武漢光谷廣場地下交通綜合體設計創新與思考

熊朝輝， 周 兵， 何 叢

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063)

0 引言

隨著社會經濟發展，城市人口增多，城市規模擴大，交通成為城市可持續發展的重大挑戰。為解決城市交通問題，近年來各地紛紛發展綜合性交通樞紐，多種換乘方式集中在一個小區域，可有效提高換乘效率。

地下綜合交通樞紐是綜合交通樞紐中一種特殊的形式，各種功能主體都被設計在地下，不占用或占用少量的地表空間，具有與綜合交通樞紐相同的功能。我國城市交通樞紐建設因受土地資源及道路交通情況等條件制約,難以達到其應有的規模并實現其應有的功能，故應以大力開發地下空間為契機,建設地下客運交通樞紐,合理利用城市中心區現有地下空間資源,緩解地上道路資源供給的不足。

國內研究者對城市地下交通樞紐做了一些研究。文獻[1]對地下綜合交通樞紐的概念、功能、相對于綜合交通樞紐的發展優勢進行了詳細地闡述，并結合國內外典型案例，總結了地下綜合交通樞紐的發展經驗。文獻[2-6] 從大型地下綜合交通樞紐一體化規劃設計的內涵出發，闡述了首批建設的新型交通樞紐一體化設計中存在的問題，并對一體化交通系統、一體化綜合開發及城市空間融合等進行了論述，為類似工程設計提供借鑒。文獻[7-8]對城市地下軌道交通樞紐中的消防和排煙問題進行了分析和研究，提出該類建筑在防火分區設置及分隔方式、疏散設計以及煙氣控制系統等方面存在的消防設計難題，并提出了通過準安全區的設置解決安全疏散設計難題等方案。

目前國內對于地下綜合交通樞紐的研究還不夠系統，主要還局限在單一學科及領域的研究，尚無對于交通樞紐中的設計創新研究。如何在復雜邊界條件下，采用創新手段解決社會及工程問題是業內關注焦點。

本文基于武漢光谷廣場綜合體工程，結合周邊現狀條件，針對項目難點開展創新設計研究，分析相關設計對策，總結出特定條件下大型綜合交通樞紐采用的各項創新設計手段，以期為同類城市地下大型綜合交通樞紐設計提供解決思路和方法，具有一定的借鑒和參考意義。

1 項目背景

1.1 交通現狀

武漢光谷廣場建成于2001年，位于洪山區魯磨路、民族大道、虎泉街、珞喻西路、光谷街和珞喻東路等6條道路的交匯處，中央形成景觀性交通環島。交通環島周邊的商業開發快速發展，使得光谷廣場不但是重要的交通節點，更是成為國家級開發區——東湖高新區最重要的商圈，是集交通、人流集散、娛樂、休閑、居住、展示功能于一體的綜合性廣場。

隨著光谷城市副中心建設加快、商圈的進一步發展，光谷廣場無論是人流量還是車流量均出現爆炸式增長。既有道路及配套交通設施資源緊張，難以滿足和適應近遠期交通發展要求。整個區域內車行與慢行交通均存在巨大安全隱患。節假日期間光谷廣場交通環島周邊客流情況如圖1所示。光谷廣場交通環島俯視圖如圖2所示。

圖1節假日期間光谷廣場交通環島周邊客流情況

Fig. 1 Passenger flow at Optical Valley Square traffic around island square during holidays

1.2 項目規劃

為解決日益嚴峻的交通形式，規劃及相關部門決定延長軌道交通2號線，同時對光谷廣場交通樞紐進行全面升級建設。

圖2 光谷廣場交通環島俯視圖

光谷廣場區域規劃建設2條市政下穿隧道(分別沿珞喻路方向和魯磨路—民族大道方向)、3條軌道交通線路(2、9、11號線)以及地下公共空間。

樞紐工程通過3條地鐵線路、4座地鐵車站(含2號線南延線珞雄路站)相互連通疏導地鐵客流，通過2條市政隧道分離過境車流，并將地下空間整體連通，使行人及非機動車通行更加便捷，同時保留地面交通環島。光谷廣場地下交通規劃線路如圖3所示。

圖3 光谷廣場地下交通規劃線路

Fig. 3 Planned underground traffic lines of Optical Valley Square

2 方案構思及創新

2.1 客流預測

光谷廣場地處武漢東湖高新區與市中心城區交流的咽喉地帶，目前有超過30條公交汽車線路正常運營以及最高日客流量超30萬人次的地鐵2號線1期光谷廣場站與6條城市道路交匯。交通環島周邊商業成熟，相互間穿越日客流超過40萬人次，部分過街高峰客流超過6 000人次/h。遠期早高峰小時客流量預測見表1。

結合軌道交通2號線光谷廣場站客流情況可知，光谷廣場地下交通綜合體高峰小時軌道交通集散客流為80 890人次，進出站客流為42 454人次。

表1 遠期早高峰小時客流量預測

注： 數據來自武漢市規劃戰略發展研究院。

圖4示出軌道交通2號線1期光谷廣場站客流量為2萬人次/高峰小時的情況。而本工程遠期高峰小時預測有8萬人次。因此，如何妥善解決3條地鐵換乘與進出站客流、商業客流以及市政過街客流的交叉與對沖以及超大客流下環境的舒適性、人性化以及事故狀態下客流的快速疏散，對設計人員來說是一項嚴峻的挑戰。

圖4軌道交通2號線1期光谷廣場站客流量為2萬人次/高峰小時的情況

Fig. 4 Passenger flow at Optics Valley Square Station of Phase 1 of Rail Transit Line 2

2.2 設計理念

1)保證最優的交通功能，快進快出。由于該交通節點客流量巨大，樞紐容量面臨巨大壓力，因此方案設計的立足之處應為交通型節點，較少考慮商業，以快進快出為原則。3條線之間付費區內進出站客流、換乘客流以及非付費區內過街客流的流線組織為方案形成的核心要素。

2)打造便捷、美麗、舒適、節能的地下空間。光谷廣場自建成起已逐漸成為武漢市光谷地區重要的交通節點及城市名片。在結合規劃條件的前提下，光谷廣場交通綜合體地下空間的設計除改善擁堵的交通現狀、整合新的交通格局外，還應突破傳統地鐵站的設計模式及思想局限性，站在設計的制高點，以“便捷換乘、舒適空間環境、節能環保”為目標，旨在把光谷廣場綜合體打造為武漢光谷最亮麗的一道風景線。

2.3 原規劃方案及換乘設計創新

2.3.1 原規劃方案

原規劃設計該交通節點采用地下4層的地下空間。地下節點外輪廓采用直徑280 m的圓，中央環島直徑160 m，地面為綠化廣場。環島外，出入口采用下沉廣場的形式。原設計方案平面圖如圖5所示。地下1層為人行區域，南半部為地鐵用空間，北側考慮一定的物業開發； 地下2層為9、11號線共用站廳及9號線站臺和魯磨路隧道層； 地下3層為2號線南延線工程的區間隧道和珞喻路隧道層； 地下4層為11號線站臺層。原設計方案地下平面圖如圖6所示。

圖5 原設計方案平面圖

原規劃方案將3線換乘分解為1+2的布局，1為2號線車站，2為9、11號線的側換島形式。該方案存在的不足之處為： 1)地鐵9、11號線有效站臺區域位于光谷轉盤南側，難以達到對各象限均勻服務； 2)9號線采用側站臺形式，且站廳、站臺同層，不利于與2號線換乘； 3)2號線換乘11號線需通(穿)過9號線站臺層； 4)11號線站臺區域的乘客疏散不便，安全隱患大。

2.3.2 換乘設計創新

在地下空間受限制的情況下，3線換乘軌道交通車站難以處理兩兩線路之間的客流交叉影響問題，例如： 上海地鐵世紀大道站、武漢地鐵香港路站等雖然采用了部分平行換乘，但換乘與進出站客流的交叉始終困擾著軌道交通運營部門[9]。

方案研究起始階段，設計人員重點從2、9、11號線3座車站的平面布局關系入手，提出了多種平面布局組合方案，包括集中站位、分散站位、市政通道不引入和加深地鐵埋深等，通過探討和研究最后提出將9、11號線2條線路車站站臺從空間上分設于上下2層而將人行和換乘集散廳布設于中間層的方案，解決了困擾建設各方多時的流線問題，這也是本工程最為核心的技術創新所在。光谷廣場地下交通綜合體方案演變示意圖如圖7所示。光谷廣場地下交通綜合體最終方案空間結構示意圖如圖8所示。

(a)

(b)

Fig. 8 Space structure schematic diagram of final plan of Optical Valley Square underground traffic complex

3 重要設計創新

3.1 地下高架車站與快速疏散

常規地鐵車站往往是地下1層采用站廳，旅客進入付費區下至地下2層站臺乘車。當受到各種條件制約時，還有一種與之相反的布局，即乘客先下到地下2層，再從地下2層上到地下1層，一般將其稱為倒廳方案。

由于倒廳做法工程規模較大，與乘客出行流線及心理相矛盾，因此，在地鐵建設中極少使用。但在光谷廣場綜合體工程中，設計者創造性地將9號線站臺上抬至地下1層換乘大廳中，形成了站臺在上、站廳在下的“地下高架車站空間”，有效地解決了換乘流線、換乘廳空間被分隔的問題，如圖9所示； 同時，利用有利的條件，在9號線站臺上設置4組直通地面環島的疏散樓梯，確保事故工況下快速疏散人員。

在乘客流線及出行心理方面，通過營造大規模、大跨度、高凈空的地下換乘大廳以及導向標識的設置，盡量減少乘客產生先下后上的回頭路心理。

(a)

(b)

綜合體地下1層通高大廳與周邊地塊設置有小型開敞式下沉廣場銜接，并設置足夠運量的樓扶梯作為人行輸送設施，保證未來全日高峰40萬客流的進出和穿越。在此空間中，向上1層可達地鐵9號線站臺，向下可直達11號線站臺，同層向西與2號線1期既有光谷廣場站站廳付費區通道相通。

這種空間結構方式形成了一個貫通無阻隔的地下1層換乘大廳，使得客流的主流線較為通暢，大廳與各下沉廣場出入口直接相通，且內部無商業空間，達到人員快進快出、規避重大安全隱患的目的。

3.2 高凈空與大跨度空間

光谷廣場綜合體客流大、地下空間面積大、區域廣，采用高凈空、大跨度的空間結構方式可以營造良好的地下空間，對于改善環境、舒緩乘客心理等具有重要的意義[10]，同時有利于消防排煙和節省工程投資。

設計方案中，地下1層大廳結構凈高9～11.5 m，裝修吊頂后凈高8～10.5 m，同時對鋼筋混凝土箱形框架結構也進行了優化。由于工程主體輪廓呈圓形，柱網沿環向、徑向布置，框架柱跨一般為15.0 m，中央付費區最大柱跨近26 m。高凈空、大跨度空間結構使得地下空間品質、舒適度大大改善。9號線站臺與魯磨路隧道空間橫斷面示意圖如圖10所示。高凈空、大跨度空間設計效果見圖9。

圖109號線站臺與魯磨路隧道空間橫斷面示意圖

Fig. 10 Spatial cross-section diagram of platform of Line 9 and Lumo Road tunnel

3.3 大體量空間環境控制

光谷廣場綜合體地下1層公共區面積為3.4萬m2，地下空間凈高不小于8 m，空間體積約25.8萬m3，包括通高大廳、2號線換乘通道和9號線架空站臺。通高大廳、9號線軌行區和站臺上方設有條形采光帶，將采光帶作為自然排煙窗，火災時采用自然排煙方式。

該項目規模巨大，相當于10座標準地鐵車站體量，如何解決好防排煙問題、保障通風空調效果，是本工程設計的一項重要工作。經計算，為滿足車站內地下1層公共區防排煙及空調舒適度要求，光谷廣場綜合體要提供巨大的通風空調系統能力。光谷廣場地下交通綜合體與1座標準地鐵車站的相關參數對比見表2。

表2光谷廣場地下交通綜合體與1座標準地鐵車站的相關參數對比

Table 2 Comparison of related parameters between Optical Valley Square complex and standard metro station

工程項目總排煙量/(萬m3/h)空調總送風量/(萬m3/h)總冷負荷/kW光谷廣場綜合體207.0480.486 662標準地鐵車站20.709.00600

設計重點開展了2個方面的科研與創新： 1)復雜全地下高大空間火災自然排煙可行性驗證及排煙效率研究; 2)復雜全地下高大空間氣流組織優化研究。

3.3.1 復雜全地下高大空間火災自然排煙可行性驗證及排煙效率研究

設計人員利用火災模擬軟件FDS對光谷廣場綜合體地下1層高大空間火災煙氣運動特性進行了研究。模擬的前提條件： 排煙天窗面積取排煙區域建筑面積的5%，約為1 700 m2；吊頂鏤空率按照50%計算。通過模擬結果驗證了自然排煙的可行性，并提出了最佳裝修吊頂鏤空率。300 s和1 200 s時的煙氣蔓延分布示意圖如圖11所示。

(a) 300 s

(b) 1 200 s

Fig. 11 Nephagrams of smoke spreading distribution at 300 s and 1 200 s

經過多種工況模擬分析表明： 地下1層站廳中心處發生火災時，站廳和站臺人員高度處溫度、能見度均滿足人員安全疏散要求，煙氣能夠被有效排出。因此，可以證明光谷廣場綜合體地下1層采用自然排煙的方式是可行的。

3.3.2 復雜全地下高大空間氣流組織優化研究

設計采用CFD數值模擬技術對光谷廣場綜合體地下1層高大空間氣流組織進行了研究，主要分為以下2個部分：

1)送風溫度和送風速度的選定。通過模擬2種送風溫度(18 ℃和19 ℃)下地下空間的溫度場與速度場(如圖12所示)發現，其分布基本相似，降低送風溫度可以減少送風量，減小風機負擔，降低噪音，節省運行成本。因此，設計中選取送風溫度為18 ℃，送風速度為4.22 m/s。

2)通過對多個旋流風口送風特性進行模擬，驗證既有設計方案的有效性，進一步對地下1層高大空間的氣流組織進行優化。不同噴口間距情況下9號線站臺夾層下方溫度場如圖13所示。通高大廳旋流送風口間距不同時立面溫度場如圖14所示。

經過模擬分析可知，9號線站臺夾層下方噴口間距取6 m、通高大廳旋流送風口間距取7 m時通風空調設計滿足地下1層大廳環境控制要求。

(a) 送風溫度為18 ℃時立面溫度場(單位： ℃) (b) 送風溫度為19 ℃時立面溫度場(單位： ℃)

(c) 送風溫度為18 ℃時立面速度場(單位： m/s) (d) 送風溫度為19 ℃時立面速度場(單位： m/s)

圖12送風溫度為18℃和19℃時地下空間的溫度場和速度場

Fig. 12 Temperature field and velocity field of underground space when air supply temperature is 18 ℃ and 19 ℃

3.4 BIM技術的運用

本項目采用BIM技術進行了全專業協同設計，模型采用REVIT平臺軟件建立，碰撞檢查則采用NAVSWORK軟件。BIM協同設計專業結構示意圖如圖15所示。

本項目除了采用常規的三維設計進行建模與碰撞檢測之外，還基于BIM中心模型開發了BIM相關軟件與其他專業軟件(如客流仿真模擬、排煙氣流模擬等)的數據接口。

立足于BIM平臺，基于各項軟件接口，利用專業軟件對工程進行了換乘、緊急疏散等客流仿真模擬、地下1層大廳消防排煙模擬及地下1層大廳氣流組織模擬等多項輔助設計工作，驗證了樞紐換乘設計、消防疏散及排煙設計的可行性，切實發揮了BIM這一輔助設計工具的優勢。最終成果獲得了2017年中國勘察設計協會組織的第8屆“創新杯”建筑信息模型(BIM)應用大賽“最佳交通樞紐BIM”應用獎。

(a) 旋流送風口間距為8 m時的立面溫度場(單位： ℃) (b) 旋流送風口間距為8 m的立面速度場(單位： m/s)

(c) 旋流送風口間距為7 m時的立面溫度場(單位： ℃) (d) 旋流送風口間距為7 m的立面速度場(單位： m/s)

(e) 旋流送風口間距為6 m時的立面溫度場(單位： ℃) (f) 旋流送風口間距為6 m的立面速度場(單位： m/s)

圖15 BIM協同設計專業結構示意圖

Fig. 15 Professional structure diagram of BIM collaborative design

4 結論與思考

我國大城市人口眾多，交通節點處節假日期間擁堵嚴重，對于綜合交通樞紐工程特別是地下綜合交通樞紐工程，應始終以以人為本、快進快出、防范風險作為設計的第一理念。根據實際需要，光谷廣場交通樞紐綜合體地下工程產生了高凈空、大跨度的空間，從改善人流量特多的交通節點環境考慮，可一定程度上緩解乘客的心理壓力，同時利于消防和排煙。除此之外，在面臨復雜需求、設計難度大的情況下，本工程還進行了其他各項設計創新和探索，為國內同類地下交通樞紐工程提供一定的借鑒。

創新需要以問題解決、實際需求導向為驅動，為了創新而創新則會舍本逐末。創新的目的應為解決問題，當常規的設計手段和辦法無法應對復雜的環境和條件時，則必須進行創新，即運用新方法、新技術、新材料解決前所未遇的問題和困難。本工程在空間組織、消防排煙、大型地下空間環境的營造方面取得了豐富的成果。但受實際情況的制約，還有很多不足的地方，例如結構體系、環境控制模式、室內裝修材料等，需要進一步深化研究和分析，以完善同類大型地下樞紐工程的創新設計理念和方法。