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。快速增長的人流很快將現(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。該交通樞紐位于上海閔行區(qū)北部，內(nèi)有虹橋機(jī)場二號航站樓、虹橋鐵路車站、長途客車總站、地鐵2號線和機(jī)場，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，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。看似簡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)土壤中水分會對樁基的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，漂浮的建筑物會拉扯樁基，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)對方式就是信號燈，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號車前往火車站，2號車前往機(jī)場。當(dāng)車輛離開時(shí)，他們再度匯合離開樞紐站。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。高架橋的樁基總長達(dá)到了100米，即便如此整個(gè)道路系統(tǒng)預(yù)計(jì)在使用期間會下沉5毫米，看似不起眼的數(shù)字卻會給計(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)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)場正常運(yùn)營的前提下擴(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)地鐵工程師正在機(jī)場東邊建造地鐵10號線，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鲁粒跈C(jī)場下面挖隧道，危險(xiǎn)系數(shù)更高。如果機(jī)場跑道下沉了只有幾厘米，也會造成更為嚴(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)會下沉40~50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“全測站儀”的測量儀器（圖9），這種儀器會向目標(biāo)發(fā)射短的激光，儀器會測量并接受反射所需的時(shí)間差再計(jì)算距離。儀器同時(shí)會測量光束的角度，利用簡單的數(shù)學(xué)原理就能測出垂直高度的改變（圖10），精密的儀器足以探測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）的這種儀器自動掃描跑道上的監(jiān)測點(diǎn)。