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入中國的門戶型城市，周邊區域的人口膨脹到1千8百萬，他們都需要通過以上海為中心的交通網絡進行活動。快速增長的人流很快將現有的交通容量推至極限。上海再次領域突破原有思維，將所有的運輸方式融合起來，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年啟用并成功服務當年的世博會。該交通樞紐位于上海閔行區北部，內有虹橋機場二號航站樓、虹橋鐵路車站、長途客車總站、地鐵2號線和機場，這足以滿足1百萬人在七種交通工具之間的切換，這項激進的工程背后也面臨著諸多技術上的挑戰。中國1/4的人口居住在上海周邊的區域，和其他城市一樣，火車站、公交車、地鐵站和機場四散在城市周圍，要縮短他們之間的距離需要一些革命性的設計——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，搭乘出租車從機場到火車站要耗時1小時，現在則只需步行5分鐘，這個概念很好理解，但實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融入一棟建筑中？

工程師面臨的首要挑戰是如何將其中不同的運輸方式規劃進一棟建筑內。如果按照傳統的方式設計，該交通樞紐的主體建筑將延伸6公里長，走完全程要花費1個小時，他們給出的方案是——多層堆疊式（圖2）。將樞紐站的每個部分拆分開，再根據功能型的不同進行疊加，從地下到地上一共6層，高43米（共72米高），這樣就能將整個建筑縮短到2公里。看似簡潔的主體建筑大有玄機，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巨大的基座，工人們要將樁基打到80米深的地方。工程師發現土壤中水分會對樁基的穩定性產生較大影響，漂浮的建筑物會拉扯樁基，迫使它延伸并降低樁基的強度，加上列車停站時帶來的水平力，會產生災難性的后果。工程師們為了解決這個問題，為每個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下，僅用17個月便完成了車站的主體結構。

圖3 樁基內部示意圖

2、如何將樞紐站無縫鏈接城市道路系統？

主體結構的完工只是萬里長征的一地步，工程師們接下來的任務就是將樞紐站無縫融入城市道路系統。擁擠的交通（尤其是早晚高峰期）早已成為上海市的常態，這也是交通系統工程師面臨的最大挑戰，傳統的道路設計遠不敷虹橋樞紐的使用。交通堵塞一般發生在十字路口，傳統的應對方式就是信號燈，工程師決定避開這一選擇，而是采用單行高架橋（圖4）的設計，路面寬度達到50米，并環繞整個樞紐站。道路系統由4條封閉的環形道路構成，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輛車從北方環形道路進入（圖5），他們隨著目的地不同而分開，1號車前往火車站，2號車前往機場。當車輛離開時，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行。系統的高明之處在于每條環形的道路都是完全獨立的，不出意外的話車輛在每條道路的時速可以穩定在50公里。高架橋的樁基總長達到了100米，即便如此整個道路系統預計在使用期間會下沉5毫米，看似不起眼的數字卻會給計劃中的關鍵節點帶來麻煩。新道路系統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道路帶來過多的壓力，這將遭到嚴重破損（圖6）。在道路系統完工前，他們必須找到能吸收下沉力量的新路面。新路面需要和傳統路面一樣的堅硬，但不能像瀝青一樣容易斷裂而是必須能夠彎曲。工程師發現傳統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上在5厘米處便被拉斷。最終工程師將廢舊的橡膠添加進入焦油的混合物中，通過不同的測試配比，工程師終于在4個月后找到了完美的結合點。實驗結果顯示達到了延展性和強度的雙重優點，混合物在30厘米處被拉斷。這種能彎曲的超強材料（圖7），彈性足以抵消5毫米的高度差，強度也能滿足這座超級樞紐站的忙碌交通。

圖5 兩輛車根據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 能彎曲的超強材料

4、飛機跑道和地鐵隧道如何同時施工？

樞紐站位于上海虹橋機場跑道的附近，設計者為滿足新增流量要擴建第二跑道，并新建45個登機門的新航站樓。設計者面臨一個艱難的任務，在機場正常運營的前提下擴建跑道（圖8）。他們唯一的選擇是在夜間工作，在沒有任何客機運營的時候開工，整個跑道建設耗時2年半，不過全新的跑道卻和樞紐站的其他工程相沖突。與此同時地鐵工程師正在機場東邊建造地鐵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。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的行為，因為上方的地面都或多或少的會下沉，在機場下面挖隧道，危險系數更高。如果機場跑道下沉了只有幾厘米，也會造成更為嚴重的后果。隧道專家解釋說，一般情況下這種路面預計會下沉40~50毫米，但是他們要保證沉降不超過10毫米。為避免意外發生，工程師使用高精度的儀器隨時監控跑道，但是傳統的測量工具在這種環境下毫無用武之地，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），這種儀器會向目標發射短的激光，儀器會測量并接受反射所需的時間差再計算距離。儀器同時會測量光束的角度，利用簡單的數學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測點。