1.2　设计概况

1.2.1　方案设计

1.背景

青岛北站由中铁二院工程集团有限责任公司（以下简称铁二院）、北京市建筑设计研究院有限公司（以下简称BIAD）和法国铁路集团AREP建筑设计公司（以下简称AREP）三家组成的设计联合体共同设计。其中，方案设计由联合体共同完成，AREP主要负责地上主体建筑与结构的初步设计，BIAD负责主体建筑与结构的施工图设计，铁二院负责地下部分的整体设计及地上机电各专业相关设计。

2.设计理念

（1）以人为本，贯彻铁路站房建设“功能性、先进性、系统性、文化性和经济性”的建设理念。

（2）针对不同客流需求建立以快速通过为主的旅客交通模式。青岛北站流线设计在满足普通候车式旅客活动模式的基础上，着重加强了客流的快速通过能力。针对不同的旅客需求建立“上进下出、下进下出”的立体站内交通流线，为旅客提供方便快捷的路线。

（3）公共空间的兼容可变性和应急能力。设计中将空间最大限度地留给公共空间面积，采用完整的大空间布局，为未来铁路的发展变化预留下良好的条件。车站具有足够的室内外空间以应对在春运、暑运和节假日等特殊时段客流高峰聚集的情况，提高车站应急能力。

（4）引入站房功能的多元化和城市化。主站房主要空间引入城市化、社会化功能，为旅客提供商业、休闲、休息等多种设施和服务。站房本身已不仅仅局限于交通功能，更成为城市生活的一部分。

（5）展翅腾飞是青岛北站设计的立意基础。青岛北站造型立意海鸥在海滨展翅飞翔，寓示青岛博大的胸怀和广阔的发展前景，突出了“海边的站房”这一得天独厚的环境条件，使交通建筑的空间塑造与自然环境浑然一体，完美地体现了人与自然和谐相处的城市特点，又以独特的建筑造型构成了青岛市的新地标，一座极具地域特征和视觉冲击力的交通建筑将为胶州湾海域增添活力。

3.规划设计

将青岛北站站房置于城市站前大道尽端上，紧邻大海。轴线上的城市广场、站前广场、站房、站房后的广场延续空间，构成完整的景观序列，青岛北站成为城市轴线的对景，它对称的体形也强化了这一城市空间关系。

针对地形特点，形成对称的站场交通、景观形态。站前广场结合城市交通分东、西两个广场，主广场设在站房东侧，解决城市方向来的旅客进出站；西广场设在胶州湾高速公路与车站之间，解决胶州湾高速公路方向来的旅客进出站，形成完善的进出站交通空间。

整个站区环境开阔，空间丰富且具有层次，为进站人群提供了舒适的集散休闲场所。站前广场及城市广场以自然生态为主题，对应远处的碧海蓝天形成绿色生态的站区环境。具有强烈引导性和流动性的广场景观绿化，融入站房空间，再渗透出来汇入大海，整个站房犹如展翅欲飞的海鸥，给人无限的遐想和视觉映像。

4.功能设计

青岛北站流线设计在满足传统候车式车站旅客活动模式的基础上，结合空间和平面布局，着重加强了客流的快速通过能力，充分考虑旅客的需求，进行功能流线的优化设计，创造舒适、优美、人性化的空间，为旅客提供细致入微的关爱，使车站成为功能完善、技术先进、经济合理、适应铁路发展和旅客需要的现代化交通建筑精品。

青岛北站为跨线式车站，全站设到发线18条（含正线2条、货线2条），有效长度按650m设计。车站两边最外侧各设一个基本站台，分别采用500m×15m×1.25m、450m×12m×1.25m，第二站台采用500m×12m×1.25m，其余5个中间站台采用450m×12m×1.25m。

主站房主要空间设计考虑了足够的场所来处理进、出站层的多种功能，并将城市化、社会化的概念引入站房功能。在进站广厅、候车区等公共空间中为旅客提供商业、餐饮、休息等多种设施和服务，满足不同层次旅客的不同需要。结合候车室布置室内绿化有效地改善了候车环境。站房本身已不仅仅局限于交通功能，更成为城市生活的一部分。

青岛北站建筑平面采取高架候车的形式，采用“上进下出”的旅客流线，将车站功能空间划分为地下出站层、地面站台层、高架候车层三个层面。

地下出站层主要由出站厅及出站通道组成，旅客由站台经自动扶梯下至地下出站厅，检票后进入出站通道。出站旅客可在出站通道选择直接上至东西站前广场、东站房广厅及站前平台、地铁站厅及各地面停车场，实现各种功能的综合连接。

地面站台层东西两端均设置有进站广厅、售票等客运用房。其中东端客运用房中部为进站广厅，广厅右侧设售票用房，左侧设商业用房，使广厅成为综合利用空间，旅客由广厅经自动扶梯可直接到达高架候车层。贵宾候车室设于广厅左侧，具有独立的出入口，并可通过专用垂直电梯上至高架候车层，经进站走廊跨线到达站台。

高架候车层中部为高架候车区，东端设置有少量客运管理及设备用房，并设置有餐厅；西端设置有面海观景区。候车区内采用玻璃隔断划分出普通候车区、母子候车区和软席候车区等，适当引入室内绿化及楼板局部开孔，形成丰富、舒适的候车空间。

餐厅、观景休闲区等配套商业服务设施的设置，在大大提升青岛北站候车空间品质的同时，也将海景车站的独特优势发挥到极致。

5.建筑方案设计

（1）地下一层

该层（相对标高为-10.500m）主要功能为铁路旅客到达的出站厅、综合换乘的大厅、地铁站厅、地下停车场，其平面图如图1-2所示。

出站厅为双柱三跨，中跨为城市通道，可连通站房东西广场及地下空间；两侧边跨为出站检票厅，铁路旅客从站台通过楼扶梯到达检票厅，检票后进入城市通道离站。

铁路设备管理用房设置于东西站房下方。

出站厅东侧为换乘大厅。换乘大厅东侧为地铁站厅，南侧为出租车停车场及公交换乘通道，北侧为社会车停车场及长途车换乘通道。铁路旅客出站后可通过换乘大厅选择地铁、出租车、社会车、长途车、公交车等多种交通方式进行换乘。

（2）站台层

站台层（相对标高为±0.000m）共8个站台，所有站台上均不设柱，所有雨棚及站房的结构柱均设于两条轨道的中央。每个站台均设两处进站楼扶梯，两处地下出站通道，以及两部连接高架候车层与站台层、站台层与出站大厅层的无障碍电梯。站台层平面图如图1-3所示。

西侧基本站台以外设置西站房，西站房中部为进站广厅和基本站台候车区，广厅内设置通向高架层的楼扶梯。西站房本层南侧为售票、工作人员办公区、卫生间，南侧夹层设置设备用房及信号专业用房；北侧为贵宾室、工作人员办公区、设备用房、卫生间，北侧夹层设置设备用房及信号专业用房。

东侧基本站台以外设置东站房，东站房中部为进站广厅和基本站台候车区，广厅内设置通向高架层的垂直交通。东站房本层北侧为售票、工作人员办公区、卫生间，北侧夹层设置设备用房及工作人员办公区；南侧为工作人员办公区、设备用房、卫生间以及3个贵宾候车室，南侧夹层设置设备用房及工作人员办公区。

本站共设4个贵宾候车室，其中3个贵宾候车室设于东站房，1个贵宾候车室设于西站房。

站台层南北两侧部分分别为无柱雨棚的覆盖区域。

（3）高架候车层

高架候车层（相对标高为9.000m）的高架于站台之上布置。候车区内可根据需要采用轻型隔断划分为软席候车区、无障碍候车区等。候车厅内布置两排玻璃服务单元。服务单元内设卫生间、吸烟区或商业设施等。结构主拱与地面相交处采用磨砂防火玻璃采光地面，以便给站台层引入更多的自然光线。候车厅东西两端除了作为乘客从广厅进入到候车区的过渡空间外，还布置了商业空间，在候车厅西侧靠近外立面幕墙处设置了相对标高为17.100m的观海夹层（即观景平台）作为集中的商业空间。高架候车层平面图如图1-4所示。

（4）剖面设计

车站剖面图如图1-5所示。站房屋面檐口最高点建筑高度为46.440m。

为保证站房地下一层大厅空间高度不低于4.5m，地下一层层高从站台面至地下一层地面为10.500m。设计考虑地下一层喷淋管线等按穿结构梁形式设计，主梁纵向布置，保证室内主要部分的室内净空。

站房首层室内地面比室外广场高0.3m，比站台面高0.15m。室内外采用斜坡连接，便于旅客通行。站台层层高9m。

（5）立面造型

立面造型如图1-6所示。“海鸥”建筑优美曲线的灵感来自于展翅飞翔的海鸥，给人以无限的遐想；整体造型富有动感又伸展飘逸，挺拔而富有张力，似一只海鸥振翅高飞，象征着青岛市经济文化的蓬勃发展；清新通透的建筑造型，独特的滨海建筑环境，不同于以往站房厚重严谨的立面造型风格，营造出浪漫的视觉形象，体现出“海边的新客站”这一独具魅力的空间主题。

6.结构方案设计

青岛北站结构体系复杂，地上两层（西边局部有第三层观景平台），地下两层（局部三层），地下通道结构与地铁结构接驳，实现无缝衔接与换乘。地上主体结构由主站房（包括屋盖、高架候车层、东西广厅）和两侧对称的站台无柱雨棚组成。主站房屋盖东西长约350m，南北宽约168～213m，为复杂的空间钢结构体系，拱形受力体系跨度为101.2～148.7m不等，最大悬挑约30m，每榀拱形受力体系通过几何单元的变化来模拟飞鸟展翅的姿态，拱形体系支座之间设预应力拉索，以平衡水平力。屋盖结构直接落地，其支承斜拱在9.000m标高处穿过高架候车层楼板，且与下部高架候车层结构为互相独立的结构单元。主站房高架候车层平面尺寸约为120m×205m，为由Y型柱和实腹工字形梁组成的钢框架体系。主站房两侧对称的站台无柱雨棚投影面积共约58000m2，采用平面管桁架拉索结构，最大跨度38.5m。

结构在施工及使用期间应具有足够的强度、刚度、稳定性及耐久性，应根据结构特点进行承载力、稳定性、疲劳、变形、抗裂或裂缝宽度验算，并满足耐久性要求与相关规范的规定。

结构设计基准期为50年，建筑结构的安全等级为一级。抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g；设计地震分组为第三组；场地类别为Ⅱ类；根据抗震设防专项审查专家意见和《山东省地震重点监视防御区管理办法》相关规定，在进行地震作用计算时将设防烈度由6度提高到7度（0.1g）。

“海鸥”形屋盖钢结构、高架候车层钢结构、东西广厅与观景平台结构等有关结构设计及分析内容参考第2篇。

1.2.2　方案调整与初步设计修改

1.屋盖方案调整变化

在方案设计过程中曾对站场线路进行过调整，考虑到本工程主站房结构的特殊性，建筑方案的改变如图1-7所示。

为适应建筑方案调整，结构单元需要重新进行布置，最后确认由原来8个拱单元组成的结构修改为现在10个拱单元的结构，如图1-8所示。拱单元间距的变化，使得结构抗侧力体系布置也发生了相应的变化，修改后侧向刚度要优于修改前，如图1-9所示。

2.无柱雨棚方案调整变化

根据站场线路的变化，结合建筑使用功能，无柱雨棚的设计方案经历了多次修改。其中最大的变化是结构体系由原有的柱顶斜拉索方案改为落地斜拉索方案，如图1-10所示。与此同时，结构的跨数、跨度也都进行了相应的调整。

随后在优化过程中，为了节省造价，将雨棚净高从13.5m下降为9m。但雨棚在按此高度施工至与主站房连接处的最后一跨时，考虑到雨棚檐口标高与站房檐口标高差距较大可能会导致飘雨现象的发生，于是将最后一跨起翘，如图1-11、图1-12所示。雨棚最终的设计平面图如图1-13所示。

1.2.3　抗震设防专项审查

1.超限情况

青岛北站主站房屋盖的建筑造型独特，结构型式复杂，属《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质〔2006〕220号）所列的超限结构类型。具体超限情况如下：

（1）属于特殊类型大型公共建筑。

（2）属于超限大跨空间结构：不计悬挑，屋面结构的单向长度约350m，大于300m。

（3）属于超限大跨空间结构：屋面结构的最大跨度为148.7m，大于120m。

2.针对措施

按国家行政许可和建设部令第111号要求，应进行抗震设防专项审查。考虑到青岛北站的重要性及超限的情形，在方案设计及初步设计时针对超限采取了特殊加强措施及计算分析，具体如下：

（1）结合建筑造型，采用立体拱架的结构型式，增加构件的轴向力效应，减少弯矩效应，充分利用材料。

（2）将结构纵向中部的四榀立体拱架，通过横梁两两共用的方式联系起来，加强了结构的纵向刚度。

（3）采用拱的结构型式，有效降低了结构的温度效应；在结构布置上，避免结构温度变形出现在一个方向。

（4）利用交叉索对拱下弦偏心的特点，优化交叉索的张拉顺序及张拉力，既保证了索在荷载组合下不退出工作，又优化了拱与横梁的内力分布。

（5）屋脊纵梁在室外（幕墙以外）区域不开洞，使此部分屋脊纵梁的刚度有所提高，边拱及其横梁的受力形态得到改善。

（6）增强屋脊纵梁与屋面交叉撑的联系，增强屋面的整体性。

（7）保证屋面所有构件满足中震弹性的要求，对不同的构件提出了不同的控制应力比。

（8）用MIDAS建立了整体模型，用SAP2000、ANSYS、ABAQUS建立了格构式整体模型，互相论证结果的正确性与合理性。

（9）进行了中震下的反应谱分析，并采用三组地震波（两组天然波，一组人工波）进行了时程分析，并对二者结果进行了对比。

（10）采用ABAQUS进行了动力弹塑性分析，评价结构在罕遇地震下的性能状态。

（11）进行了结构同时考虑材料非线性和几何非线性的双非线性屈曲分析。

（12）针对建筑的特殊性，对结构进行了防连续倒塌研究。

（13）对交叉索等重要节点进行了专门的有限元分析。

3.超限预审查及审查建议

在正式审查之前，为确保结构体系的安全，曾组织三次结构超限预审查：

（1）第一次超限预审查

2009年6月9日，由铁二院组织，在BIAD召开第一次超限预审查。与会专家听取汇报后，分别提出了自己的意见和建议，主要有以下几点：

1）主站房Y向（长轴方向）侧向刚度偏弱，建议增加此方向的抗侧力措施。

2）本工程主要受力构件大都为异形截面，且多伴有扭转内力，对于这种特殊截面我国规范没有相应的稳定系数求解方法，建议对这种截面的稳定系数和强度验算进行专门的分析研究，给出合理的依据并增加到报告当中。由于工程位于抗震区，设防烈度为6度，属乙类建筑，抗震措施应按7度设计，故截面应满足我国规范规定的构造要求，在需要的地方要加肋板。

3）罕遇地震动力时程分析只计算了以Y向为主的三向地震波输入（X：0.85，Y：1.0，Z：0.65），建议补充以X向为主的人工波（X：1.0，Y：0.85，Z：0.65）输入计算；报告中结构阻尼比的取值不明确，超限审查应该提供位移、剪重比和基底反力等结果，并应与规范反应谱进行对比。

4）只考虑弹性特征值屈曲不足以反映真实的稳定情况，建议考虑几何非线性的全过程稳定分析，宜进行同时考虑材料非线性和几何非线性的稳定分析。同时考虑双非线性时，安全系数K≥2.0。

5）V型撑的稳定性在报告中没有体现，建议对其进行非线性稳定分析以合理确定其计算长度。另外，V型撑的稳定性是靠索的预应力来保持的，钢索在不同的荷载工况下都应该处于受拉状态，如果钢索退出工作，那么钢支撑计算长度将发生改变，建议对索的预应力值确定一个目标，并量化体现在报告中。

6）本工程大量使用了预应力拉索，应该明确每根索中的预应力值是如何选取的，并考虑在施工全过程中索和主要受力构件的内力变化，建议补充详细的施工过程分析以及预应力张拉工序，而不仅仅是吊装方案。

7）关于抗震性能设计的加强措施和提高方面的考虑，最好能作详细描述。

8）两侧雨棚均有拉杆与V型撑连接，对V型撑的不利影响应该予以考虑。

9）防连续倒塌分析方面，建议对V型撑的失效情况进行补充考虑，防止这些关键构件的破坏而导致整体的连续倒塌。对于不允许失效的杆件或节点，应提出较高的设防标准。

10）提交超限审查的报告应该完整，不仅要包含上部钢结构部分的内容，下部基础结构、候车层结构等的相关设计资料都应该提供，计算书应与图纸相对应，并应提供各部位关键节点的构造大样；作为审查的一部分，工程所建场地的评价报告、地震安全性评价报告亦应提供，如果没有，也应该提供合理的依据。

11）拱脚下部基础采用拉索，其详细位置应该给出，并给出基础拉索的预应力值和分级张拉要求，建议该预应力值能够将上部结构100％自重作用下的推力平衡掉，另外基础承台的变形对结构的影响也应该有所考虑。

12）由于结构中索很多，有些离地面很近，索的防火、防腐技术目前还是个难题，因此对于钢索的防火、防腐问题应该采取必要的措施。

13）主拱是一种渐变截面，它的现场焊接、工厂加工工艺应该有充分的考虑和把握。

14）候车层结构超长，应有结构温度应力的分析，如果设置温度缝，温度缝构造应有详图大样，并与计算模型相一致。

15）风荷载的取值应表达清楚，风振系数和体型系数是按数值风洞的报告分块施加，还是统一取值，应表述清楚。

16）拱和拱脚节点对结构抗侧力具有关键作用，考虑到反恐和防火等方面的因素，应该提高拱和拱脚节点的性能标准（包括抗震、防火等），必要时可在截面内灌混凝土，并进行专门的抗火设计分析，对某些意外事件应采取应对措施。

（2）第二次超限预审查

2010年3月11日，青岛北站设计联合体（铁二院、AREP、BIAD）在BIAD召开第二次超限预审查。专家组结合此工程的具体特点及设计经验，对正式超限审查会议之前的工作提出以下建议：

1）应进行消防性能化研究。

2）应进行风洞试验。

3）补充基础图及相应的论述。

4）节点应至少做到“大震不屈服”。

5）大震参数按2010年版抗震规范取值。

6）考虑拱支座可能的水平变位对结构受力的影响。

7）考虑施工阶段温度变化对结构的影响。

8）应对结构的合龙温度提出要求。

9）考虑结构不均匀布置对结构的影响。

10）增加一种防止连续倒塌分析中构件失效的情形。

11）结构构件较薄，需要通过增加壁厚或设置加劲肋的方式予以增强。

12）设法增加拱的面外刚度。

（3）第三次超限预审查

2010年4月29日于青岛市，由山东省住宅和城乡建设厅主持召开论证会，即第三次超限预审查。与会专家审阅了相关设计文件、计算分析报告，经质询和讨论后，提出如下意见，请设计单位在下一步工作中完善：

1）抗震设防：按6度乙类建筑抗震设计，按7度0.1g的地震作用计算校核。

2）拱顶刚性连接，受力很大，要考虑各种不利因素作包络设计；拱脚的水平和转动刚度应进一步研究。

3）风荷载：不同风向角下风压和风振系数不同，风洞试验要直接提供屋盖和围护结构各部分的风压和风振系数；要考虑幕墙未全部完成的不利工况；要考虑台风的影响和幕墙局部破坏后对屋盖产生的负风压作用；对屋盖周边开洞后风荷载的折减应进一步研究，考虑不利工况。

4）立体拱架的空间作用十分重要，应采取有效措施予以保证。

5）预应力设计：索的预应力目标值与结构刚度和构件内力的关系、与V型撑的关系要解决，计算索的刚度时要考虑索的挠度，进行施工全过程的模拟设计。

6）主拱和横梁为组合梁构件，建议用全壳元模型校核，并满足局部稳定要求。

7）扭转效应比较明显，宜采取加强措施减小。

8）钢结构（包括拉索）应考虑防腐蚀、防火问题。

9）要考虑屋面超长产生的温度应力和变形对幕墙的影响。

4.正式审查及建议

2010年7月6日，由山东省住房和城乡建设厅主持，委托国家和地方专家组成专家组于北京进行正式的抗震设防专项审查。

专家组审阅有关勘察设计文件，经质询和讨论后认为：勘察设计文件满足专项审查要求，设防标准正确，针对结构超限所设定的性能目标合理。审查结论为：通过。

专家组提出如下建议，请设计单位修改补充和改进：

（1）拱顶脊梁和拱架、拱架和V型撑、边桁架和V型撑的节点为关键节点，应采取构造措施做到“强节点弱构件”。

（2）应建立部分拱架拉索失效后的第二道防线，防止连续倒塌。索的预应力要与内力分开计算。

（3）拱架、纵向落地V型撑等关键构件应确保在大震和局部偶然荷载作用下的承载能力及稳定。

（4）应考虑支座刚度退化对于结构变形和面外构件的影响。

（5）构件截面应满足稳定和延性设计要求，构件长细比和板件宽厚比宜按《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）相关要求复核。

（6）宜复核人字形拱架在静荷载单独作用下的极限承载力，纵向边桁架宜设计成空间桁架。

后续结构设计过程中，针对专家组提出的宝贵意见与建议，设计团队逐条进行了研究，且对专家意见进行了明确响应。

1.2.4　结构施工图设计

本工程施工图设计自2008年8月开始启动，各结构部位设计进展不一，中间因各种原因出现一些修改的情况，共提供了4版施工图，直到2013年3月设计工作基本全部完成，设计期间建筑方案几经大的变化与调整。

施工图设计主要内容包括：

1.主站房屋盖

（1）整体结构计算分析（考虑小震作用），风荷载依据风洞试验报告进行。

（2）中震与大震分析。

（3）稳定性分析：

1）整体稳定性分析（考虑几何非线性和材料非线性）。

2）局部稳定性分析：V型撑等。

（4）防连续倒塌补充分析。

（5）预应力分析。

（6）关键节点细部分析：

1）纵梁和主拱连接节点。

2）纵梁和横梁连接节点。

3）V型撑或索与主拱、横梁连接节点。

4）拱脚节点（含混凝土墩）。

（7）施工图绘制。

2.高架候车层

（1）整体结构计算分析。

（2）节点计算：

1）梁梁节点。

2）Y型钢柱与钢梁连接节点。

3）Y型钢柱柱脚与混凝土墩连接节点。

（3）次梁组合梁计算，组合楼板配筋计算。

（4）施工图绘制。

3.东西广厅及观景平台

（1）整体结构计算分析。

（2）节点计算与分析：

1）混凝土梁与钢管混凝土柱连接节点。

2）防屈曲支撑与混凝土梁连接节点。

（3）大跨观景平台及减振分析。

（4）施工图绘制。

4.幕墙钢结构

（1）整体结构计算分析。

（2）节点计算与分析：

1）三角形桁架柱与屋盖连接节点。

2）三角形桁架柱与楼（地）连接节点。

3）销轴连接节点。

4）预应力索梁体系。

（3）施工图绘制。

5.无柱雨棚

（1）整体结构计算分析。

（2）预应力分析。

（3）节点计算与分析：

1）横向主桁架与钢柱连接节点。

2）横向主桁架与钢柱连接节点（温度缝处）。

3）刚性支撑与钢柱连接节点。

4）桁架相贯节点。

（4）施工图绘制。

6.地下结构与地基基础

（1）地下通道整体结构计算分析。

（2）超长拉索承台计算分析。

（3）桩基承台计算分析。

（4）基坑计算分析。

（5）施工图绘制。

7.其他主要研究工作

（1）大跨钢结构风荷载效应。

（2）大跨钢结构抗火性能化设计研究。

（3）消能减振设计研究。

（4）预应力钢结构设计研究。

（5）结构试验研究（整体模型、异形节点、复杂截面及拉索抗火等）。

（6）大跨钢结构监测研究。