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  大約在1850年,科隆和一直獨立至1888年的城市多伊茨共有五家鐵路運營商:(科隆一側)為(BCE)、(CCE)和(RhE);的多伊茨則有(BME)和(CME)。這便導致在外側興起了多座鐵路車站,它們之間並未通過鐵路相連。  在大教堂旁邊、備受爭議的新建公鐵兩用橋樑選址於1854年得到確定後,當局便開始考慮如何將這座其後被稱為“”的建築,連線至萊茵河沿岸的既有貨運和臨時客運車站(旁的“萊茵車站”)。車皮通過升降機放下的計劃,使人們很快意識到,必須建造一座中央車站來連線萊茵河左右兩岸的鐵路運輸。1857年,該市騰出了科隆大學的區域,以用作車站建設。這個選址同樣具有爭議:一方面,舊城牆內失去了唯一的綠地;另一方面,大教堂營造師則擔心一旦發生戰爭,作為鐵路樞紐的車站可能成為受襲目標,從而也將影響到大教堂。儘管如此,計劃仍然得到執行;鐵路線是從馬克西敏街升起的橋樑越過萊茵河而來,然而繼續跨越平地層的,並在騎士街和魏登巷之間穿過中世紀的城牆。  所謂的“中央車站”()是由RhE受託根據的藍圖而自1857年開建,並於同年由BCE接手。站房與大教堂橋同時於1859年開放。中央車站是一個盡頭站與的結合體:來自西部的RhE列車會在四條終到,而從大教堂橋駛來的CME列車則使用兩條直通軌道。  中央車站很快便達到了其容量極限,但作為運營商的RhE卻對車站擴建的興趣有限,因為這將使主要競爭對手從中受益。故此,直至1880年左右鐵路公司實現國有化之後,車站的擴建才得以認真著手規劃。

  對於新的火車總站共有兩種規劃方案:  儘管柏林當局主張第二種方案,但科隆則存在意見分歧。政客們提出論證,認為新建車站過於龐大,會導致萊茵河與大教堂之間的空間變小。另一方面,在車站附近擁有地皮的商人們擔心,若車站搬遷會使其物業的價值銳減。1883年1月9日,科隆市議會最終以大多數票,通過採納由柏林工程師制定平面圖的第二種方案,即維持大教堂旁邊的選址。建設工程自1889年啟動。軌道被提高了六米,其下方的間隙有一半以泥土填充,並根據亞琛建築師的藍圖建造了一座新的車站大樓。奠基儀式於1892年5月7日舉行。在車站的新建過程中,周邊的許多房屋都被拆除。  1894年,基於倫敦聖潘克拉斯車站而設計的大型三元式落成。中央大堂當時的最大跨度為64米,橫跨如今的2至7道;兩個13.5米寬的廂堂則橫跨1道和8道。在全長255米的大堂中,還建有一座兩層樓高、配以桁架及小型青銅色陶製圓頂的候車大樓,旅客可由此輕鬆到達中央大堂內的所有軌道。在候車大樓前的大堂中部則各設有四條盡頭線,供來自西部和東部的列車終到。此外,候車大樓兩側還各有兩條直通軌道。  列車大堂有部分是在原中央車站的基礎上建造。但後者在施工的過程中並未完全回填,因此如今用於車站供電的纜線便鋪設於此。  在對整個鐵路交通進行重構的過程中(1909年至1915年),最為顯著的標誌是新建的“”和四線的“霍亨索倫橋”,大堂內的候車大樓為此遭到拆除,所有軌道都被改造為直通線。在北側則鋪設了第九條軌道。軌道下方的區域自此得到完整利用。位於特蘭克巷和約翰尼斯街()上僅有的一等和二等候車室在第二次世界大戰和隨後的整修中倖存了下來,如今被稱為“”,用作餐廳和活動中心。  從舊郵政總局(距火車總站以西約200米)還建立了一條隧道,通過該隧道可以直接往返於車站運送信件和包裹。郵政總局原址如今已成為一座老人院;但隧道及相關地下設施則仍然存在,並被用作儲存和供應餐車所需的食品及飲料。

  第二次世界大戰期間,科隆火車總站受到了空襲的嚴重破壞。因此,當局於戰後曾就是否應在——即今的所在地新建一座火車總站,而進行了數年的考量。為此,火車總站的重建工作非常緩慢,科隆人只得勉強使用臨時建築達十年之久。  首先,在1953年,被毀的西側長形建築由一棟帶行包處理設施的現代建築和一家旅館所取代。僅輕微受損並作臨時修復的舊車站大樓直至1955年才拆除,一個主要原因是它被視為普魯士統治的象徵。與科隆-多伊茨車站類似,其列車大堂也計劃拆除。這是由於蒸汽機車所產生的的碳煙會導致屋頂結構總是很髒,從而幾乎使日光幾乎無法照入室內。然而出於成本原因,拆除工作未能實現;而1957年開始的鐵路電氣化則為該問題提供了長期的解決方法。  1957年9月23日,新的車站大樓落成,它是根據建築師施密特和施耐德的藍圖建造,具有醒目的碗形屋頂結構,並在面對站前廣場一側採用高聳的全玻璃幕牆。而戰後通過清理馬克西敏街()、大教堂街()、霍費爾巷()、赫爾曼街()以及整體遷移金子巷(),使得火車總站北側的於1945年成為了第二個站前廣場。

  在1991年之前的城市快鐵建設過程中,整條鐵路線、火車總站以及霍亨索倫橋都進行了兩條獨立軌道的擴建。火車總站率先於1975年增設了兩條到發線(10道和11道),而霍亨索倫橋則於1988年通過快鐵主線鐵路增至六條軌道。軌道及增設的月臺均採用獨立式的混凝土菌形件支承。進一步向北延伸的兩條軌道則在施工過程中已作預留。  在1970年代,配備七名員工的一座投入使用,取代了原先的座個設施。其中兩名排程員(東區和西區)負責控制從科隆西至科隆-多伊茨間共六公里長的範圍。  從1989-1991年,車站大堂前部以及大堂與入口大堂之間的月臺頂篷被和的新設計所取代,這與相鄰的路德維希博物館如出一轍;而被列為文物保護建築的大堂本身則已於1987年完成了大規模翻新。

  從1997年至2000年,科隆火車總站進行了現代化改造,投資總額約為2億德國馬克。至2000年3月29日,現代化的火車總站正式投入使用。其入口層建有一座購物中心,即所謂的“科隆之店”(),當中包含70家商店和餐廳,營業面積逾11500平方米,約有700名員工。其空間來自於此前用作行李寄存和倉庫區域或未利用的空間。各個商店均與一個供貨渠道網路相連。在現代化改造的過程中,還安裝了歐洲首套全自動行李寄存系統,至今仍是德國唯一的同類系統。它在三個地下層設有近千個儲櫃,可由電腦控制進行調取。每月約有20000件行李存放於此。該系統在初期曾出現一些故障,以至於寄存行李無法調取,而必須由德國鐵路進行轉送。德國鐵路還在車站設立了一個,以對月臺進行廣播並對車站進行視訊監控。  軌道設施的縱傾坡度為千分之7.9。這經常會導致溜車事故的發生。從2009年至2003年中期,共錄得13起同類事件。受影響的列車通常是在期間溜動。這些事故曾導致鐵路工人受輕傷。  在上方的首層,有一個供一等車廂旅客和常旅客使用的。該候車區毗鄰1道,也可以由該月臺進入。  2015-16年除夕夜,在車站區域和曾發生大規模性侵和盜竊事件。2018年10月15日,站內的一家快餐店及其客人遭到縱火襲擊,歹徒更是在一家藥房內挾持人質,事件在警察特種部隊介入後得以迅速平息。

  2010年3月31日在杜塞爾多夫舉行,由德國鐵路、聯邦政府和參與的三方鐵路峰會上,通過了於2019年之前在佈雷斯勞廣場旁增設一個快鐵月臺和兩條快鐵軌道,以擴大車站規模的決議。如今,這些工作計劃至2030年完成。據測算,擴建費用約為6000萬歐元。  為應對計劃自2016年起開行、通往倫敦的城際快車服務,以及落實對相關人員和行李的管控,1道月臺將通過增設海關保護區進行擴建。然而截至2019年4月,與倫敦的連線或快鐵線路的擴充套件均未實現。鐵路部門稱比利時和法國當局對城際快車的適航證審批是造成延期的主要原因。目前尚無新的落實時間表。此外,前往倫敦的列車必須穿越整個西側的軌道前地,這在操作上難以實施。  2014年12月,德國鐵路對用於科隆火車總站的一個公佈了全歐範圍內的首份效能規劃。它應於2020年接管快鐵運輸,至2024年接管長途及區域運輸。在7道和8道之間,即通往霍亨索倫橋的通道上將增設一條額外的橫渡線。快鐵運輸將至2021年底完成調整,區域及長途運輸則至2024年底前完成調整。通過歐洲列車控制系統(ETCS)和月臺改造,火車總站至展會/多伊茨站之間的快鐵軌道效能將提高30%。  2019年4月,建築師宣佈了他希望將科隆火車總站移至地下的計劃,而地上則應由一個綠化設施從傳媒公園穿過霍亨索倫橋一直延伸至多伊茨。伯姆願景的藍本是紐約一條經過改造的原高架鐵路線,改造後的高線公園現已成為曼哈頓一處極具吸引力的公共空間。在過去,關於火車總站搬遷的規劃也時有提及。

  科隆火車總站是歐洲鐵路長途運輸的樞紐之一。科隆在萊茵河兩岸均有長途鐵路線通過。因此,位於萊茵河左岸的火車總站與右岸的科隆展會/多伊茨車站組成了一個整體,並通過霍亨索倫橋實現相連。來自魯爾區、德國南部、瑞士、荷蘭和比利時的長途列車會在火車總站交集,而科隆展會/多伊茨車站(低月臺)則連線了另外兩條經行萊茵河右岸的城際快鐵路線。因此,在過去曾有多種直接與兩者相連的設想出現,例如跨越萊茵河的電動步道,但這些有爭議的方案皆因成本過於昂貴而遭到否決。  共有11條線路在科隆鐵路樞紐呈星狀交匯,每天約有310000人次的旅客和約1220班次的列車在此進出。從科隆火車總站出發的列車每小時可以運送高達70000人,其發車密度為全德最高。  科隆火車總站與霍亨索倫橋是科隆地區鐵路運輸的中心瓶頸。長途運輸主要由東南出口往多伊茨方向的四條軌道承擔;區域運輸則主要使用西側通道。從而來以及來自施泰因街方向的匯入線路已達到運力極限。擴大供應幾乎是不可能的,因為既有訊號所無法調整追蹤計劃。預期在2030年及以後的時間線上也將會發生超負荷的現象。鐵路內部正在積極討論擴容的措施,但在《》的框架下尚無具體解決方案。  在相鄰的霍亨索倫橋,列車的平均延誤時間為一分鐘。為了提高準點率,應將每日的軌道重複分配量從20次增加至60次,並在至少有7分鐘以上的停站時才補充長途列車的餐飲供應。快鐵列車的最短追蹤間隔為3.3分鐘;若要應付交通需求,則需降至2.5分鐘。

  科隆火車總站是眾多城際快車(ICE)和城際列車(IC)路線的交匯點,通常每一至兩小時便有一班到達該站。此外,由奧地利聯邦鐵路開行的夜間列車品牌“夜捷列車”也會在該站辦客。德國運營商還在此開行有從亞琛經科隆至萊比錫往返,以及從科隆至漢堡往返的長途班次。  通過各條不同的高速鐵路,德國和西部鄰國的大多數主要城市都可以在數小時內到達。大力士經由亞琛和布魯塞爾通抵巴黎,則從布魯塞爾通往法蘭克福,這兩類高速列車每小時交替經科隆執行。  夜捷列車的NJ 421次與NJ 40421次、以及NJ 491次與NJ 40491次一樣,會在紐倫堡解編和合編:NJ 421與NJ 40491合編後共同駛向因斯布魯克,而NJ 40421則與NJ 491一起繼續前往維也納。由此,四班列車便可以實現兩個班次的免換乘接駁。  在1989年的夏季執行圖中,每天有403班列車在科隆火車總站到發,使之成為德國聯邦鐵路網路中最重要的樞紐。而在1996年的夏季執行圖中,它仍以383班的圖定長途列車到髮量而位居德國鐵路網路中的第二大樞紐(僅次於漢諾威火車總站)。

  科隆火車總站也是眾多區域快車(RE)和區域列車路線的樞紐,它們大部分會以半小時或一小時的間隔到達科隆總站:  科隆火車總站已整合至網路。快鐵列車從週一至週六在那裡提供每20分鐘一班的服務,其餘日子則每30分鐘一班。在科隆總站的北側和東側還分別設有和科隆展會/多伊茨兩座快鐵站點;所有在火車總站提供服務的快鐵路線都會經停這兩座車站。當前的區域列車25號線也是快鐵網路的一部分。

  作為專案的一部分,科隆火車總站也獲國際航空運輸協會分配了專屬的機場程式碼“QKL”。旅客可以憑登機牌乘坐定期的城際快車前往法蘭克福機場長途車站,然後在那裡換乘飛機。在2007年底之前,行李託運和領取都可在科隆火車總站完成,但自那時起則僅可在法蘭克福完成。
科隆火車總站()是德國西部城市科隆最重要的,與位於市中心的科隆主教座堂相鄰。憑藉日均350000人次的旅客進出量和約1200班次的列車到髮量,它成為德國鐵路最繁忙的鐵路車站之一,也是德鐵車站及服務轄下最高階別的21座一等站之一。這座設有11條到發軌道,鐵路線從其東南出口沿一條窄彎道來到霍亨索倫橋,進而跨越萊茵河可到達的科隆展會/多伊茨車站(同為一等站)。