北京北站改造工程于2005年動工，工程主要包括站房擴建以及與北京站、北京西站相類似的大跨度無站臺柱雨棚工程，站臺、鐵道線路和行車信號的改造。總投資1.1億元。北京北站改造
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北京北站改造工程于2005年動工，工程主要包括站房擴建以及與北京站、北京西站相類似的大跨度無站臺柱雨棚工程，站臺、鐵道線路和行車信號的改造。總投資1.1億元。北京北站改造期間將部分列車挪到其他火車站停靠，北站完成運營磨合期后，北京西站和北京站部分通往西北方向的列車重新遷回停靠。
2009年1月17日新的北京北站正式投入使用。改造后的北京北站，售票大廳和候車室都將設在西區的南側。北京北站主站房所在的大樓地面以上為6層，地下兩層，高31.5米，建筑面積2萬平方米。改造后的北京北站候車大廳地面一層以及地下一層供旅客候車使用，設有候車廳、售票處，與西直門交通樞紐相通，臨近地鐵2號線、地鐵4號線和13號線出入口，可與北京地鐵、城鐵換乘。地上二至五層為辦公用，地下二層為設備用。新房站樓一共有三個售票大廳，分別位于地面一層的右側，和地下一層的東西兩邊，共有24個窗口。
改建后的北京北站共有11個站臺，站臺有效長度由原來的377米延長到550米。站臺采用大理石鋪面，站臺高度由原來的70厘米提高到125厘米，方便旅客上下車。鐵道線路將全部采用國產每米50千克級高強度、高平直度無縫鋼軌，使用國產II型鋼筋混凝土軌枕，替代原來使用的木枕，提高客車運行的穩定性和舒適度。行車信號設備全部采用新型計算機集中連鎖，提高車站的自動化、智能化控制能力，從而增加列車運行的安全系數。
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