本报 白莹

图为于家堡火车站钢结构穹顶支撑施工。 徐大志 摄

图为于家堡火车站鸟瞰效果图。

图为于家堡火车站钢结构穹顶施工现场。 本报佟一博 摄

图为于家堡火车站钢结构穹顶内部。徐大志 摄

图为于家堡火车站候车厅及夹层效果图。

汽车飞驰在天津市滨海新区于家堡金融区宽敞的马路上，不远处一个贝壳状的“庞然大物”吸引着人们的目光，那就是在建于家堡火车站。于家堡火车站的钢结构站房穹顶就像一枚镶嵌在渤海之滨的巨大贝壳，偎依在这个迄今为止全球规模最大的金融区怀中，轻衔着京津城际铁路，使该金融区实现与天津中心城区和北京及周边城市的互动发展。

在一阵颠簸之后，汽车驶入京津城际铁路延伸线于家堡站施工现场，巨大的贝壳状网格钢结构矗立在面前，外形颇为壮观。如此大型的异形网状钢结构是怎么竖立起来的？为什么要设计成这样？除了外形独特以外，它还有没有其他讲究？

据现场的工作人员介绍，这个巨大的 “贝壳”仅仅是于家堡火车站的 “大屋顶”。由铁道第三勘察设计院集团有限公司 （以下简称铁三院）总体设计的于家堡火车站地下还有两层，除高铁站外还有地铁站、出租车站、小客车停车场和地面公交站，是集多种交通方式于一体的大型综合交通枢纽，里面的装修也是很有说法的。为了一探究竟，在工地的食堂里，特意找到刚吃过午饭的铁三院于家堡站项目总工程师马瑾，请他来谈谈项目设计的独特之处和难点。

来之不易的首创

“根据我们目前检索的资料，于家堡站的这种异形单层网壳钢结构是全球最大的，在国内也是首创，这种编织方法非常少见。”马瑾说， “这个车站还是全国首批全地下火车站。于家堡站唯一露在地面上的就是这 ‘贝壳’穹顶，是大跨度空间、复杂曲线的网格结构，施工难度非常大，国内外没有工程实例可供参考。”

于家堡站的钢结构穹顶由36根正螺旋杆件与36根反螺旋杆件编织而成，为双曲面的单层钢结构体系，长跨143米，宽跨80米，矢高约24米，为目前跨度最大的异形网壳结构，南端穹顶角度较陡、弧度较大，北端呈平缓的曲面，造型新颖独特。2013年11月18日，于家堡站站房钢结构穹顶支撑成功卸载，标志着这座目前国内最大的全地下综合性交通枢纽钢结构工程主体封顶。钢结构穹顶支撑卸载是该项目施工中的一个重要环节，完成这一环节，这个大贝壳形建筑就丢掉了 “拐杖”，真正矗立起来。

“这个网壳钢结构支撑卸载后，中间就一根柱子也没有了，完全靠编织梁将整个钢结构撑住。这个设计的难度非常大，每一根梁都是双曲线的。我们最初的概念是把一个圆形网编织出来，然后平面拉伸成一个椭圆，吊住四周边缘将其悬挂，因为有重力，网格内部中间区域下沉形成一个曲面，再把这个曲面翻过来，扣在地面上，就形成目前这样一个外形。”马瑾取出一张车站穹顶的效果图，并用双手演示着。他说： “于家堡站项目设计受到全院从上到下的高度重视。因为这个穹顶钢结构设计难度特别大，又属于国内首创，没有可以借鉴的经验，所以为了确保万无一失，我们投入大量的人力，做了很多的研究工作，包括整个结构计算的模型选取，与科研机构、境内外公司合作进行相关实验等。我们设计院成立了由技术第一负责人、铁三院总工程师牵头组织的专家小组，专门对整个结构进行方案论证和讨论，为了这个方案，大家付出了巨大的努力。”

除此之外，在设计过程中，铁三院设计人员运用风洞实验及雪荷载数值模拟技术，确定了屋面风、雪荷载取值。在支座设计时，结合支座位于车站地下结构的顶板上的情形，铁三院还创新性地将支座设计成双支座的形式，避免了支座的抗大剪力的问题，并且具备了检修更换的条件。

细心到 “点”的方案

谈到如何实现前期设计好的钢结构这个话题，马瑾说： “首先我们设计时要把所有的、大约1000个网壳钢结构的节点坐标都确定好，然后将这些坐标提供给施工单位。”

“钢结构在搭建初期要依靠好多个支点将其撑起来。”马瑾强调， “设计时将每个节点的空间坐标确定好是非常关键的。拼装钢结构的初期，在一些关键的受力点上要有一根立柱进行支撑。钢结构在工厂被一片一片地加工出来，每一片在加工时都要控制好节点的坐标精度。在现场，施工单位要按照设计的坐标安放并设立支点支撑，然后把钢结构架到支点上一片一片地进行拼装。”

由于这个钢结构穹顶所有的重量都要由72根钢梁杆件来承受，所以设计人员精心设计把关。经过有关专家的9次论证后，他们最终决定采用“外围吊装，中部提升”的安装方案。他们首先进行底环梁和支座安装，然后进行底部散品区杆件和顶部提升区杆件的拼装，待提升区整体提升到设计标高后，再进行水平嵌补段——即过渡段的安装和横向、纵向合龙缝的合龙。

在施工过程中，支撑结构会分担许多重量，一旦卸载内部支撑，大约4000吨的重量将全部落到网状钢梁杆件上。为避免结构变形，技术人员将钢结构支撑卸载分为5区14级，并要求施工方按照指定的顺序进行卸载，每做完一个工序，技术人员都要分析监测数据，监控关键点的位移变化，以确保钢结构的稳定。

“由于热胀冷缩，钢结构的合龙施工是有温度要求的，不能太高也不能太低。在当初的结构计算中，我们会选取一个具体的理论温度值，在这个温度下对钢结构进行合龙和其支撑的拆卸，钢结构受温度的影响最小，产生的变形最小，卸载施工就能成功。”马瑾笑着说，“天津四季分明，钢结构的冬夏缩胀、受力变形也是我们要考虑的，施工一到冬天就停工了。钢结构在变形时，上下会有沉降，比如会有微小的隆起，这对钢结构杆件的内力会有影响。考虑到温度、应力的影响，我们在钢结构的设计中尽量使其对这些影响做到具有包容性。”

“时髦”实用的膜结构

大 “贝壳”钢结构穹顶的支撑完全卸载后，于家堡站就进入了内部装修和膜结构施工阶段。于家堡站采用了与国家奥林匹克游泳馆 “水立方”相同的透光性ETFE膜结构外墙与LOW-E玻璃组合的透明采光屋面，具有独特的视觉特点，整个建筑如同倒扣在绿化广场上的贝壳，结构形式新颖，技术含量高，在国内火车站站房中可以说是 “独一份”。

ETFE膜材是一种透明膜材，其抗剪切机械强度高，化学性能稳定，电绝缘性和耐辐照性能好，可循环利用。其质量只有相同面积玻璃质量的1%，透光率高达95%。该材料不阻挡紫外线等光的透射，能保证建筑内部的自然光线，并具有良好的保温性。ETFE膜材易清洗、易保养，通常雨水即可清除其表面上的主要污垢。LOW-E玻璃又称低辐射玻璃，是在玻璃表面镀上多层金属或其他化合物组成的膜系产品。其镀膜层具有对可见光高透过及对中远红外线高反射的特性，使其与普通玻璃及传统的建筑用镀膜玻璃相比，具有优异的隔热效果和良好的透光性。

“我们在选取屋面材料时有这样一种设计理念：于家堡站位于滨海新区，就像一个贝壳镶嵌在渤海之滨，贝壳与海洋相呼应，因此我们想用一种通透的材料，为地下空间的自然采光创造条件，从而响应国家节能减排的号召。我们也考虑过其他的几种材料，比如玻璃、阳光板等，并对这些材料进行了分析、比选，考虑到耐久性、自身重量、后期清洗维护等，最后还是选择了ETFE作为主要的屋面材料。当然，考虑到人为划伤等因素，我们在钢结构的第二节点以下部分采用了玻璃幕墙，天窗也使用了玻璃。因为从建筑效果上来讲，天窗部位使用ETFE膜的效果没有玻璃好。全通透的ETFE膜结构及玻璃的视觉效果确实不错，但受日光照射的影响，候车厅就会非常热，通过模拟计算，我们采用了镀点遮阳及彩釉玻璃等方案，在确保自然采光的情况下进行了遮阳设计。”马瑾说， “我们在设计时把地面，也就是负一层的顶板打开一个115米乘以60米的椭圆形开口，下面是候车厅，这样，候车厅也实现了自然采光。将自然光引入地下，改善了地下的空间效果。”

马瑾还说，同样考虑到了钢结构热胀冷缩的因素，屋面主要采用ETFE膜结构更好一些，因为相对玻璃来说，ETFE膜结构受温度影响进行伸缩时适应性更强。

膜结构的施工将于今年3、4月份开始，到时施工方还会对钢结构穹顶进行实际尺寸的测量。因为钢支撑在卸载后一段时间，每个节点都会发生微小的沉降，受力影响，膜结构的实际尺寸与设计尺寸会出现微小差别，经现场测量获得精确尺寸后，施工方才能开展膜结构装修。

“痛并快乐着”的创新之路

“难度非常大”是在采访于家堡站项目工程师时屡次听到的一句话，但更多的是 “很美” “非常漂亮” “我们是世界最大” “我们是国内首创”“我们努力” “我们很看重”这样的句子。在项目现场，看到了一张张坚定而欣慰的面孔。创造任何一个伟大的工程都不可能只有快乐， “痛并快乐着”才是创新的常态。

于家堡交通枢纽工程基坑深度约29米，整个基坑面积超过13万平方米，为超大、超深不规则形状基坑，且工程临近海河入海口，地质条件复杂，基坑设计复杂。站房地下结构受铁路站场及结构净高影响，需设置大跨度三联拱结构；受地面网壳结构影响，需设置型钢混凝土梁受力体系，设计难度大。地下铁路站房既有铁路站房特点，又有地铁的特点，目前由于国内尚无规范、规程、技术标准，也没有前期的工程经验可以参考，使环控系统、消防、客流组织等相关设计没有依据，设计难度也很大。地面站房造型复杂，无重复杆件，这对穹顶内装修及幕墙设计工作来说又是一项相当大的挑战，必须开展相应的科研项目对工程设计进行技术、理论支持。

针对这些问题，在项目的勘察设计过程中，铁三院开展了不规则超大基坑的施工实施组织方案设计、超大跨度地下结构的结构设计、车站室内环境设计、膜结构设计等多项技术攻关，为项目的顺利推进奠定了有力基础。

每当谈到大 “贝壳”，马瑾总是会弯起嘴角微笑： “装修方案经过长时间的比选，已经基本稳定了。我们的理念是要有现代感、风格明快，结合滨海新区靠近海洋的特色，于家堡站将以 ‘贝壳’景观展现在大家面前。站内以蓝色为母题；穹顶的网格每个都近似为菱形，太阳一照，网格投影在车站里就成为一个个菱形的影子，所以我们将地面分格设计为菱形。”马瑾介绍道， “候车厅围挡采用折板玻璃，阳光照射进来，玻璃上会闪现钻石一样的光芒，更能体现现代感，特别漂亮！我们将一层公共区域的地面设计成月牙形，这也是很别致的。如果按常规方形地砖铺设，不但会影响美观，还会形成大量浪费。我们配合网格投影下来的菱形，采用水磨石对地面进行铺设，水磨石现场磨制，不但好看，而且避免了石材的切割浪费，真正做到了节约环保。”

助力滨海发展的新地标

在国家相关战略发展规划中，滨海新区规划以于家堡地区为商务核心区，引领滨海新区的发展。未来的于家堡将以于家堡站交通枢纽为依托，发展以商业、商务办公为核心的现代服务业，成为天津市滨海新区核心商务区，辐射整个滨海新区。在京津城际铁路的延伸线上，于家堡站将成为滨海新区连接天津市区、北京以及周边地区的主要辅助客运车站之一。

由铁三院设计的于家堡交通枢纽是集城际铁路、城市轨道交通、公交、出租车和其他交通方式于一身的大型综合枢纽。滨海新区轨道交通网中的骨干线1号线，连接滨海新区和市区的市域快线Z1线，连接中心生态城和于家堡的市域快线Z4线，沟通滨海新区与天津、北京及环渤海京津冀地区其他城市的京津城际铁路延伸线等4条轨道交通聚集于此。于家堡交通枢纽的建成将增加旅客出行的交通选择。此外，轨道交通与地面交通实施了统一规划和建设，使得各种交通方式可以顺利实现零换乘，不仅方便了旅客，而且也完善了滨海新区客运交通网络，提升了滨海新区基础设施服务水平。

“我们也考虑过地面站和高架站，但是考虑到于家堡中心商务区的要求，避免铁路对城市中心区的分隔，铁路车站设于地下，地下二层为站台层，地下一层为候车厅层，地面设置地面站房，为入口大厅。这样车站和轨道线路就不会对地面道路和城市居民的生活造成影响。”马瑾说， “于家堡交通枢纽总建筑面积达27万平方米以上，国铁站房86200平方米，配套市政工程将近19万平方米。”

美丽的大 “贝壳”矗立在渤海之滨，将大大地缓解于家堡地区甚至整个滨海新区的地面交通压力，对滨海新区轨道交通网具有很好的完善和稳固作用。该项目的建成，将完善滨海新区的基础设施建设，加强滨海新区与周边地区的联系，促进滨海新区的经济发展，可谓 “滨海一宝”。

于家堡站建成后，从这里到北京仅需45分钟左右。正在崛起的于家堡，这个规划中集金融办公、商业服务、配套公寓、文化娱乐、休闲旅游等功能于一体的国家级金融商务中心，这个为高级商务人士提供人文亲和、生态宜居环境的低碳绿色生态区域，必将 “引得凤凰入新巢”，为推动天津滨海新区乃至我国东部沿海的发展添上浓墨重彩的一笔！

本版图片除署名外均由铁三院提供