天津火車站候車廳天然采光研究

李雯雯 王愛英 連志強(qiáng)

(1.天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300072;2.威海職業(yè)學(xué)院，威海 264210)

1 引言

天津站是天津市內(nèi)最重要的交通集散地，是集普通鐵路和京津城際交通為一體的交通中轉(zhuǎn)站。目前的天津站是2010年6月底完工的改擴(kuò)建之后的新天津站。平面東西方向呈單方面內(nèi)凹啞鈴狀，首層為進(jìn)站中央大廳，二層直通高架候車室;屋面結(jié)構(gòu)采用大跨鋼網(wǎng)架，外檐裝修采用新型石材和玻璃幕墻;總建筑面積2.67萬(wàn)平方米。新天津站的建筑整體通透流暢，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代鐵路建筑高效、便捷、智能化的品質(zhì)。

在天津站的設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了天然采光的運(yùn)用，二層候車大廳白天完全不用使用人工光照明，這不但能節(jié)約大量電能，還能為密集的候車人群提供健康和高效的建筑光環(huán)境。另外天然光的運(yùn)用使建筑內(nèi)部空間充滿生氣，美國(guó)建筑師路易斯·康曾經(jīng)說(shuō)過(guò)“自然光是使建筑之所以成為建筑的唯一光”。太陽(yáng)光的出現(xiàn)除了提供關(guān)于氣候的狀況外，還能給予人們關(guān)于三維形體和定向、定時(shí)的重要線索。［1］

2 候車廳采光方式解析

二層候車廳是人流火車站最密集的區(qū)域，也是人流的集散地，所以這個(gè)空間要求較高的照明質(zhì)量，以保障安全和有序人員流動(dòng)。大跨度鋼網(wǎng)架屋面結(jié)構(gòu)使得大面積的頂部采光成為可能，高側(cè)窗的使用增加了室內(nèi)照度的均勻度，透過(guò)玻璃幕墻進(jìn)入的天然光對(duì)室內(nèi)照度形成了有益的補(bǔ)充。

2.1 頂部采光

頂部采光是所有大型公共建筑都應(yīng)首先考慮的，其窗口朝向可以與建筑朝向無(wú)關(guān)。天津站也不例外，候車大廳頂部中央?yún)^(qū)域有一巨大的橢圓形采光窗，它作為白天整個(gè)建筑空間的主要采光源，給候車大廳帶來(lái)充足的光線。如果不是夏季，當(dāng)陽(yáng)光照進(jìn)候車大廳時(shí)，人們會(huì)更愿意坐在陽(yáng)光下享受太陽(yáng)的恩賜。在此候車的人們，通過(guò)明亮的玻璃天窗可以非常直接的觀察到外部天空的變化。經(jīng)測(cè)試無(wú)論是在晴天還是陰天，天窗下的照度在非陽(yáng)光直射下都能保持在400lx以上，這對(duì)于候車廳來(lái)說(shuō)是非常難得的。在頂部為防止過(guò)強(qiáng)的太陽(yáng)直射光線，天窗下用了一排擋光板 (如圖1)。當(dāng)陽(yáng)光直射到擋光板時(shí)，可以將一部分光線反射到室內(nèi)，形成一種較為舒適的視覺(jué)效果。雖然在非工作區(qū)域直射的陽(yáng)光是無(wú)害的，可是在夏季正午時(shí)段候車廳內(nèi)還是會(huì)出現(xiàn)刺眼的太陽(yáng)直射光，這部分光照射在光滑的大理石地面上，形成不舒適的反射眩光。

圖1 候車廳天窗透視圖

2.2 高側(cè)窗采光

高側(cè)窗一般位于側(cè)墻的上部，能將光線引入到室內(nèi)的深處，進(jìn)入室內(nèi)的天然光一般會(huì)隨著窗戶的升高而增加，很適于空間跨度比較大的建筑。天津站室內(nèi)空間東西跨度約有60米，僅靠位于核心區(qū)域的頂部采光無(wú)法完全滿足廳內(nèi)采光的需要，高側(cè)窗采光的應(yīng)用是對(duì)天窗采光的補(bǔ)充。高側(cè)窗采用了“浮式”遮光隔板結(jié)構(gòu) (如圖3)，這種結(jié)構(gòu)使得太陽(yáng)直射光在某些時(shí)刻通過(guò)反射照進(jìn)建筑室內(nèi)，增加了室內(nèi)的亮度，正是有了側(cè)窗的光線補(bǔ)充，在東西兩側(cè)的乘車口環(huán)境亮度才得以保障 (如圖2)。這種采光方式與建筑結(jié)構(gòu)結(jié)合，是在設(shè)計(jì)之初就考慮到。既然光線是從多個(gè)方面進(jìn)入空間的，它顯然是柔和的，引起更少的陰影和剪影效果，并且能更多的照亮各表面［2］。候車廳就是這樣一個(gè)空間，可是天津站的側(cè)窗位于東西兩側(cè)，窗子上面遮陽(yáng)措施不到位，當(dāng)早晨和傍晚時(shí)，陽(yáng)光會(huì)通過(guò)兩側(cè)的高窗直射進(jìn)來(lái)，這種情況多少有些令人不愉快。

圖2 候車廳高側(cè)窗

圖3 高側(cè)窗遮光隔板結(jié)構(gòu)

2.3 玻璃幕墻

玻璃幕墻在天然采光方面有很好的作用，但并不是每個(gè)方向的玻璃幕墻都能取得很好的效果，只有位于北側(cè)玻璃幕墻才具有比較穩(wěn)定、舒服的光線。天津站候車廳中位于北側(cè)的玻璃幕墻擁有比較好的采光效果，照度的衰減比較小。在北側(cè)的玻璃幕墻造型上，設(shè)計(jì)者還考慮了視覺(jué)和整個(gè)空間的效果，采用了方格分割玻璃幕墻，使得很大的一個(gè)玻璃幕墻不至于產(chǎn)生功能上的眩光。雖然整個(gè)玻璃幕墻很大，但是它仍不足以滿足100多米建筑進(jìn)深的采光，不能作為建筑的主采光源，在空間和采光的主次上，北側(cè)的玻璃幕墻的采光服從于頂部采光，是頂部采光的效果的一個(gè)補(bǔ)充，這在空間的營(yíng)造上也符合“只有從一個(gè)方面得到強(qiáng)烈的照明，同時(shí)還要有較大的光線強(qiáng)弱差異，才能取得造型的表現(xiàn)力?！保?］

在對(duì)空間的引導(dǎo)方面，北側(cè)的玻璃幕墻也是從屬地位，天津站的主入口是在南邊，當(dāng)人們從南入口乘電梯進(jìn)入二樓候車廳時(shí)，天窗照下來(lái)的光線是空間的主角，北側(cè)玻璃幕墻進(jìn)入空間的自然光線只能作為配角出現(xiàn)，因?yàn)橹饕某塑嚳诙荚谔齑爸車植?。進(jìn)入這個(gè)空間人們會(huì)選擇比較亮的方向走過(guò)，然后張望，這時(shí)如果北側(cè)玻璃幕墻比較亮，那么會(huì)傳達(dá)給人們錯(cuò)誤的引導(dǎo)信息。這種光線的一亮一暗、一主一從很好的演繹了交通建筑的功能性。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

天津站在白天是全部采用的天然光照明的，沒(méi)有任何人工光的參與，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)出的數(shù)據(jù)是候車廳內(nèi)實(shí)際天然光應(yīng)用的情況。

在候車廳內(nèi)將大廳分為9個(gè)區(qū)域 (如圖4)，每個(gè)區(qū)域在中心點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試儀器為:Testo545照度計(jì)和柱面照度計(jì)，采用定點(diǎn)測(cè)量取平均值 (地面水平照度測(cè)試時(shí)間為2010年5月18日，天氣晴朗;柱面照度測(cè)試時(shí)間為2010年10月13日，室外天氣為多云，測(cè)試高度為160cm)，通過(guò)8:00～18:00這個(gè)時(shí)段內(nèi)九個(gè)點(diǎn)的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在候車廳內(nèi)水平照度和柱面照度是在很高的一個(gè)水平上變化的，從數(shù)據(jù)中我們即可得知，這種照度水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于交通建筑的照度要求 (150lx～200lx)。為在此候車的旅客提供了一個(gè)非常明亮、安全的環(huán)境?？墒峭ㄟ^(guò)圖表分析和軟件處理后的圖形，我們還可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)空間的照度均勻度不是很好，影響整個(gè)候車廳空間光環(huán)境的質(zhì)量。

圖5是一天的地面水平照度平均值分布圖，從圖中我們可以看到，候車廳總體上照度還是很高的，一般都在300lx以上，但是均勻度并不理想，照度值最高處達(dá)到1200lx，最低處300lx左右，對(duì)比度高達(dá)4∶1。分析其原因有兩個(gè)方面:其一，是因?yàn)槟蟼?cè)的實(shí)體墻幾乎占據(jù)了全部面積，天然光只能主要由天窗來(lái)給予，但由于室內(nèi)墻體和屋頂材料的不能很好地起到漫反射作用，造成候車廳一側(cè)的區(qū)域不能獲得良好的照度:其二，位于天窗下的區(qū)域，照度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其周圍的區(qū)域，造成整個(gè)空間照度均勻度較低，雖然天窗使用了擋光板，但是結(jié)果并不理想，天窗進(jìn)入室內(nèi)的光線沒(méi)能更好的漫反射到整個(gè)室內(nèi)空間，透過(guò)高側(cè)窗進(jìn)入室內(nèi)的光線，由于天花板材料的反射比較低，也不能很好地反射到室內(nèi)。

圖4 火車站候車廳平面圖

圖5 候車大廳平面照度分布圖(2010年5月18日，天氣晴朗)

圖6顯示了一天中各測(cè)點(diǎn)柱面照度的變化情況?？梢钥吹剑蜍噺d在有晴天和有云的中間天空狀態(tài)下，大廳內(nèi)所測(cè)試點(diǎn)其柱面照度都能保證在200 lx以上，有的點(diǎn)在中午的時(shí)間短達(dá)到1000 lx，從而營(yíng)造了大廳內(nèi)部空間環(huán)境明亮的效果，可視性相當(dāng)之高;而在全陰天狀態(tài)下，天窗下的區(qū)域依然有一個(gè)比較好的可視度，柱面照度能在100 lx波動(dòng)，但在大廳內(nèi)有些區(qū)域 (例如所測(cè) J和I點(diǎn))其可視性就非常低，需要借助人工光來(lái)輔助照明。如果在這種天氣下，把天窗進(jìn)入室內(nèi)的光線也借助一些手段更多的到達(dá)這個(gè)區(qū)域就更加理想了。

圖6 柱面照度曲線圖 (2010年10月13日，室外天氣為多云，測(cè)試高度為160cm)

但是從圖表中也可以看到，同一時(shí)間，每個(gè)點(diǎn)柱面照度有很大的差別，在中間天空狀態(tài)下柱面照度最低點(diǎn)I與最高點(diǎn)E的對(duì)比度D＞10，這個(gè)數(shù)值體現(xiàn)室內(nèi)大廳的柱面照度均勻度也是不夠理想，光線不夠均勻，影響大廳內(nèi)部的可視性。在室外天氣不理想的狀態(tài)下，給乘客帶來(lái)很大的不便。

4 改造措施和建議

4.1 天窗

在夏季，直射進(jìn)入大廳的陽(yáng)光會(huì)帶來(lái)一些眩光和紫外線，也會(huì)增加制冷能耗，從而影響了室內(nèi)環(huán)境的舒適性和功能性。在這個(gè)建筑中，光的直射造成的不舒適感覺(jué)可以減小甚至避免，經(jīng)研究分析天窗的遮光板沒(méi)有很好的發(fā)揮遮陽(yáng)作用，豎直吊放的遮光板首先表面漫反射不夠，不能很好的反射直射的太陽(yáng)光，造成候車廳內(nèi)光線不夠均勻;在遮陽(yáng)板的擺放中，距離和角度不夠合理。如果采用動(dòng)態(tài)采光策略，天窗的采光效果會(huì)更好 (如圖7)，經(jīng)過(guò)遮陽(yáng)板的反射和漫反射，整個(gè)室內(nèi)將會(huì)呈現(xiàn)出更為柔和的光照效果。這種自然采光方式使人不能完全看到天空，但室內(nèi)采光質(zhì)量經(jīng)過(guò)二次漫反射會(huì)有一個(gè)比較理想的照度均勻度，在夏季也不至于室內(nèi)會(huì)出現(xiàn)局部溫度過(guò)高，需要借助于人工制冷設(shè)備來(lái)降低溫度，雖然“就提供相同的照度而言，天然光帶來(lái)的熱量仍少于大多數(shù)人工光源的發(fā)熱量”［4］這樣的結(jié)果，但是能將兩者完美的結(jié)合是我們?cè)诰G色建筑中更高的追求，所出現(xiàn)的結(jié)果也將使天津站采光效果更加的舒服宜人。

圖7 動(dòng)態(tài)采光系統(tǒng) (RETROFlexTherm)

4.2 高側(cè)窗

在早晨或者下午，陽(yáng)光會(huì)通過(guò)高側(cè)窗直射到室內(nèi)，特別是夏天的西曬，面對(duì)這種情況就又必須考慮遮陽(yáng)，這里可以采用以下方法來(lái)考慮:

圖8 動(dòng)態(tài)遮陽(yáng)板細(xì)部

1.采用遮光裝置來(lái)遮擋，在側(cè)窗上部安裝一個(gè)或一組反射裝置，使窗口附近的直射陽(yáng)光經(jīng)過(guò)一次或多次的反射進(jìn)入室內(nèi)，既遮擋了不需要的直射光線，又提高房間內(nèi)部照度均勻度。在東西向兩側(cè)的遮光中可使用可控制百葉窗，它更為方便且無(wú)須對(duì)建筑結(jié)構(gòu)做任何變動(dòng)，是所有遮陽(yáng)措施中應(yīng)該首先考慮的。

圖9 安裝遮光設(shè)置前后室內(nèi)照度對(duì)比

2.采用導(dǎo)光棱鏡窗。導(dǎo)光棱鏡窗的一面是平的，一面帶有平行的棱鏡，它可以有效減少窗戶附近有直射光而引起的眩光，并且大大提高了室內(nèi)照度的均勻度。雖然人們通過(guò)導(dǎo)光棱鏡窗向外看時(shí)，窗外的一切都是模糊和變形的，可是對(duì)于天津站這種高側(cè)窗且室外沒(méi)有什么風(fēng)景可以欣賞的前提下是非常合適的。

圖10 導(dǎo)光棱鏡窗采光示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

天然光不僅使建筑內(nèi)部空間環(huán)境更加舒適，更加適于人的生活和工作，同時(shí)能夠節(jié)約能源消耗，為人們帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。天津站僅是眾多交通建筑中采用自然光照明的一例，在采光方式和空間營(yíng)造上有很多值得借鑒的地方，但是在一些技術(shù)和細(xì)節(jié)上仍顯不足。隨著技術(shù)的不斷提高，新技術(shù)與中國(guó)傳統(tǒng)采光方式相結(jié)合，不但能提高室內(nèi)的均勻照度，更能創(chuàng)造節(jié)能和健康的環(huán)境。

［1］楊公俠．視覺(jué)與視覺(jué)環(huán)境 上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2000．

［2］M·得瓦羅夫斯基．陽(yáng)光與建筑．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1983．

［3］瑪麗古左夫斯基著．可持續(xù)建筑的自然光運(yùn)用 (M)．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000．

［4］王愛英，時(shí)剛．天然采光技術(shù)新進(jìn)展．建筑學(xué)報(bào)，2003(03):64～66．

［5］建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)．GB 50034—2004．

圖片來(lái)源:

圖3根據(jù)M·戴維·埃甘 (美)等．建筑照明 繪制．中國(guó)建筑工業(yè)出版社．2006:P119;

圖7引自赫爾穆特·考斯特 (德)．王宏偉譯．動(dòng)態(tài)自然采光建筑原理與應(yīng)用．2007 05:P70

圖9引自 http://faculty．scu．a(chǎn)c．jp/msaito/LSCOR04slides．pdf

圖10引自赫爾穆特·考斯特 (德)．王宏偉譯．動(dòng)態(tài)自然采光建筑原理與應(yīng)用．2007 05:P223

其余照片和圖表均為作者拍攝和繪制