虹桥交通枢纽（虹桥综合交通枢纽的故事）

新世代终极交通枢纽的秘密：上海虹桥交通枢纽站

上海是西方世界最初进入中国的门户型城市，周边区域的人口膨胀到1千8百万，他们都需要通过以上海为中心的交通网络进行活动。快速增长的人流很快将现有的交通容量推至极限。上海再次领域突破原有思维，将所有的运输方式融合起来，最终打造成全球最大的综合交通枢纽——虹桥综合交通枢纽。让我们通过《Discovery》频道的镜头共同了解这一“建筑奇观”（注：探索频道纪录片系列名称）。

图1 虹桥枢纽鸟瞰图

上海虹桥综合交通枢纽始建于2006年，于2010年启用并成功服务当年的世博会。该交通枢纽位于上海闵行区北部，内有虹桥机场二号航站楼、虹桥铁路车站、长途客车总站、地铁2号线和机场，这足以满足1百万人在七种交通工具之间的切换，这项激进的工程背后也面临着诸多技术上的挑战。中国1/4的人口居住在上海周边的区域，和其他城市一样，火车站、公交车、地铁站和机场四散在城市周围，要缩短他们之间的距离需要一些革命性的设计——将所有路线都纳入一栋建筑中，也就是综合交通枢纽。按照之前的交通布局，搭乘出租车从机场到火车站要耗时1小时，现在则只需步行5分钟，这个概念很好理解，但实施起来却不那么简单。

图2 堆叠式建筑

1 如何将立体交通系统融入一栋建筑中？

工程师面临的首要挑战是如何将其中不同的运输方式规划进一栋建筑内。如果按照传统的方式设计，该交通枢纽的主体建筑将延伸6公里长，走完全程要花费1个小时，他们给出的方案是——多层堆叠式（图2）。将枢纽站的每个部分拆分开，再根据功能型的不同进行叠加，从地下到地上一共6层，高43米（共72米高），这样就能将整个建筑缩短到2公里。看似简洁的主体建筑大有玄机，其中包含有20条火车线路和5条地铁线，要用去8万吨钢铁（北京鸟巢体育馆用钢量的2倍）。堆叠式建筑的问题是要将很大的重量压在较小的范围上，这对地基造成了极大的压力，雪上加霜的是建筑下面是古代河床，地面潮软并充满了淤泥。解决方法是建造一个巨大的基座，工人们要将桩基打到80米深的地方。工程师发现土壤中水分会对桩基的稳定性产生较大影响，漂浮的建筑物会拉扯桩基，迫使它延伸并降低桩基的强度，加上列车停站时带来的水平力，会产生灾难性的后果。工程师们为了解决这个问题，为每个桩基的柱子中间加入钢圈（图3），钢圈中再加入钢条。在工程师们艰苦的作业下，仅用17个月便完成了车站的主体结构。

图3 桩基内部示意图

2、如何将枢纽站无缝链接城市道路系统？

主体结构的完工只是万里长征的一地步，工程师们接下来的任务就是将枢纽站无缝融入城市道路系统。拥挤的交通（尤其是早晚高峰期）早已成为上海市的常态，这也是交通系统工程师面临的最大挑战，传统的道路设计远不敷虹桥枢纽的使用。交通堵塞一般发生在十字路口，传统的应对方式就是信号灯，工程师决定避开这一选择，而是采用单行高架桥（图4）的设计，路面宽度达到50米，并环绕整个枢纽站。道路系统由4条封闭的环形道路构成，1条来自北方，1条来自南方，2条来自西方。

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？

想象一下，2辆车从北方环形道路进入（图5），他们随着目的地不同而分开，1号车前往火车站，2号车前往机场。当车辆离开时，他们再度汇合离开枢纽站。其他方向来的车辆也是按照同样的原理运行。系统的高明之处在于每条环形的道路都是完全独立的，不出意外的话车辆在每条道路的时速可以稳定在50公里。高架桥的桩基总长达到了100米，即便如此整个道路系统预计在使用期间会下沉5毫米，看似不起眼的数字却会给计划中的关键节点带来麻烦。新道路系统需要和枢纽站南段已有9年历史的老公路相连，此道路已达到了下沉距离极限。新老公路交汇后，下沉的新道路会给传统道路带来过多的压力，这将遭到严重破损（图6）。在道路系统完工前，他们必须找到能吸收下沉力量的新路面。新路面需要和传统路面一样的坚硬，但不能像沥青一样容易断裂而是必须能够弯曲。工程师发现传统材料中受限的因素在于黑焦油，纯度为一百的样本在延展机上在5厘米处便被拉断。最终工程师将废旧的橡胶添加进入焦油的混合物中，通过不同的测试配比，工程师终于在4个月后找到了完美的结合点。实验结果显示达到了延展性和强度的双重优点，混合物在30厘米处被拉断。这种能弯曲的超强材料（图7），弹性足以抵消5毫米的高度差，强度也能满足这座超级枢纽站的忙碌交通。

图5 两辆车根据目的地的不同从分开到汇合

图6 新老道路交汇处

图7 视频截图 能弯曲的超强材料

4、飞机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的附近，设计者为满足新增流量要扩建第二跑道，并新建45个登机门的新航站楼。设计者面临一个艰难的任务，在机场正常运营的前提下扩建跑道（图8）。他们唯一的选择是在夜间工作，在没有任何客机运营的时候开工，整个跑道建设耗时2年半，不过全新的跑道却和枢纽站的其他工程相冲突。与此同时地铁工程师正在机场东边建造地铁10号线，工程的前期都没有问题，直到在连接枢纽站的最后2公里处才出现。地铁线路要在跑道的正下方挖掘隧道，在任何情况下挖隧道都是很冒险的行为，因为上方的地面都或多或少的会下沉，在机场下面挖隧道，危险系数更高。如果机场跑道下沉了只有几厘米，也会造成更为严重的后果。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，但是他们要保证沉降不超过10毫米。为避免意外发生，工程师使用高精度的仪器随时监控跑道，但是传统的测量工具在这种环境下毫无用武之地，就像拿一根棍子站在每3分钟就有飞机降落的地方。工程师决定采用一部“全测站仪”的测量仪器（图9），这种仪器会向目标发射短的激光，仪器会测量并接受反射所需的时间差再计算距离。仪器同时会测量光束的角度，利用简单的数学原理就能测出垂直高度的百思特网改变（图10），精密的仪器足以探测到一张名片厚度的变化，工程师在跑道旁放置两部平行（图11）的这种仪器自动扫描跑道上的监测点。

图8 模拟图片 正常运营的跑道下方挖掘地铁隧道

图9 模拟图片 工作中的“全测站仪”

图10 探测到地面高度变化

图11 模拟图片 两部探测仪器同时工作

5、如何挖掘地铁隧道？

地上的问题解决了，还有地下的工程——地铁系统，现在早已不是人工挖掘的时代了，接下来就是土压平衡式盾构机（图12）华丽丽的登场了。盾构机每次只能挖一小段隧道，然后在隧道墙上铺设预制的嵌板，不过它会在隧道墙面和水泥套筒间留下3厘米的间隙。如果地面因为填补这个空隙而下沉，上面的跑道就会遭受重创。工程师要加注水泥以填补缝隙，当地恶劣地质的环境又给工程师们带来了麻烦，原有的快干水泥满足不了需求。工程师决定添加特殊材料以应对这种特殊环境。工程师在隧道完工后，又为跑道下沉等待了半年时间。检查系统显示，整个跑道仅下降了6毫米。

图12 土压平衡式盾构机

6、虹桥枢纽站的环保设备

毫无疑义，虹桥交通枢纽将成为上海市的“脸面”工程。如同这座城市，工程的设计师想要他具备国际化的风格和一流的服务体验。上海在夏天的气温能达到35摄氏度，为了能给旅客舒适的环境，枢纽站的工程师建造4部巨大的空调系统，他们能使水冷却并将水送到枢纽站调节温度。这是一种节能的方式，却带来一个成本问题，因为枢纽站过于庞大，系统的运营需要2亿1千8百万升水，这足以填满1百个奥运游泳池，如果水源采自自来水需要耗资150万元。工程师决定寻找更为廉价的水源，流经此地的河水成为选择之一，但是水质污染严重，只能改善水质之后才能使用。工程师决定在陆地和河道中种植数种植物，依靠自然的力量净化水源。他们在每区都种植不同的湿地植物，经过10个月的实验，工程师发现在陆地上的植物中净化效果比悬浮在河中的要好（图13）。生长在植物根部的微生物能够有效的分解有机的污染源，根部本身能够吸收氮和磷的污染源，水源经过净化后，一部分送去做冷却水，一部分透过外部的循环回到水源系统中，这也改善了河道的水质。可惜的是，在寒冷的冬季，路上的植物区生长受到抑制，虽然植物本身生长状态不好，但是根部仍能正常工作。工程师将样本带入实验室，加入化学指示剂测试氮和磷的含量，最终的结果显示指数完全达标。

图13 用于净化水源的植物

7、枢纽站如何解决智能化照明问题？

为了节能环保设计师采用许多玻璃尽可能地采用天然光线，然后加入15万组灯光在光线不佳时工作。西门子成为整个智慧型照明系统的幕后关键，系统中控室控制了机场中的每个灯泡。传统的开关只能在认为的操纵下开灯和关灯，西门系提供的灯光系统更为的智能化。整个灯光系统分为两个部分，第一部分是和最新的出入境资讯相连接的照明时刻表，当飞机即将降落或者起飞时，该登机门的灯光会预先亮起并作准备。当光照效果好时，系统的第二部分就开始工作了，建筑中数百个感应器（图14）随着自然光的亮度反应，如果光线充足，即使时刻表显示要灯亮起，灯也不会亮。测试显示这一套灯光系统卓有成效，整个系统价值150万元，令人惊喜的是它6年剩下的钱就能与成本持平了。

图14 探测自然光的感测器

8、终极测试

路标设置（图15）的科学与否也是整个系统平顺运行的关键，设计师认为过多的路标会干扰到旅客选择，所以他决定采用最少的指示牌数，机场天花板的线条也会使乘客下意识的走向需要办理的登机处。这种极简的方式很冒险，机场的管理者也持怀疑态度。跑道已经完工，枢纽主体也已就绪，系统在正式运营前还需要面对5千名志愿者的终极挑战，他们带着假机票和假行李参与到测试当中。为了提高难度系数，这些志愿者大多为学生，他们从未到过机场，在老师安排好“行程”之后，其余就要靠自己了。结果显示志愿者们都很顺利了抵达百思特网了目标，测试也提早结束。

图15地下一层的出站大厅

此次测试也是远端监控系统的“实战演练”，整个监控系统由148具摄像头和20个监控屏幕组成，监控系统还能自动侦测枢纽站的拥挤区域（图16）。这个系统也分为2个部分，第一部分测量人潮在屏幕上所占的百分比，如果超过80%，控制主管的屏幕上就会亮起警报，他也可以操控枢纽站的告示牌予以改变，并引导人流走其他通道。

图16 可以检测拥挤状态的监控系统

最初设计为了迎接2010年世博会的上百思特网海虹桥交通枢纽以安全运营4年了，按照规划设计，受益的不仅是上海市，周边的城镇亦受此利好。从更宽泛的角度看，虹桥站更是连接了中国经济高度发展的区域（长三角），这也是上海成为金融中心的一个重要砝码。

虹桥火车站候车大厅