天津某地下交通樞紐自然采光數(shù)值模擬與優(yōu)化研究

李 偉，白 云，那艷玲

(1. 天津城建大學(xué)，天津 300384；2. 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

城市交通

天津某地下交通樞紐自然采光數(shù)值模擬與優(yōu)化研究

李 偉1，白 云1，那艷玲2

(1. 天津城建大學(xué)，天津 300384；2. 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

采用數(shù)值模擬的方法對(duì)天津某交通樞紐地下空間的自然采光情況進(jìn)行了分析與優(yōu)化研究．通過(guò)模擬結(jié)果可知，其候車大廳自然采光效果較好，春秋分、夏至、冬至照度平均值分別為3 620.64，4 497.60，2 178.97 lx；站臺(tái)層春秋分、夏至、冬至照度平均值分別為 34.97，43.79，21.10 lx；進(jìn)站廳下方扶梯秋分日照度平均值為99.29 lx．經(jīng)采光設(shè)計(jì)優(yōu)化后，站臺(tái)層照度平均值提高了約40%，分別達(dá)到51.7，64.86，31.28 lx；進(jìn)站廳下方扶梯照度平均值提高了110.9%，達(dá)到209.42 lx．

地下空間；交通樞紐；自然采光；數(shù)值模擬

在地下空間的使用過(guò)程中，光環(huán)境問(wèn)題變得越來(lái)越重要，自然采光設(shè)計(jì)的優(yōu)劣不僅影響著人們的身心健康，還對(duì)建筑節(jié)能具有十分重要的意義．通過(guò)實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大部分地下軌道交通站點(diǎn)沒(méi)有充分利用其采光條件，全部采用人工照明，浪費(fèi)了能源并且降低了舒適度[1-7]．

本文利用建筑性能集成化分析軟件中的Radiance IES模塊，對(duì)天津某交通樞紐地下空間的自然采光情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析與優(yōu)化研究，為地下空間的自然采光設(shè)計(jì)及節(jié)能評(píng)價(jià)研究提供一定的參考與借鑒．

1 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象為京津城際延長(zhǎng)線至天津?yàn)I海新區(qū)的一座大型地下交通樞紐．該樞紐設(shè)計(jì)為地下三層．地下最大埋深約33 m，工程總建筑面積約26萬(wàn)m2．地面設(shè)計(jì)了一個(gè)“貝殼”形狀的穹頂結(jié)構(gòu)，地面層的主要功能為進(jìn)站大廳，通過(guò)進(jìn)站大廳進(jìn)入地下一層的候車區(qū)．穹頂下地面層開(kāi)橢圓形大洞，開(kāi)洞下方地下一層為城際火車站的候車廳、售票廳、進(jìn)出站廳及辦公管理、設(shè)備用房等．此外，地下一層作為各地鐵車站的站廳層和公共換乘大廳，是樞紐客流出行、換乘使用的主要空間．地下二層為城際火車站和兩條線路的地鐵站臺(tái)層，城際火車站場(chǎng)規(guī)模為三臺(tái)六線，地下三層為一條地鐵線路的站臺(tái)層[8]．

本文研究?jī)?nèi)容包括：①地下一層候車大廳的自然采光模擬分析；②地下二層站臺(tái)層的自然采光模擬優(yōu)化；③進(jìn)出站廳部位的自然采光模擬優(yōu)化．

2 數(shù)值模擬模型的建立和相關(guān)參數(shù)的設(shè)定

根據(jù)調(diào)研收集到的數(shù)據(jù)和資料，以研究?jī)?nèi)容及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)建立模型，和圖1所示．建立的建筑模型尺寸長(zhǎng)220 m，寬60.5 m．地面層高度為0 m，地下一層高度為負(fù)11 m，地下二層高度為負(fù)19.8 m．

圖1 數(shù)值模擬模型

(1)候車大廳．候車廳頂部頂板開(kāi)洞(見(jiàn)圖2)，洞口面積3 600 m2．在保證透過(guò)面積和綜合透光率相同的情況下，對(duì)建立的模型包含在“貝殼”穹頂結(jié)構(gòu)下的部分進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)以方便數(shù)值模擬計(jì)算．

(2)站臺(tái)層．候車廳中板開(kāi)洞，在不破壞結(jié)構(gòu)體系的前提下，結(jié)合建筑平面的布置，保證地下二層綜合管線的可行性設(shè)置數(shù)量合理的采光口．總計(jì)共設(shè)置15個(gè)菱形采光口(見(jiàn)圖3)，每個(gè)采光口面積為6.65 m2，總開(kāi)口面積約 100 m2，占站臺(tái)公共面積的0.68% ．考慮到站廳內(nèi)人及玻璃對(duì)光線的遮擋，設(shè)定采光口玻璃的透射率為0.50．

圖2 候車廳頂板開(kāi)洞

圖3 候車廳中板開(kāi)洞

(3)進(jìn)出站廳．進(jìn)站廳頂板、中板開(kāi)洞，三個(gè)站臺(tái)每個(gè)站臺(tái)頂板開(kāi)洞采光口長(zhǎng)1.4 m，寬5.5 m，總計(jì)共7個(gè)，每個(gè)間距3.8 m，采光口面積53.9 m2；中板開(kāi)洞采光口長(zhǎng)22 m，寬17.3 m，采光口面積380.6 m2．北出站廳頂板開(kāi)洞，三個(gè)站臺(tái)每個(gè)站臺(tái)頂板開(kāi)洞采光口長(zhǎng)20.7 m，寬5.7 m，采光口面積118 m2(見(jiàn)圖4、圖5)．采光口玻璃透射率均設(shè)定為0.70．

該地下交通樞紐位于天津(北緯 39°06'，東經(jīng)117°10')，屬Ⅲ類光氣候區(qū)．天津氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季分明．在冬至日，正午太陽(yáng)高度角為 27°54'；在夏至日，正午太陽(yáng)高度角為73°51'，正午太陽(yáng)高度角全年都在此范圍內(nèi)變化．

圖4 北出站廳、進(jìn)站廳頂板開(kāi)洞

圖5 進(jìn)站廳中板開(kāi)洞

由于春分和秋分的天空和太陽(yáng)入射條件基本相同，為簡(jiǎn)化工作量，本文不再模擬春分的采光情況，用秋分的模擬結(jié)果代表春、秋分的采光情況．模擬日期分別為6月21日(夏至)、9月23日(秋分)、12月22日(冬至)，以CIE標(biāo)準(zhǔn)全陰天為研究場(chǎng)景．

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 候車大廳采光模擬

通過(guò)采光模擬，得到春秋分、夏至和冬至候車大廳的照度和采光系數(shù)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)及照度分布云圖(見(jiàn)圖6-8)．

表1 候車大廳的照度平均值和采光系數(shù)平均值

圖6 秋分照度數(shù)值模擬

圖7 夏至照度數(shù)值模擬

圖8 冬至照度數(shù)值模擬

結(jié)果表明：候車大廳春秋分照度平均值為3 620.64 lx；夏至照度平均值為 4 497.60 lx；冬至照度平均值為2 178.97 lx，滿足自然采光的基本要求．同時(shí)，候車大廳周邊的房間及售票廳也可以獲得間接的自然采光．

3.2 站臺(tái)層采光模擬與優(yōu)化

原采光設(shè)計(jì)方案中，站臺(tái)層的采光口設(shè)計(jì)為菱形，每個(gè)采光口面積為6.65 m2，總計(jì)共15個(gè)，總開(kāi)口面積約100 m2．

站臺(tái)層內(nèi)表面反射比分別為：內(nèi)表面墻面0.70、地面 0.20、頂棚 0.90．設(shè)定采光口玻璃的透射率為0.50，通過(guò)采光模擬，得到站臺(tái)層的照度數(shù)據(jù)(見(jiàn)表2)及分布圖(見(jiàn)圖9-11)．

表2 開(kāi)菱形窗洞口情況下站臺(tái)層的照度平均值 lx

圖9 春秋分照度分布

圖10 夏至照度分布

圖11 冬至照度分布

根據(jù)城市軌道交通各類場(chǎng)所正常照明的標(biāo)準(zhǔn)值規(guī)定，車站站廳(地下)照度應(yīng)達(dá)到200 lx[9]，因此，采用菱形采光口的站臺(tái)層并不能滿足照明要求，仍需增加人工照明．

根據(jù)采光理論可知，就采光量來(lái)說(shuō)，在窗洞口面積相等的情況下，正方形窗口采光量最高，同時(shí)，采光口的數(shù)量形式位置對(duì)采光效率也有較大影響[10]．根據(jù)上述理論，筆者對(duì)采光設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了a、b兩種優(yōu)化方案，如圖12所示．

圖12 正方形采光口分布

方案a：采光口個(gè)數(shù)與面積不變，形狀改變；在相同位置設(shè)置15個(gè)正方形窗洞口如圖12a所示，每個(gè)采光口面積為6.65 m2，總開(kāi)口面積約100 m2；在相同條件下再次進(jìn)行模擬，得到以下數(shù)據(jù)( 見(jiàn)表3)．

表3 開(kāi)15個(gè)正方形窗洞口站臺(tái)層的照度平均值 lx

通過(guò)以上采光模擬的數(shù)據(jù)可知：在采光口面積和個(gè)數(shù)相同的情況下，正方形采光口的采光效果優(yōu)于菱形，春秋分照度平均值由34.97 lx提高到36.46 lx；夏至照度平均值由43.79 lx提高到45.73 lx；冬至照度平均值由21.10 lx提高到22.15 lx，照度平均值提高了4% ～5% ．

方案 b：采光口總面積不變，個(gè)數(shù)改變；在原采光口位置區(qū)域重新排布正方形采光口，每個(gè)采光口面積為4 m2，總計(jì)共25個(gè)，如圖12b所示，總面積100 m2；在相同條件下模擬得到以下數(shù)據(jù)，如表4所示．

表4 開(kāi)25個(gè)正方形窗洞口站臺(tái)層的照度平均值 lx

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可知：采光口總面積保持不變的條件下，減小單個(gè)采光口面積，增加采光口的個(gè)數(shù)，春秋分照度平均值由36.46 lx提高到51.70 lx；夏至照度平均值由45.73 lx提高到64.86 lx；冬至照度平均值由22.15 lx提高到31.28 lx，照度平均值提高了約40%，采光效率大大提高，可以有效減少人工照明，節(jié)約能源．

3.3 進(jìn)出站廳采光模擬與優(yōu)化

模擬參數(shù)設(shè)置：秋分日，CIE標(biāo)準(zhǔn)全云天．內(nèi)表面墻面反射比0.70、地面0.20、頂棚0.90．設(shè)定采光口玻璃的透射率為0.70．模擬后得到以下數(shù)據(jù)：北出站廳頂板開(kāi)洞下方地下一層地面的照度平均值為665.52 lx，進(jìn)站廳頂板開(kāi)洞下方地下一層地面的照度平均值為364.96 lx，進(jìn)站廳中板開(kāi)洞下方扶梯的照度平均值為99.29 lx．車站進(jìn)站廳和北出站廳所設(shè)計(jì)的頂板開(kāi)洞，引入了自然光，光線可以直接照射到站臺(tái)層，進(jìn)站廳中板開(kāi)洞，把部分自然光線引到了地下二層，采光效果如圖13所示．

圖13 進(jìn)出站廳自然采光效果

通過(guò)模擬結(jié)果可知，進(jìn)站廳頂板開(kāi)洞的方式采光效率較低．根據(jù)城市軌道交通各類場(chǎng)所正常照明的標(biāo)準(zhǔn)值規(guī)定，車站樓梯、自動(dòng)扶梯的照度要達(dá)到150 lx，原方案不能滿足標(biāo)準(zhǔn)．因此，嘗試改變采光洞口的開(kāi)口方式，以一個(gè)站臺(tái)為例，在相同的條件下再次進(jìn)行模擬，保持采光口總面積不變，改變采光口位置和大小，模擬結(jié)果表明，照度平均值并未有較大改變，因此應(yīng)適當(dāng)增加采光口面積．取消 7個(gè)采光口之間間距，改為連續(xù)的一個(gè)采光口，進(jìn)站廳頂板開(kāi)洞下方地下一層地面的照度平均值為892.97 lx，中板開(kāi)洞下方扶梯的照度平均值達(dá)到369.17 lx，大大超過(guò)了正常照明標(biāo)準(zhǔn)值，造成了不必要的浪費(fèi)．進(jìn)一步優(yōu)化得到最后方案如下：將7個(gè)采光口長(zhǎng)度由1.4 m增至2.1 m，寬度保持不變，即采光口面積擴(kuò)大1.5倍．照度數(shù)據(jù)及分布如表5、圖14所示．

表5 進(jìn)站廳開(kāi)洞下方地面及扶梯的照度平均值 lx

圖14 進(jìn)站廳頂板開(kāi)洞下方地面照度數(shù)值模擬

通過(guò)數(shù)值模擬的結(jié)果可知：經(jīng)過(guò)采光口設(shè)計(jì)優(yōu)化，進(jìn)站廳頂板開(kāi)洞下方地下一層地面的照度平均值由364.96 lx提高至590.71 lx，是原方案照度平均值的 1.62倍；中板開(kāi)洞下方扶梯的照度平均值由99.29 lx提高至209.42 lx，是原方案照度平均值的2.11倍，采光效果良好，可以達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求．

4 結(jié) 論

本文研究的天津某交通樞紐地下空間候車大廳春秋分、夏至、冬至照度平均值分別為 3 620.64，4 497.60，2 178.97 lx，滿足自然采光的基本要求，其周邊的房間及售票廳也可以獲得間接的自然采光．站臺(tái)層春秋分、夏至、冬至照度平均值分別為 34.97，43.79，21.10 lx．經(jīng)采光設(shè)計(jì)優(yōu)化后，其照度平均值提高了約40%，分別達(dá)到51.7，64.86，31.28 lx，采光效率大幅提高．進(jìn)站廳下方扶梯照度平均值為99.29 lx，經(jīng)過(guò)采光口優(yōu)化設(shè)計(jì)，照度平均值達(dá)到209.42 lx，能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求．

由本文的研究可知，通過(guò)合理的采光設(shè)計(jì)和技術(shù)手段，地下建筑空間具有實(shí)現(xiàn)自然采光的可行性，具有較大的節(jié)能潛力．同時(shí)，利用數(shù)值模擬手段對(duì)地下空間采光進(jìn)行研究，有助于提高采光方案設(shè)計(jì)工作的效率和精準(zhǔn)程度，從而得到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案．

另外，由于結(jié)構(gòu)體系和功能的限制，地下空間有些區(qū)域無(wú)法實(shí)現(xiàn)自然采光，需要借助導(dǎo)光管系統(tǒng)等更先進(jìn)的技術(shù)手段，在今后的研究中將進(jìn)行進(jìn)一步探索．

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Study of Numerical Simulation and Optimization on Daylight of an Underground Transportation Hub in Tianjin

LI Wei1，BAI Yun1，NA Yan-ling2
(1. Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；2. The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China)

In this paper the daylight of an underground transportation hub in Tianjin is studied by using the method of numerical simulation. It can be seen from the numerical simulation results that the average illumination in the waiting halls is 3 620.64 4 497.60 and 2 178.97 lx in the equinox summer solstice and winter solstice respectively while that of the platform layer is 34.97 43.79 and 21.10 lx. By optimizing the original daylight design of the platform the average illumination has increased 40% and reached 51.7 64.86 and 31.28 lx. The average illumination of the escalator below pitted hall is 99.29 lx. By optimizing the design the average illumination has reached 209.42 lx.

underground space；transportation hub；daylighting；numerical simulation

TU113.54

A

2095-719X(2015)06-0439-05

2015-01-12；

2015-03-03

李 偉（1975—），男，遼寧寬甸人，天津城建大學(xué)副教授．