半装配式UHPC-钢筋混凝土地铁车站结构的设计优化与性能评估

缩小地铁车站为何重要

随着城市密度增加，我们不断向下开挖更大、更深的地下空间以容纳列车。更多空间有助于疏散人流，但代价也很明显：墙体更厚、施工周期更长、地面扰动增多，可用于商铺、设备间和乘客的有效空间减少。本研究探讨了一种新的车站构建方式，旨在在不牺牲安全性的前提下，使结构更纤薄、施工更快速且更耐久。

一种新的地下建筑外壳

研究团队聚焦于一种称为超高性能混凝土（UHPC）的材料。与普通混凝土不同，UHPC通过极致致密的颗粒组合和钢纤维增强，使其既具有很高的强度，又高度抗裂和抗渗。研究将工厂预制的薄UHPC构件与现场浇筑的普通钢筋混凝土结合，形成一种“复合”车站箱体：UHPC构件作为永久性的外壳，而常规混凝土在现场浇筑形成内部主体。半装配化方法旨在兼顾两者优点——UHPC的强度与耐久性，以及传统混凝土的灵活性与较低成本。

从工厂到完工车站

新的施工方法并非在泥泞的开挖坑内用临时支模完成全部站体，而是大量构件以成品形式运抵现场。基层底板和底梁浇筑完成后，UHPC立柱和侧墙板被吊装就位。UHPC中空梁与楼板模板随后被提升并支承，形成刚性骨架。常规混凝土再在这些外壳内外浇筑，形成最终的梁、楼板、屋盖和墙体。由于UHPC面板永久留置，临时支撑工作大为减少，也无需大面积拆除模板，从而缩短施工周期并降低现场噪音、扬尘与废弃物。

更薄的结构，更多可用空间

依靠UHPC的优越强度，研究者对屋盖和中间楼层进行了重新设计，使其在承受相同土压、水压、设备与人群荷载的前提下明显变薄。在青岛的案例站中，屋盖楼板约薄12%，中间楼层约薄13%，主梁也相应减小了高度。总体上，地下箱体在横断面上占用的空间约减少1.8%，但可供人和设施使用的净面积略有增加，且可主动利用空间的比例得到提升。主要结构的完工时间也比传统全现浇方法提前约四个月，对于繁忙的城际走廊而言这是显著的时间优势。

把强度与安全性付诸检验

为确保更纤薄的车站在数十年服役期内仍安全可靠，团队开展了详尽的计算机模拟与工程校核。通过三维有限元模型，他们分析了复合车站在施工阶段（临时荷载可能较大）以及长期运营阶段在土压、水压和客群荷载下的响应。模型跟踪了UHPC外壳与混凝土芯体的应力、变形及任何可能出现的永久性损伤。结果显示变形仅为数毫米量级，几乎没有塑性破坏。与传统车站相比，基于UHPC的设计在弯曲、剪切和抗裂方面始终显示出更高的安全裕度，尽管所用材料更少。

对未来地铁工程的意义

简而言之，研究表明采用薄UHPC外壳与常规混凝土填充的地铁车站，可以在保持更高安全性与耐久性的同时，做到更纤薄、空间利用更高且施工更快捷。该结构对水的阻隔性更好，对钢筋的保护更充分，并能以较为宽裕的安全边际承受日常荷载。尽管这些结论基于具体案例和高级数值模拟，但它们指向一种切实可行的途径，用以升级地下交通基础设施，更有效地利用稀缺的城市空间并减少地面施工影响。

引用: Lei, G., Hua, F., Yang, Z. et al. Design optimization and performance evaluation of semi-prefabricated UHPC-RC metro station structures. Sci Rep 16, 12976 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43527-3

关键词: 地铁车站设计, 超高性能混凝土, 装配式施工, 地下结构, 城市轨道交通