铁路信号综合楼标准化设计初探

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  【摘 要】房屋建筑的标准化设计,是提高建筑设计效率和质量的发展方向,尤其是对于一些专业性比较复杂的建筑,更有价值。
  当今我国铁路建设蒸蒸日上,铁路信号综合楼是保证铁路运输生产必不可少的建筑,担负着重要的行车指挥职责。它的设计需要考虑较多的专业功能需求,空间组成也比较复杂。如何在铁路项目建设周期紧,设计任务重的情况下,提高信号综合楼的设计速度和质量,是非常值得研究的课题。
  本文从空间组成、流线布局、结构选型、构造措施等方面进行分析,梳理信号综合楼设计的特点和规律,提出信号综合楼比较典型的平面和流线设计,以及其它设计中需要注意的典型问题,初步对此类建筑的标准化设计进行探讨。
  【关键词】 铁路信号综合楼;设计;标准化
  一、空间构成的特点
  (一)铁路信号综合楼的主要空间构成
  铁路信号综合楼,其主要空间是行车室(也叫运转室、控制台室、综合值班室)和信号设备室(机械室、电源室、微机室等)[1, 161]。行车室要求空间比较大(通常其轴线尺寸开间以4.5~7米、进深5~6米为宜)、光线比较适中、环境相对安静;此外,同时由于是指挥场所,还要求对整个车站的瞭望效果要好。因此,该空间通常布置在面朝铁路的方向,并设置在二层以上,以获得较好的视野[1,230-240]。信号设备室由于电子设备较多,设备高度较大,因此该空间要求高大宽敞,内部一般不设置承重的墙和柱,并且根据目前使用部门的建议,信号机械室、电源室以及信号微机室可以合并为一个房间,根据实际经验,该房间轴线尺寸进深以7.8米适宜,开间以6~7米为一柱距较合适。因为信号设备的电缆需要与行车室内的电子显示屏连接,从布线路径简洁的角度来看,通常二者需要相邻设置[3,15](可以同层相邻,也可以上下楼层相邻)。此外,信号电子设备的使用有一定的期限,通常在十五年到二十年左右会进行一次大修,此时,设备可以休息,但是铁路运输不能中断,所以常采用“倒替”的办法来处理,即在楼内选择适当的办公房间,拆除隔墙,形成满足新设备安装的宽敞空间,安装新的信号设备,待新设备投入使用后,再关闭和报废旧设备,将原来的设备房间增加隔墙改为办公房间。因此,除了上述主要空间外,信号楼内设置一定的次要空间作为将来倒替使用是必要的。
  (二)铁路信号综合楼的次要空间构成
  由于铁路运输的连续性,行车指挥人员通常是昼夜倒班,因此楼内需要设置职工间休室。为了随时应对突发情况,间休室离运转室越近越好,便于指挥人员尽快就岗。间休室主要用于人员休息,每间空间不需要很大,开间进深尺寸以3~3.6、4~5米为宜,但强调安静性和私密性,适于布置在人员很少经过的地方,比如走道尽端。
  信号综合楼内还需要为信号设备检修人员提供值班和办公的房间,通常由信号值班室和信号工区组成。其空间不需要太大,类似间休室,但要求房间较多,以容纳较多的信号维修定员。
  以上次要空间,与主要空间一起,构成了信号楼最基本的需求空间。
  此外,为了节约建筑占地,减少外部管线敷设的长度,信号综合楼内往往还会设置其他部门的办公用房(仅指办公或与办公性质类似的房间,例如车务办公、货运办公、车辆装卸检修所、驻站公安执勤室等等),甚至于旅客站房等等功能空间。它们仅仅是从环保节能、节约土地资源和投资的角度,综合进来的,对铁路行车指挥基本没有作用。
  通过上述分析,可以看出,信号综合楼最主要的空间是行车室和信号设备房间,其次是信号值班室和信号工区,再次是其他部门的办公用房,最后是其它功能空间。在空间布局上,行车室和信号设备房间、信号值班、信号工区应集中布置;其他部门的办公用房可以另行集中布置,旅客站房则应完全自成体系,独立布置。再仔细划分,从方便今后信号设备“倒替”的角度考虑,信号设备用房可以和车站办公、信号工区构成楼上楼下关系,紧邻行车室布置,这样便于今后变换空间使用功能,完成设备的更换。而装卸检修用房和间休室、信号值班室可以集中,按间休、值班在上,装卸检修在下布置。
  空间高度上,信号设备房间净高以3~3.6米为宜(考虑结构梁的影响),其它房间净高以3米为宜。
  二、流线组织的特点
  首先,从部门上分析,行车室内的人员和车务办公人员(如站长、值班员、调车员等)同属于车务部门,信号值班员和维修人员,则属于电务部门,货运办公和装卸检修所的检修人员则属于货运和车辆部门,而旅客站房内的工作人员则属于客运部门。因属于不同的部门,这些人员,通常希望能有独立的进出通道。此外,旅客站房中旅客则属于社会人员,只会短时间出现在综合楼内,但是流量较大,更需要设置独立的出入口。
  其次,从动静方面考虑,行车室指挥、信号值班和车务办公人员属于静态,长时间留守在各自空间内,对建筑出入口的使用频率较低。货运、装卸检修和信号工区人员,则属于半动态状态,在各自空间内的时间较短,经常出外业,对建筑出入口使用频率较高。而旅客站房内的旅客,则属于完全动态状态,即使候车也是短时间且走动频繁,对周围人群干扰较大,对于他们,需要设置专门的通道,并与周围空间隔离。
  再次,从空间重要性分析,行车室是生产重地,工作人员责任重大,需要聚精会神工作,不能有外界的干扰。人员流线应独立,不与其他流线交叉。信号设备房间则是信号综合楼内的禁地,对温度、湿度、灰尘、电磁等有着严格的要求,非专業人员不得进入。其流线路径应隐蔽,独立。除此之外,车站办公、信号值班、信号工区、装卸检修所等空间则属于重要性一般的空间,人员进出可以共用一条流线,适当交叉也不会产生较大影响。而旅客站房则完全属于开放性空间,其面向社会人群,人群流线自然应独立于车站工作人员流线,并且有独特之处。
  综上所述,设计包含前述功能空间的信号综合楼时,至少应考虑设置三个出入口。
  第一个,满足行车室指挥人员和信号值班人员流线的进出,通过垂直交通空间(楼梯)进入二层以上,同时作为进出设备信号房屋的通道。行车指挥人员和信号值班人员及信号检修人员,通过此出入口,可以直接到达行车室和信号设备房间,不与其他人员流线交叉,既独立又安静,保障了指挥活动的进行和设备的安全。第二个,满足其他办公人员和信号工区、装卸检修人员流线的进出,同时,在二层以上,通过水平交通空间(走道),与第一个出入口连通,这样,既能相对独立于第一出口人流,减少对其干扰,同时又可以使两股流线适当交叉,满足进出卫生间、开水间等辅助空间的需求,减少此类辅助空间的数量。同时为二层以上空间的消防疏散创造条件。第三个出入口则专门为旅客站房设置,成为旅客流线的专用通道,使其绝对独立,完全避免和车站工作人员流线交叉,杜绝非生产人员进出生产重地的可能性。   当然,对于一些没有客运作业的车站,或者旅客站房单独修建的车站,其信号综合楼不需要设置旅客站房,也没有相应的旅客流线,出入口可以少设置一个。
  三、最优的结构形式
  对于铁路信号综合楼来说,选择钢筋混凝土框架结构是最优方案,有以下优点。
  1、耐久性好。相对于钢结构,钢筋砼结构耐候性、防火性、耐腐蚀性占优。
  2、空间布局灵活。通过之前的分析,可知信号综合楼内各空间的尺度差距较大,采用框架结构,可以灵活设置柱网,根据空间需求增减柱子的数量和布置,从而在保证结构合理与安全的前提下获得不同尺度的空间。
  3、有利于综合防雷和电磁屏蔽的设计。综合防雷和电磁屏蔽是信号综合楼设计的重要内容,其中对于防雷引线下,墙体钢筋网格以及屏蔽笼天网和地网的设置都有需求。信号楼采用钢筋混凝土结构,则可以利用柱内主筋作为引下线,同时可以利用楼板和顶板内的钢筋网作为屏蔽笼的天网和地网,一举两得。
  4、有利于信号设备大修时的“倒替”。对此,框架结构显示出极大的优越性,因为框架梁、柱作为承重构件,墙体仅仅作为围护结构,不承受主体结构的荷载,因此,隔墙可以随意拆除增加,变换空间的尺度。若采用砖混结构,因为此时墙体是重要的承重构件,拆除墙体,意味着建筑的主体结构安全受到了威胁。
  5、施工方便。钢筋混凝土框架结构是早已成熟的结构体系,施工工艺简单,几乎所有的土建施工队伍对其都轻车驾熟,并且施工周期短,质量容易得到保障。
  四、特殊的构造措施
  近年来,历次事故表明铁路信号综合楼的防雷和电磁屏蔽设计极其重要,特殊气象条件(例如雷电)对信号设备的运行影响极大,因此防雷和电磁屏蔽是重点中的重点。此外,由于铁路跨越地域长,经常穿越无人地带或安保条件较差的地区,对于贵重设备和重要房间的防护也是不可忽视的重要设计内容。最后,由于信号设备的需求,信号综合楼还应注意为满足设备安装运行所需的条件。
  (一)综合防雷和电磁屏蔽
  如前所述,信号楼采用钢筋混凝土框架结构,有利于综合防雷及电磁屏蔽构造的实施,其梁、板、柱内的钢筋均可以利用,作为电磁屏蔽法拉第笼的一部分。首先在外墙内用不小于Φ12mm的钢筋焊成不大于5*5m的网格,竖向主筋上部应与避雷带焊接、下部应与基础接地网焊接,露出墙体的钢筋应做防腐处理。放置信号设备房间的六面(墙、顶、地面或楼面)应在墙内用不小于Φ8mm的钢筋焊成不大于0.6*0.6m的网格作法拉第屏蔽笼,0.6*0.6m的钢筋网格与5*5m的钢筋网格结合处应焊接,门应采用金属防盗门,门窗玻璃应采用金属网覆盖,金属网网格应不大于80*80mm,并与金属门或屏蔽笼采用铆接或栓接,栓接用电线截面不小于10m㎡。
  根据使用部门的反映,信号设备房间地面应铺设防静电地板,地板净高度以0.3米为宜。防静电地板的绝缘电阻不得小于105Ω,防静电地板的各支架间应可靠连接,并与墙面屏蔽笼冷压栓接或焊接,至少每个墙角处应连接,连接点间距应不大于5m,焊接(栓接)所用多股绝缘软线截面不小于10m㎡,或采用在地面用铜箔带铺设成与防静电地板方格相同的网格,网格交叉点应施焊或与各支座卡接。
  信号综合楼屋面避雷带应围绕屋面周边成闭环设置,距屋面顶面高度150mm。在避雷带范围内的避雷网由不大于3m*3m的网格组成,避雷网与屋面(包括隔热层)不得直接接触。避雷带、避雷网、支撑柱及水平拉带各连接点应焊接。屋面上的所有金属物件应就近与避雷带或避雷网焊接,焊点不少于3个[2,5-6]。
  (二)防盗、防火和防破坏
  防盗主要是针对信号电子设备房间的外门和外窗,门应采用金属防盗门,之所以采用金属材质,也是有利于设备房间法拉第笼的完整。窗则应在其外部安装金属防盗护栏,此时,外窗防盗护栏可以结合法拉第笼的设置,一并考虑。一般而言,信号设备房间外墙不开设直接对外的门,除非防火疏散需要,则应设置金属防火防盗门。
  防火设计除了满足人员的疏散要求和防火分区划分之外,对于信号设备房间,其门必须选用防火门,防火等级至少是乙级,门扇宽度不小于1.2米,高度不小于2.2米[3,42]。在重要铁路站段,信号设备房间采用气体消防设施,此时,该房间如果设置外窗,则还应采用密闭的防火窗(防火等级至少是丙级)。
  近年来,维稳和反恐要求日益提高,铁路安全尤其重要,因此使用部门对信号综合楼的安全提出了新的要求,除了一般的防盗门窗、护栏等措施外,还要求在重要的房间(通常是指设备房间)外窗外侧安装防抛网,目的是防止破坏分子向室内抛掷杂物。防抛网采用金属网格,网目规格应较细密,不大于50x50mm。
  (三)其它特殊构造措施
  对于行车室而言,由于其指挥行车的功能需求,要求其具备良好的全站区通观瞭望条件,因此,行车室外窗面积较大,同时应具备至少三面瞭望的条件,通常做法是行车室部分凸出整体建筑,形成三面布置外窗的格局。此时,外窗面积较大,对于节能和隔音要求较高,通常采用密闭性能和隔音性能较好的外窗,比如双层外窗或中空玻璃外窗。另外,行车室监控设备与信号设备通过密集电缆连接,因此行车室内地面应考虑电缆的铺设,应采用较厚地面垫层埋设电缆套管的做法(当前,使用部门对行车室铺设架空地板或开凿地面电缆沟的做法较为抵触,原因是地板和沟盖板经不起长期踩踏,容易破损,以及地板下部容易积聚灰尘)。
  对于信号设备房间,由于电子设备比较精密,对于灰尘较为敏感,因此设备房间的地面通常应采用不起尘的地面,比如瓷砖地面和防静电地板地面。墙面和顶棚同样要求不起尘,同时颜色要求浅色,顶棚还要求抹灰层牢固,不容易掉落[3,15,42]。
  设备房间的门,除了满足前述要求外,为防止小动物(如老鼠)进入设备房间引起电子设备短路,门内还应设置高度不低于0.5米的防鼠板。
  结语
  上述内容分析了铁路信号综合楼建筑设计的主要特点,现归纳如下:
  1、空间分析。铁路信号综合楼核心空间组成是行车指挥功能空间。其余非主要功能空间均围绕其布置,在无法避免干扰主要功能空间时,应果断将其布置在次要方位。当然,对于直接为主要功能空间服务的辅助空间(如卫生间、间休室、备品间等),其布置应贴近主要空间。在布局上,主要空间绝对应处于相对集中、独立且通观瞭望方便的位置,通常是楼上面临铁路一侧。
  2、流线组织。铁路信号综合楼的流线组织最主要的是不能互相交叉干扰,尤其应保证行车指挥人员有独立的出入口和进出岗位路径。行車室是指挥重地,责任重大,绝对不能有闲杂人员进入;信号机械室属于不能中断运行的设备房间,对运行环境要求很高,因此非专业人员严禁出入。对于上述两处重要空间,其人员出入路径必须独立,因此流线组织要以此为核心,首先解决这两部分人群的进出流线。其余非主要流线采用平行、上跨或下穿等方法物理分隔,绝对不能与主流线混杂。
  3、结构选型。钢筋混凝土框架结构是信号综合楼的首选。
  4、特殊构造措施。由于信号综合楼在综合防雷、电磁屏蔽、防火防盗等方面有较为严格的要求,因此,需要采取与一般建筑不同的构造措施。其中综合防雷与电磁屏蔽需要在设备房间四周设置法拉第笼,所有洞口应设置屏蔽网。防盗方面,除了一般意义上的防盗措施外,还应考虑防破坏措施,比如在外窗设置防抛网。此外,还应按照信号设备的安装和运行需求以及行车指挥的环境要求,在防尘、放光照、防水、防噪音等方面进行综合考虑。
  以上内容,笔者认为基本涵盖了信号综合楼设计的大部分内容,可以作为比较标准的模式,用于实际项目中,以提高设计效率和质量。
  参考文献:
  [1]铁道部专业设计院主编,《铁路工程设计技术手册---房屋建筑》(修订本)中国铁道出版社,1991.161,230-240.
  [2]北京全路通信信号研究设计院,《铁路信号设备雷电及电磁兼容综合防护举例设计》.2007.5-6.
  [3]中华人民共和国铁道部,《铁路房屋建筑设计标准》TB10011-2012.中国铁道出版社,2012.15,42.
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