Avec sa structure de verre et de béton, la mezzanine qui culmine à 18m de hauteur offre un nouveau panorama sur la ville, grâce à ses parois vitrées proposant une vision à 360° sur les trains, le jardin des plantes, le nouveau quartier Euronantes et plusieurs monuments emblématiques de la ville tels que la cathédrale, le château des ducs de Bretagne, ou encore la tour Bretagne. Elle est l'élément principal de l'édifice, "définie par des structures organiques renvoyant à une vision fictive et interprétée de la nature, explique Rudy Ricciotti : la gare est ici exprimée comme étant l'antichambre d'un ailleurs".
Enjambant les voies, elle est comme une rue suspendue, de 4.000m2 de surface utile. Elle est posée sur 18 piliers en forme d'arbres béton, composés d'une structure métallique et comme prenant racines au rez-de-chaussée, dans les quais et le hall conservés de la gare. A l'extérieur, dans le prolongement de la charpente métallique, des ombrières horizontales en béton fibré à ultra-haute performance (BFUP) se déploient.
Pour franchir les voies, un tablier en béton armé a été réalisé avec des poutres préfabriquées jointives. Ce tablier supporte des poteaux métalliques habillés de béton projeté, alignés avec les piles, ayant également une forme d'arbre. Les parois latérales, de leur côté, sont composés de murs rideaux de 5,5m de haut.
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