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太原南站位于太原市小店区北营，东临东山过境高速公路，西接太原武宿国际机场，南依南环高速公路，北靠长风大街，地处国家级太原高新技术开发区、太原经济技术开发区及武宿物流区等三大园区交叉辐射的核心地段。占地面积45公顷，站房主体结构为地上两层地下一层，建筑面积约20.06万平方米，其中客运站房建筑面积5.5万平方米以上，车场规模为10台22线，设计年发送旅客量可达4000万人次以上。工程投资估算总额约30亿元以上，由铁道部和山西省共同出资建设，是山西省内第一座高标准现代化的大型铁路客运站，为太原市标志性建筑之一。
布局设计
太原南站整个站房包括高架候车层、站台层及地下出站层。其中高架候车层包括候车大厅主通道，以及两端的旅客候车厅、服务区。旅客候车厅划分为软席和普通候车区域、团体候车区域，母婴候车区，残疾人候车区。服务区则设置商业服务餐饮服务区和咨询服务区，该层建筑面积为28403平方米。太原南站二层站台层的站台净宽为20米，站台上设置无柱站台雨棚，站台旁设置进站广厅和站台候车厅。
在整个候车大厅的两侧，共有16个出口通向站台，每侧8个。左侧的8个出口，每个只安装楼梯和自动扶梯，而右侧的8个出口，每个都要安装直梯、扶梯以及楼梯，旅客下站台有多种选择。从西站房到东站房，建有一条地下连接通道，通过这条通道旅客也可以直接上站台。
太原南站采用国际先进的设计理念，整个站房的进出站通道呈现为上、中、下三层立体式分布，包括：高架候车层、站台层及地下出站层。其中，高架候车层包括候车大厅主通道，以及两端的旅客候车厅、服务区。旅客候车厅划分为软席和普通候车区域，以及团体、母婴、残障候车区。服务区则设置商业服务区、餐饮服务区和咨询服务区。该层建筑面积为28403平方米，是三层站台中面积最大的一层。站台层的站台各宽20米，站台旁设有进站广厅和站台候车厅。地下出站层设有东、西出站大厅及相关配套设施。
太原南站，站台上和轨道两侧将安装吸声设备，对火车噪音进行降噪处理，以增加旅客候车的舒适感。同时，出站通道和出站厅墙面上会进行吸声处理，并将使用特殊处理过的橡胶类地面。此外，站房外墙上独特的仿清砖石材幕墙系统，是由先进的低辐射玻璃、可控玻璃窗及两层仿清砖石面板组成的。该系统可以有效减少太阳辐射产生的影响，降低夏季空调的负荷。另外，为了增加车站效率，该站还将采取建筑智能化设计，在站房内部拟设置旅客引导提示系统、客运电视监测系统、报警与联动控制系统、候车及办公时钟设施、大屏幕综合信息显示系统等。
太原南站还将配套设置两个站前广场，其中，西广场是主要的客流聚集广场，该广场面对着城市主干道晋阳街。东广场面向北营北路，是一个交通辅助广场。为了方便旅客和各类机动车辆往来，东、西广场之间将会设置专门的通道进行连接，从而形成围绕站房和东、西广场的交通环线。公交区、出租区以及接送车区均设在西广场的地下区域，旅客出站后便可以便捷地离开。