上海虹橋火車站及相關工程由鐵道第三勘察設計院集團有限公司、中鐵第四勘察設計院集團有限公司、上海現代建築設計集團有限公司設計，以筆直、方正、厚重的設計理念，體現了海派文化和現代火車站功能性、系統性、先進性、文化性、經濟性的建設理念。
上海虹橋火車站總建築面積約44萬平方米，其中站房建築面積約24萬平方米，無站臺柱雨棚面積6.9萬平方米，僅候車大廳、售票大廳等鐵路客運設施就為14.5萬平方米；東西長412m，南北寬162m，建築高度42m。上海虹橋火車站主體結構為鋼-混凝土組合結構，屋蓋鋼結構采用彈性、球澆築、多肢支撐的形式。總用鋼量近8萬噸，約為北京奧運會主會場鳥巢外部鋼結構的兩倍。其中地下用鋼量約3萬噸，地上用鋼量約5萬噸。24根主鋼梁位於屋頂頂部42米處，每根長62米，高5.6米，重63噸。上海虹橋火車站主站房由站房、無站臺柱雨棚、車站設備、南北輔助辦公樓等組成。站房采用線上高架候車，線下出站的結構，東西兩側設有高架落客平臺，外觀與機場航站樓相似。
上海虹橋火車站總體布局設計:
上海虹橋火車站分為地下壹層(B1到達層)、地上壹層(1F站臺層)、地上壹層(2F出發層)和地上壹層(3F商務層)。
等候室:
車站候車大廳面積約11340平方米，最多可同時容納10000人。候車大廳是壹個全開放的空間，沒有單獨的候車室。進入車站大廳後，乘客可以在候車區候車，也可以去商店購物或參觀觀光平臺。乘客可通過南北高架站臺和各條公交線路直接進站，地下可從交通換乘大廳乘坐扶梯進入候車大廳。檢票口主要位於候車大廳兩側，檢票口上方的電子屏幕顯示車次名稱和開車時間。乘客可以根據車票上的信息選擇相應的檢票口就近等候。每個檢票口都配有自動檢票口，標有“磁票入口”和“刷卡區”字樣。列車開始檢票時，乘客用車票或二代身份證核對無誤後，閘機就會打開。
地鐵站:
地鐵站位於上海虹橋火車站西側的地下室。乘客乘坐地鐵2號線到達車站後，在B1層離開地鐵站，乘坐自動扶梯到2F出發層的候車大廳購票候車。
公交車站:
虹橋樞紐東交通中心、虹橋機場2號航站樓、虹橋樞紐西交通中心設置公交站點。乘客可通過上海虹橋火車站與上海虹橋國際機場2號航站樓之間的聯絡通道或軌道交通2號線在2號航站樓前的公交樞紐站乘車。
停車場:
車站停車庫分為地下三層，自上而下分別為BM1、BM2、B1，每層由壹條主通道圍成，主通道與火車站進站通道相連，連接上下三層的通道設置在中間。
換乘走廊:
上海虹橋火車站的出口位於站臺的兩段，分別標有“出口(北)”和“出口(南)”字樣。乘客乘火車到站後，應遵循就近原則，選擇離自己較近的出口，下樓梯出站。車站地下壹層有1換乘車道，位於站臺正下方，兩側有30個出站檢票口。換乘走廊串聯航站樓和長途客運站，向東到達虹橋機場T2航站樓和東交通中心，向西通往長途汽車站、地下車庫和西交通中心。換乘通道設有地鐵換乘大廳和出租車上客點，並與公交車站相連；地鐵換乘大廳位於通道西側，出租車站點均勻分布在通道外側。通過換乘走廊，各種交通工具之間可以實現“零換乘”。
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