全球最大的綜合交通樞紐虹橋綜合交通樞紐的故事

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?？焖僭鲩L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——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1小時，現(xiàn)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(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，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(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），這樣就能將整個建筑縮短到2公里?？此坪啙嵉闹黧w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(yè)下，僅用17個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，路面寬度達(dá)到50米，并環(huán)繞整個樞紐站。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，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(tǒng)的高明之處在于每條環(huán)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(wěn)定在50公里。高架橋的樁基總長達(dá)到了100米，即便如此整個道路系統(tǒng)預(yù)計在使用期間會下沉5毫米，看似不起眼的數(shù)字卻會給計劃中的關(guān)鍵節(jié)點帶來麻煩。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個月后找到了完美的結(jié)合點。實驗結(jié)果顯示達(dá)到了延展性和強(qiáng)度的雙重優(yōu)點，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施工？樞紐站位于上海虹橋機(jī)場跑道的附近，設(shè)計者為滿足新增流量要擴(kuò)建第二跑道，并新建45個登機(jī)門的新航站樓。設(shè)計者面臨一個艱難的任務(wù)，在機(jī)場正常運營的前提下擴(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)運營的時候開工，整個跑道建設(shè)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(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的行為，因為上方的地面都或多或少的會下沉，在機(jī)場下面挖隧道，危險系數(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(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。圖8模擬圖片正常運營的跑道下方挖掘地鐵隧道圖9模擬圖片工作中的“全測站儀”圖10探測到地面高度變化圖11模擬圖片兩部探測儀器同時工作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）華麗麗的登場了。盾構(gòu)機(jī)每次只能挖一小段隧道，然后在隧道墻上鋪設(shè)預(yù)制的嵌板，不過它會在隧道墻面和水泥套筒間留下3厘米的間隙。如果地面因為填補(bǔ)這個空隙而下沉，上面的跑道就會遭受重創(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間。檢查系統(tǒng)顯示，整個跑道僅下降了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)計師想要他具備國際化的風(fēng)格和一流的服務(wù)體驗。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)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，卻帶來一個成本問題，因為樞紐站過于龐大，系統(tǒng)的運營需要2億1千8百萬升水，這足以填滿1百個奧運游泳池，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，依靠自然的力量凈化水源。他們在每區(qū)都種植不同的濕地植物，經(jīng)過10個月的實驗，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）。生長在植物根部的微生物能夠有效的分解有機(jī)的污染源，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)生長受到抑制，雖然植物本身生長狀態(tài)不好，但是根部仍能正常工作。工程師將樣本帶入實驗室，加入化學(xué)指示劑測試氮和磷的含量，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工作。西門子成為整個智慧型照明系統(tǒng)的幕后關(guān)鍵，系統(tǒng)中控室控制了機(jī)場中的每個燈泡。傳統(tǒng)的開關(guān)只能在認(rèn)為的操縱下開燈和關(guān)燈，西門系提供的燈光系統(tǒng)更為的智能化。整個燈光系統(tǒng)分為兩個部分，第一部分是和最新的出入境資訊相連接的照明時刻表，當(dāng)飛機(jī)即將降落或者起飛時，該登機(jī)門的燈光會預(yù)先亮起并作準(zhǔn)備。當(dāng)光照效果好時，系統(tǒng)的第二部分就開始工作了，建筑中數(shù)百個感應(yīng)器（圖14）隨著自然光的亮度反應(yīng)，如果光線充足，即使時刻表顯示要燈亮起，燈也不會亮。測試顯示這一套燈光系統(tǒng)卓有成效，整個系統(tǒng)價值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探測自然光的感測器8、終極測試路標(biāo)設(shè)置（圖15）的科學(xué)與否也是整個系統(tǒng)平順運行的關(guān)鍵，設(shè)計師認(rèn)為過多的路標(biāo)會干擾到旅客選擇，所以他決定采用最少的指示牌數(shù)，機(jī)場天花板的線條也會使乘客下意識的走向需要辦理的登機(jī)處。這種極簡的方式很冒險，機(jī)場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)在正式運營前還需要面對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，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)，測試也提早結(jié)束。圖15地下一層的出站大廳此次測試也是遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)的“實戰(zhàn)演練”，整個監(jiān)控系統(tǒng)由148具攝像頭和20個監(jiān)控屏幕組成，監(jiān)控系統(tǒng)還能自動偵測樞紐站的擁擠區(qū)域（圖16）。這個系統(tǒng)也分為2個部分