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》頻道的鏡頭共同瞭解這一“建築奇觀”（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於2006年，於2010年啟用併成功服務當年的世博會。該交通樞紐位於上海閔行區北部，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，這項激進的工程背後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築中，也就是綜合交通樞紐。按照之前的交通佈局，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，但實施起來卻不那麼簡單。
圖2 堆疊式建築
1 如何將立體交通系統融入一棟建築中？
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築內。如果按照傳統的方式設計，該交通樞紐的主體建築將延伸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），這樣就能將整個建築縮短到2公里。看似簡潔的主體建築大有玄機，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）。堆疊式建築的問題是要將很大的重量壓在較小的範圍上，這對地基造成了極大的壓力，雪上加霜的是建築下面是古代河床，地面潮軟並充滿了淤泥。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，漂浮的建築物會拉扯樁基，迫使它延伸並降低樁基的強度，加上列車停站時帶來的水平力，會產生災難性的後果。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，而是採用單行高架橋（圖4）的設計，路面寬度達到50米，並環繞整個樞紐站。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。系統的高明之處在於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年曆史的老公路相連，此道路已達到了下沉距離極限。新老公路交匯後，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於黑焦油，純度為一百的樣本在延展機上在5釐米處便被拉斷。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，工程師終於在4個月後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釐米處被拉斷。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？
樞紐站位於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，並新建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後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，危險係數更高。如果機場跑道下沉了只有幾釐米，也會造成更為嚴重的後果。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。工程師決定採用一部“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，儀器會測量並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。
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，現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機（圖12）華麗麗的登場了。盾構機每次只能挖一小段隧道，然後在隧道牆上鋪設預製的嵌板，不過它會在隧道牆面和水泥套筒間留下3釐米的間隙。如果地面因為填補這個空隙而下沉，上面的跑道就會遭受重創。工程師要加註水泥以填補縫隙，當地惡劣地質的環境又給工程師們帶來了麻煩，原有的快乾水泥滿足不了需求。工程師決定添加特殊材料以應對這種特殊環境。工程師在隧道完工後，又為跑道下沉等待了半年時間。檢查系統顯示，整個跑道僅下降了6毫米。
圖12 土壓平衡式盾構機
6、虹橋樞紐站的環保設備
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，工程的設計師想要他具備國際化的風格和一流的服務體驗。上海在夏天的氣溫能達到35攝氏度，為了能給旅客舒適的環境，樞紐站的工程師建造4部巨大的空調系統，他們能使水冷卻並將水送到樞紐站調節溫度。這是一種節能的方式，卻帶來一個成本問題，因為樞紐站過於龐大，系統的運營需要2億1千8百萬升水，這足以填滿1百個奧運游泳池，如果水源採自自來水需要耗資150萬元。工程師決定尋找更為廉價的水源，流經此地的河水成為選擇之一，但是水質汙染嚴重，只能改善水質之後才能使用。工程師決定在陸地和河道中種植數種植物，依靠自然的力量淨化水源。他們在每區都種植不同的溼地植物，經過10個月的實驗，工程師發現在陸地上的植物中淨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的汙染源，根部本身能夠吸收氮和磷的汙染源，水源經過淨化後，一部分送去做冷卻水，一部分透過外部的循環回到水源系統中，這也改善了河道的水質。可惜的是，在寒冷的冬季，路上的植物區生長受到抑制，雖然植物本身生長狀態不好，但是根部仍能正常工作。工程師將樣本帶入實驗室，加入化學指示劑測試氮和磷的含量，最終的結果顯示指數完全達標。
圖13 用於淨化水源的植物
7、樞紐站如何解決智能化照明問題？
為了節能環保設計師採用許多玻璃儘可能地採用天然光線，然後加入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的幕後關鍵，系統中控室控制了機場中的每個燈泡。傳統的開關只能在認為的操縱下開燈和關燈，西門系提供的燈光系統更為的智能化。整個燈光系統分為兩個部分，第一部分是和最新的出入境資訊相連接的照明時刻表，當飛機即將降落或者起飛時，該登機門的燈光會預先亮起並作準備。當光照效果好時，系統的第二部分就開始工作了，建築中數百個感應器（圖14）隨著自然光的亮度反應，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卓有成效，整個系統價值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
路標設置（圖15）的科學與否也是整個系統平順運行的關鍵，設計師認為過多的路標會干擾到旅客選擇，所以他決定採用最少的指示牌數，機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處。這種極簡的方式很冒險，機場的管理者也持懷疑態度。跑道已經完工，樞紐主體也已就緒，系統在正式運營前還需要面對5千名志願者的終極挑戰，他們帶著假機票和假行李參與到測試當中。為了提高難度係數，這些志願者大多為學生，他們從未到過機場，在老師安排好“行程”之後，其餘就要靠自己了。結果顯示志願者們都很順利了抵達了目標，測試也提早結束。
圖15地下一層的出站大廳
此次測試也是遠端監控系統的“實戰演練”，整個監控系統由148具攝像頭和20個監控屏幕組成，監控系統還能自動偵測樞紐站的擁擠區域（圖16）。這個系統也分為2個部分，第一部分測量人潮在屏幕上所佔的百分比，如果超過80%，控制主管的屏幕上就會亮起警報，他也可以操控樞紐站的告示牌予以改變，並引導人流走其他通道。
圖16 可以檢測擁擠狀態的監控系統
最初設計為了迎接2010年世博會的上海虹橋交通樞紐以安全運營4年了，按照規劃設計，受益的不僅是上海市，周邊的城鎮亦受此利好。從更寬泛的角度看，虹橋站更是連接了中國經濟高度發展的區域（長三角），這也是上海成為金融中心的一個重要砝碼。
虹橋火車站候車大廳
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