)材料中受限的因素在于黑焦油，純度為一百的樣本在延展機(jī)上在5 厘米處便被拉斷。 最終工程師將廢舊的橡膠添加進(jìn)入焦油的混合物中，通過不同的測(cè)試配比，工程師終于在 4 個(gè)月后找到了完美的結(jié)合點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示達(dá)

7、到了延展性和強(qiáng)度的雙重優(yōu)點(diǎn)，混合物在30 厘米處被拉斷。這種能彎曲的超強(qiáng)材料（圖 7），彈性足以抵消5 毫米的高度差，強(qiáng)度也能滿足這座超級(jí)樞紐站的忙碌交通。圖5 兩輛車根據(jù)目的地的不同從分開到匯合圖 6 新老道路交匯處圖7 視頻截圖 能彎曲的超強(qiáng)材料 4、飛機(jī)跑道和地鐵隧道如何同時(shí)施工？樞紐站位于上海虹橋機(jī)場(chǎng)跑道的附近，設(shè)計(jì)者為滿足新增流量要擴(kuò)建第二跑道，并新建45 個(gè)登機(jī)門的新航站樓。設(shè)計(jì)者面臨一個(gè)艱難的任務(wù)，在機(jī)場(chǎng)正常運(yùn)營(yíng)的前提下擴(kuò)建跑道 （圖 8）。他們唯一的選擇是在夜間工作，在沒有任何客機(jī)運(yùn)營(yíng)的時(shí)候開工， 整個(gè)跑道建設(shè)耗時(shí) 2 年半，不過全新的跑道卻和樞紐站的其他工程相沖突。 與此同時(shí)

8、地鐵工程師正在機(jī)場(chǎng)東邊建造地鐵 10 號(hào)線，工程的前期都沒有問題，直到在連接樞紐站的最后 2 公里處才出現(xiàn)。 地鐵線路要在跑道的正下方挖掘隧道，在任何情況下挖隧道都是很冒險(xiǎn)的行為， 因?yàn)樯戏降牡孛娑蓟蚨嗷蛏俚臅?huì)下沉，在機(jī)場(chǎng)下面挖隧道，危險(xiǎn)系數(shù)更高。如果機(jī)場(chǎng)跑道下沉了只有幾厘米， 也會(huì)造成更為嚴(yán)重的后果。 隧道專家解釋說，一般情況下這種路面預(yù)計(jì)會(huì)下沉4050 毫米，但是他們要保證沉降不超過 10 毫米。為避免意外發(fā)生，工程師使用高精度的儀器隨時(shí)監(jiān)控跑道，但是傳統(tǒng)的測(cè)量工具在這種環(huán)境下毫無用武之地，就像拿一根棍子站在每3 分鐘就有飛機(jī)降落的地方。工程師決定采用一部“全測(cè)站儀”的測(cè)量?jī)x器（圖9），這

9、種儀器會(huì)向目標(biāo)發(fā)射短的激光， 儀器會(huì)測(cè)量并接受反射所需的時(shí)間差再計(jì)算距離。儀器同時(shí)會(huì)測(cè)量光束的角度， 利用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)原理就能測(cè)出垂直高度的改變（圖 10），精密的儀器足以探測(cè)到一張名片厚度的變化，工程師在跑道旁放置兩部平行（圖11）的這種儀器自動(dòng)掃描跑道上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。圖 8 模擬圖片 正常運(yùn)營(yíng)的跑道下方挖掘地鐵隧道圖9 模擬圖片 工作中的“全測(cè)站儀”圖10 探測(cè)到地面高度變化圖11模擬圖片 兩部探測(cè)儀器同時(shí)工作5、如何挖掘地鐵隧道？地上的問題解決了， 還有地下的工程地鐵系統(tǒng)， 現(xiàn)在早已不是人工挖掘的時(shí)代了，接下來就是土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)（圖 12）華麗麗的登場(chǎng)了。盾構(gòu)機(jī)每次只能挖一小段隧道， 然后在

10、隧道墻上鋪設(shè)預(yù)制的嵌板，不過它會(huì)在隧道墻面和水泥套筒間留下 3 厘米的間隙。 如果地面因?yàn)樘钛a(bǔ)這個(gè)空隙而下沉， 上面的跑道就會(huì)遭受重創(chuàng)。 工程師要加注水泥以填補(bǔ)縫隙， 當(dāng)?shù)貝毫拥刭|(zhì)的環(huán)境又給工程師們帶來了麻煩，原有的快干水泥滿足不了需求。 工程師決定添加特殊材料以應(yīng)對(duì)這種特殊環(huán)境。 工程師在隧道完工后， 又為跑道下沉等待了半年時(shí)間。檢查系統(tǒng)顯示，整個(gè)跑道僅下降了 6 毫米。圖 12 土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)6、虹橋樞紐站的環(huán)保設(shè)備毫無疑義，虹橋交通樞紐將成為上海市的“臉面”工程。如同這座城市， 工程的設(shè)計(jì)師想要他具備國(guó)際化的風(fēng)格和一流的服務(wù)體驗(yàn)。上海在夏天的氣溫能達(dá)到35 攝氏度，為了能給旅客舒適的環(huán)

11、境，樞紐站的工程師建造4 部巨大的空調(diào)系統(tǒng)，他們能使水冷卻并將水送到樞紐站調(diào)節(jié)溫度。這是一種節(jié)能的方式，卻帶來一個(gè)成本問題，因?yàn)闃屑~站過于龐大，系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)需要2 億 1 千 8 百萬升水， 這足以填滿1 百個(gè)奧運(yùn)游泳池，如果水源采自自來水需要耗資150 萬元。 工程師決定尋找更為廉價(jià)的水源，流經(jīng)此地的河水成為選擇之一，但是水質(zhì)污染嚴(yán)重，只能改善水質(zhì)之后才能使用。 工程師決定在陸地和河道中種植數(shù)種植物，依靠自然的力量?jī)艋础?他們?cè)诿繀^(qū)都種植不同的濕地植物，經(jīng)過 10 個(gè)月的實(shí)驗(yàn)，工程師發(fā)現(xiàn)在陸地上的植物中凈化效果比懸浮在河中的要好（圖 13）。生長(zhǎng)在植物根部的微生物能夠有效的分解有機(jī)的污染源

12、，根部本身能夠吸收氮和磷的污染源，水源經(jīng)過凈化后， 一部分送去做冷卻水， 一部分透過外部的循環(huán)回到水源系統(tǒng)中，這也改善了河道的水質(zhì)?？上У氖?，在寒冷的冬季，路上的植物區(qū)生長(zhǎng)受到抑制，雖然植物本身生長(zhǎng)狀態(tài)不好，但是根部仍能正常工作。 工程師將樣本帶入實(shí)驗(yàn)室，加入化學(xué)指示劑測(cè)試氮和磷的含量，最終的結(jié)果顯示指數(shù)完全達(dá)標(biāo)。圖13 用于凈化水源的植物 7、樞紐站如何解決智能化照明問題？為了節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)師采用許多玻璃盡可能地采用天然光線，然后加入15 萬組燈光在光線不佳時(shí)工作。 西門子成為整個(gè)智慧型照明系統(tǒng)的幕后關(guān)鍵，系統(tǒng)中控室控制了機(jī)場(chǎng)中的每個(gè)燈泡。 傳統(tǒng)的開關(guān)只能在認(rèn)為的操縱下開燈和關(guān)燈， 西門系提供

13、的燈光系統(tǒng)更為的智能化。 整個(gè)燈光系統(tǒng)分為兩個(gè)部分， 第一部分是和最新的出入境資訊相連接的照明時(shí)刻表，當(dāng)飛機(jī)即將降落或者起飛時(shí)， 該登機(jī)門的燈光會(huì)預(yù)先亮起并作準(zhǔn)備。當(dāng)光照效果好時(shí)，系統(tǒng)的第二部分就開始工作了，建筑中數(shù)百個(gè)感應(yīng)器（圖14）隨著自然光的亮度反應(yīng)，如果光線充足，即使時(shí)刻表顯示要燈亮起， 燈也不會(huì)亮。測(cè)試顯示這一套燈光系統(tǒng)卓有成效，整個(gè)系統(tǒng)價(jià)值 150 萬元，令人驚喜的是它 6 年剩下的錢就能與成本持平了。圖 14 探測(cè)自然光的感測(cè)器 8、終極測(cè)試路標(biāo)設(shè)置 （圖 15）的科學(xué)與否也是整個(gè)系統(tǒng)平順運(yùn)行的關(guān)鍵， 設(shè)計(jì)師認(rèn)為過多的路標(biāo)會(huì)干擾到旅客選擇， 所以他決定采用最少的指示牌數(shù)， 機(jī)場(chǎng)天花板的線條也會(huì)使乘客下意識(shí)的走向需要辦理的登機(jī)處。 這種極簡(jiǎn)的方式很冒險(xiǎn)，機(jī)場(chǎng)的管理者也持懷疑態(tài)度。跑道已經(jīng)完工，樞紐主體也已就緒， 系統(tǒng)在正式運(yùn)營(yíng)前還需要面對(duì)5 千名志愿者的終極挑戰(zhàn)，他們帶著假機(jī)票和假行李參與到測(cè)試當(dāng)中。為了提高難度系數(shù)，這些志愿者大多為學(xué)生，他們從未到過機(jī)場(chǎng)，在老師安排好“行程”之后，其余就要靠自己了。結(jié)果顯示志愿者們都很順利了抵達(dá)了目標(biāo)，測(cè)試也提早結(jié)束。圖15 地下一層的出站大廳此次測(cè)試也是遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)的“實(shí)戰(zhàn)演練”，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)由148 具攝像頭和20個(gè)監(jiān)控屏幕組成，監(jiān)控系統(tǒng)還能自動(dòng)偵測(cè)樞紐站的擁擠區(qū)域（圖16）。這個(gè)系統(tǒng)也分為