城市轨道交通车站结构优化设计

引言

近年来，随着城市规模的持续扩大与公共交通需求的快速增长，城市轨道交通建设进入了前所未有的发展阶段。作为轨道交通线路中的重要节点设施，车站不仅承担着乘客集散、运营组织与线路转换等功能，还需满足城市整体规划布局与空间环境协调的要求。城市轨道交通车站结构的设计与优化，不仅要应对空间受限、地下水丰富、周边建筑复杂等地质与环境因素的挑战，还需兼顾结构安全、施工效率、投资控制与后期运营等多重目标。传统的车站结构设计多以满足规范要求为导向，在工程实践中常面临结构布置僵化、材料利用率低、施工干扰大、运营维护困难等问题，已难以满足当下城市轨道交通系统对高效、安全、智能与绿色建造的综合需求。

一、城市轨道交通车站结构形式选择与布置优化是结构优化设计的首要环节，不同类型的车站结构在功能组织、施工条件、受力体系和地质适应性上具有显著差异。

目前常见的城市轨道交通车站结构形式主要包括明挖框架结构、盖挖逆作结构、暗挖拱形结构与冻结法配合竖井法等，每种结构类型的选择需综合考虑地面交通疏解、施工环境、场地空间、土层稳定性及基坑围护条件等因素。明挖框架结构适用于地面空间宽裕、土质稳定地区，其施工工艺成熟、周期较短，但对地面交通影响大；盖挖逆作法则可在不完全破坏地面结构前提下完成主体结构施工，适合于城市中心区；而暗挖结构适用于场地受限、地层浅埋的区域，其施工对地面干扰小但施工难度与成本高。

二、结构抗震性能与地基适应性分析是城市轨道交通车站结构优化设计中的关键技术之一。

由于城市轨道交通车站多位于地下，受限于周边建构物与地质条件，其结构抗震设计需兼顾地震动输入多样性、结构构件受力复杂性与地基 - 结构相互作用特性。优化设计应采用动力时程分析、反应谱分析与推覆分析等多种方法对结构地震响应进行综合评估，并结合位移控制、延性设计与耗能构件设置等策略，提高结构在地震作用下的变形协调能力与破坏延缓能力。考虑到部分城市地处软土或液化敏感地区，地基沉降差异对结构稳定性的影响不可忽视。优化设计需在结构布置阶段充分考虑沉降差异的分布规律，通过基础类型选择（如桩基础、筏板基础、箱形基础）、结构冗余路径设计与沉降调节构造设置，增强结构对不均匀沉降的适应能力，防止结构连接部位开裂、梁柱变形集中等破坏模式的出现。同时，抗震缝设置与弹性支座布置等构造措施也可有效提高结构的消能减震性能与可修复性，为后期运营维护提供安全保障。

三、施工工艺与结构设计的协调优化是车站结构优化设计能否实现工程化应用的基础保障。

在城市轨道交通项目中，施工条件复杂、工期紧张、技术交叉密集，优化设计必须与施工方案高度协同，实现“设计即施工”的目标。首先，设计阶段需考虑施工过程的可实施性，包括施工设备进出条件、施工场地布设、作业空间限制与施工顺序控制等因素，避免出现“可设计而不可建”的现象。结构构件尺寸、节点形式与模板体系的标准化、模块化设计，可显著提升施工效率与装配精度，降低现场加工与调试工作量。同时，施工过程中的力学状态也需纳入结构设计之中，特别是在盖挖逆作与暗挖法中，结构需承担施工过程中的中间状态荷载，若忽略这些暂态荷载作用，可能造成构件过载或早期开裂等问题。

四、信息化手段与多目标优化方法在结构优化设计中的集成应用，已成为当前城市轨道交通工程的重要发展方向。

BIM 技术通过构建建筑与结构信息的三维数字模型，实现结构几何形态、材料属性、施工顺序与运营维护信息的集成表达，为设计方案的多方案对比、碰撞检测与施工模拟提供可视化平台。在结构优化设计中，可基于 BIM 平台进行参数化建模与优化迭代，结合遗传算法、粒子群优化等多目标优化算法，设定结构性能、造价控制、施工周期与环保指标等多维目标，寻找最优设计方案。同时，BIM 与有限元分析软件（如 ETABS、MIDAS、ANSYS）接口的打通，使得结构模型与力学分析无缝衔接，优化过程可在多次迭代中实时更新并调整设计参数。

五、典型案例分析与结构优化成果验证是确保优化设计有效性与实用性的关键环节。

通过对多个已建成或在建城市轨道交通车站的结构优化案例进行对比分析，可发现结构优化在降低工程造价、缩短施工周期、提升空间利用率与提高结构安全性能方面具有显著成效。例如某城市中心区地下三层岛式车站，在结构优化设计中将传统框架 - 剪力墙体系替换为钢 - 混组合结构，减轻了结构自重、缩短了施工周期，并通过模块化拼装技术提升了施工质量与现场效率。在另一城市交叉换乘车站的优化设计中，通过基于 BIM 的结构布置优化与施工工艺模拟，实现了结构布局合理化、机电安装集成化与施工干扰最小化，为复杂节点施工提供了精确指导。

结论

城市轨道交通车站结构优化设计是实现工程安全性、经济性与可持续性的重要手段。本文从结构形式选择、力学性能控制、施工工艺适应与信息化集成等方面，系统探讨了车站结构优化设计的理论基础、方法路径与实践应用。研究表明，优化设计不仅能够提升结构力学性能与施工效率，还可显著改善空间使用功能与后期运维质量。随着BIM、参数化建模与智能优化算法的不断发展，结构优化设计正逐步迈向智能化、集成化与全过程管理的新阶段。未来，应进一步推动结构优化设计的标准化与规范化，构建多专业协同设计平台，完善结构优化设计的评价体系与技术标准，为我国城市轨道交通工程建设高质量发展提供坚实支撑。

参考文献

[1] 李岱峰 , 范丽君 , 杨悌惠 . 国产化城市轨道交通信号安全系统 [J]. 中国铁路 ,2000,(06):27-29+5.DOI:10.19549/j.issn.1001-683x.2000.06.010.

[2] 胡基士 . 线性异步电机在城市轨道交通中的应用 [J]. 电力机车技术 ,2001,(01):1-3+6.DOI:10.16212/j.cnki.1672-1187.2001.01.001.

[3] 董丕灵 . 推动我国城市轨道交通的健康发展 [J]. 规划师 ,2002,(01):70-72.