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广州南站由中铁第四勘察设计院集团有限公司（铁四院）[[设计]]。车站建筑外观雄伟壮观，外形设计具有鲜明的岭南文化特色，成为展现广州历史神韵和现代气息完美结合的标志性建筑。其结构布局和交通引导比[[火车站]]总站、火车东站更加科学，在东西两侧设有悬空的廊桥供车辆直接开上出发平台送客，其立体化的交通方式与飞机场的设计风格相似。然而作为国内首批[[高铁站]]之一，因缺少现成参考对象，广州南站在规划设计存在一定的“先天不足”，如旅客换乘不便问题，其根源之一就是公交站、出租车站、长途汽车站分布不合理 <ref>[http://k.sina.com.cn/article_6481297196_18250bf2c00100khig.html?cre=tianyi&mod=pcpager_news&loc=14&r=9&doct=0&rfunc=100&tj=none&tr=9 中国最大的一座火车站：投资130亿，经停车次数量位列全国第一]，新浪网，2018-07-20</ref> 。此外，二层用作列车调度的站台层、承重较大，所以一层大厅柱梁林立用以肩负支撑，两排巨大的Y型柱子将一层分割成三条东西走向的主要通道，三条主通道间又有若干横向通道相连。由于梁柱遮挡，通道间视线基本受阻，而售票机、地铁口、ATM机、饮水处、洗手间、停车场等各种设备设施又散落分布在梁柱后面或两侧的通道边，这种在柱子一面看不到柱子另一面的井字格路线，对于初到南站乘车、却没注意查看南站立体功能引导图的旅客造成一定不便。

车站设计和建设充分尊重广州山水城市的格局，做到[[自然环境]]与人工环境融为一体。巨大的[[玻璃]]穹顶棚形似6片漂浮于空中的芭蕉叶，体现了广东[[音乐]]《步步高》 <ref>[https://www.sohu.com/a/201071808_748577 音乐 | 广东民乐《步步高》]，搜狐，2017-10-30</ref> 的意境，其中部为64米大跨拱形结构。站房屋顶以一片片的[[芭蕉]]叶为基本单元，通过中央采光带的串联，形成极具特色的建筑形态。天窗采用对角线网格的钢筋结构，以拱顶形式呈现并镶嵌ETFE气枕，使得自然光可照入候车大厅，同时减少对外部热量的吸收。屋顶安装了约2000平方米的[[太阳能]]电池板，可将太阳能转化为电能为车站供电。