太子城站鈦鋅板屋面反光特性研究

蔣潔菲，孫逸夫，李恒興，張 騫，蔡建國

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055；2.東南大學(xué)國家預(yù)應(yīng)力工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210096)

引言

鈦鋅板是一種高級金屬合金板，目前鈦鋅板以其優(yōu)越的性能和良好的性價(jià)比得到廣泛的應(yīng)用。新加坡Woodland海關(guān)、挪威奧斯陸高德莫恩機(jī)場、羅馬藝術(shù)中心小歌劇院、杜塞爾多國際機(jī)場酒店以及鄭州國際會(huì)展中心等建筑物的屋面都采用鈦鋅板系統(tǒng)。雖然鈦鋅板在歐洲已得到廣泛的應(yīng)用，但在我國仍處于發(fā)展階段，鈦鋅金屬屋面板作為一種新型的金屬屋面方案尚未得到充分肯定。鈦鋅面板為金屬面板，具有良好的反光性能，太陽光經(jīng)過鈦鋅面板的反射形成反射光，周邊行人車輛受到強(qiáng)烈反射光的影響會(huì)干擾正?；顒?dòng)，嚴(yán)重的甚至?xí)斐山煌ㄊ鹿?。隨著人們對生活水平要求的提高，建筑光污染問題越來越受到重視。

目前國內(nèi)外的相關(guān)研究主要集中在玻璃幕墻對周圍環(huán)境的影響上。Wong[1]利用MATLAB軟件對香港國際商業(yè)中心(ICC)進(jìn)行建模分析，研究了高層建筑的太陽反射光對周圍環(huán)境的影響。閻冰等[2]利用彩色CCD相機(jī)進(jìn)行光亮度采集進(jìn)行眩光分析。也有通過軟件模擬進(jìn)行光污染分析[3-5]。還有通過理論分析研究光污染評價(jià)體系[6-9]，但分析對象都是針對規(guī)則的平面結(jié)構(gòu)，對曲面結(jié)構(gòu)的研究較為缺乏。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，以反射光影響范圍為主要研究對象，對雙曲屋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，并基于不同光照條件，對模擬結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的分析說明。

1 反射光影響因素

1.1 反射材料

對反射材料而言，其主要反光特性包括以下三個(gè)方面：①吸收率。吸收率介于0與1之間，表示材料吸收的入射能量占總?cè)肷淠芰康陌俜直?，?0%為例，表示能吸入80%的入射能量。②反射比。反射比表示材料反射的入射能量占總?cè)肷淠芰康陌俜直取Ｒ?0%為例，表示能反射20%的入射能量。③發(fā)射率。發(fā)射率是具有較高能量的物體向具有較低能量的物體傳遞能量的能力。

其中反射比是衡量屋面材料反射能力的重要指標(biāo)，反射比越大，表示材料在相同光照條件下會(huì)形成更強(qiáng)烈的反射光，反射光照度計(jì)算如下[10]：

(1)

式中：ER——反射光照度；ED——直射光照度；ES散射光照度；R——材料反射比。

基于上式，為降低因反射光形成的光污染，宜選用反射比較低的材料。表1為不同材料的反光特性。

表1 不同材料的反光特性

從表1中可以看出，對鈦鋅板進(jìn)行預(yù)鈍化處理可以大大降低其反射比，且隨著時(shí)間的推移，預(yù)鈍化的鈦鋅板反射比還會(huì)繼續(xù)降低，減小其由于反射光帶來的光污染。

根據(jù)國家技術(shù)監(jiān)督局頒布的《玻璃幕墻光熱性能》[11]，對玻璃幕墻進(jìn)行了以下規(guī)定：為限制玻璃幕墻的有害光反射，玻璃幕墻應(yīng)采用反射比不大于0.30的幕墻玻璃。而對于金屬屋面板，我國目前暫無相關(guān)規(guī)范。預(yù)鈍化處理的鈦鋅板，其反射比為0.313，并且隨著使用時(shí)間的增長，反射比不斷降低，基本符合《玻璃幕墻光熱性能》的要求。

1.2 建筑環(huán)境

影響建筑環(huán)境的主要因素為太陽光的入射角度以及入射光照強(qiáng)度，將其總結(jié)為緯度因素以及時(shí)間因素兩方面。

1.2.1 時(shí)間因素

在同一天內(nèi)，太陽高度角與太陽輻射強(qiáng)度呈正態(tài)分布。太陽高度角從日出到日落呈先增大后減小，在正午12點(diǎn)達(dá)到最大值。太陽輻射強(qiáng)度取決于太陽高度角，隨太陽高度角的增大而增大。

在同一年內(nèi)，不同時(shí)間太陽高度角所能達(dá)到的最大值與日期有關(guān)。以北京市為例，冬至日正午太陽高度角為26°34′，夏至日太陽高度角為73°26′，春分以及秋分太陽高度角為50°。太陽高度角的計(jì)算公式為：

sinh=sinδsinφ+cosδcosφcost

(2)

其中：h——太陽高度角；δ——太陽直射點(diǎn)緯度；φ——當(dāng)?shù)鼐暥?；t——太陽時(shí)角。

1.2.2 緯度因素

由太陽高度角公式可知，除了與時(shí)間有關(guān)外，當(dāng)?shù)鼐暥纫彩怯绊懱柛叨冉堑闹匾蛩?。以北京市為例，北京市處于北?0°，在北回歸線以外，因此太陽全年不會(huì)直射北京。太陽直射點(diǎn)的緯度與當(dāng)?shù)鼐暥认嗖钤酱?，太陽高度角越小。夏至日太陽直射點(diǎn)為北回歸線，此時(shí)北京市太陽高度角達(dá)到最大值；冬至日時(shí)太陽直射點(diǎn)為南回歸線，此時(shí)北京市太陽高度角為最小值。

1.3 建筑形態(tài)

目前國內(nèi)建筑形式越來越多樣化，不同的建筑形態(tài)對光線的反射效果產(chǎn)生不同的影響，以下將建筑形態(tài)分為平面形態(tài)以及立面形態(tài)進(jìn)行分析。

1.3.1 平面形態(tài)

建筑的平面形態(tài)表示為太陽光照射至建筑物時(shí)平面形狀，入射光會(huì)因?yàn)椴煌钠矫嫘螒B(tài)產(chǎn)生不同的反射光線。如圖1所示，太陽光照射至平直的面板上，反射光將相互平行射出；太陽光照射至凹形圓平面上會(huì)將光線聚集；太陽光照射至凸形圓平面上會(huì)將光線分散。

圖1 不同平面形態(tài)下的反射光線Fig.1 Reflection light in different plane forms

1.3.2 立面形態(tài)

建筑的立面形態(tài)主要考慮面板與地面之間的夾角。由于目前建筑的多樣化，許多建筑的面板不與地面垂直，其反射光線也會(huì)受到影響。如圖2所示為同一入射光線下不同傾斜角度的面板堆反射光線的影響。

圖2 不同立面形態(tài)下的反射光線Fig.2 Reflected light in different elevation forms

2 案例概況

新建太子城站位于京張高鐵崇禮支線，位于張家口市崇禮縣太子城村，是2022年北京冬奧會(huì)的主賽場，距離張家口市50 km，距離崇禮縣城15 km，距離太子城村2 km。太子城站遠(yuǎn)期高峰小時(shí)發(fā)送量為800人，奧運(yùn)期間高峰小時(shí)發(fā)送量為6 000人，太子城站站房建筑面積按12 000 m2控制。周邊有國賓山莊、國際會(huì)議中心、冬奧會(huì)賽區(qū)場地、奧運(yùn)村等公共建筑。車站鈦鋅板屋面采用雙曲弧線造型，曲線形式與周圍山勢相呼應(yīng)，雙曲屋面直接落地。

太子城的效果圖如圖3所示。

圖3 太子城站效果圖Fig.3 Rendering of Taizicheng Railway Station

3 模擬分析

在建筑設(shè)計(jì)中，建筑的平面形態(tài)與立面形態(tài)對反射結(jié)果影響較大。本文采用太子城站作為研究對象，采用Autodesk Ecotect Analysis作為分析軟件對太子城站進(jìn)行反射光影響模擬分析。

太子城站屋面采用雙曲屋面形式，站房面寬222 m，進(jìn)深27 m，站房高度16.8 m,太子城站周邊較為空曠，除綠化外無其余建筑物，基于此在Rhino中進(jìn)行建模并導(dǎo)入Ecotect中(圖4)。

圖4 分析模型圖Fig.4 Analysis model

在分析前，首先對面板材料進(jìn)行定義，由于所有鈦鋅板均為反射面，將面板定義為“窗”，并在其下新建一個(gè)名為“Titanium-zinc”的材料，將所測預(yù)鈍化鈦鋅板的吸收率(0.687)、反射比(0.313)和發(fā)射率(0.23)進(jìn)行數(shù)值賦予。在模型中，將所有面板指定為陽光反射體，而因?yàn)樘映钦局車^為空曠，周圍無其他建筑模型，無需指定受影面。其后導(dǎo)入張家口的地理及氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬分析。

3.1 影響范圍分析

鑒于太子城站的特殊地理位置以及作為冬奧會(huì)重要交通樞紐，需對冬奧會(huì)使用期間反射光影響范圍進(jìn)行分析。為了確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)張家口當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件對反射光在全天內(nèi)影響范圍進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，以15 min為時(shí)間節(jié)點(diǎn)截取數(shù)據(jù)，得到春秋分、夏至日、冬至日和冬奧會(huì)期間(2月4日)四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的全天影響范圍效果圖(圖5)，圖中根據(jù)反射光累積形成的區(qū)域反映反射光的影響時(shí)間，顏色越深代表影響時(shí)間越久。

圖5 影響范圍效果圖Fig.5 Schematic diagram of influence scope

從圖5中可以看出，采用雙曲屋面結(jié)構(gòu)，反射光呈現(xiàn)出多層級影響范圍，而非平面結(jié)構(gòu)的連續(xù)性影響范圍，說明采用雙曲屋面形式可以有效分散反射光。

從春秋分到夏至日，反射光在近車站位置的影響時(shí)間逐漸增加，這是由于夏至日有更高的太陽高度角，在反射面形式不變的情況下，反射光不斷向車站靠攏。從春秋分到冬至日，反射光影響范圍縮小且影響時(shí)間明顯縮短，一方面由于冬至日照時(shí)間的縮短，另一方面隨著太陽高度角的減小，地面上的反射光距車站更遠(yuǎn)。夏至日太陽輻射強(qiáng)烈，反射光影響范圍較廣且時(shí)間較長，需要對反射光產(chǎn)生的光污染進(jìn)行著重控制。冬至日太陽輻射較弱，反射光影響范圍較小，對周圍環(huán)境影響較小。冬奧會(huì)舉辦持續(xù)時(shí)間為2月4日至2月20日，該時(shí)間段位于春分以及冬至日之間，此時(shí)的反射光主要集中在車站正前方，對較遠(yuǎn)周邊影響較小，期間舉辦的奧運(yùn)活動(dòng)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離車站附近以避免反射光的影響。

3.2 幾何參數(shù)影響分析

本文所研究的太子城站采用雙曲弧線造型設(shè)計(jì)，站房的每一個(gè)切面均可有理化定位，通過參數(shù)方程可以得到曲面上所有點(diǎn)位的位置坐標(biāo)。如圖6所示為屋面弧線示意圖，控制雙曲線模型的主要參數(shù)包括圓弧N1對應(yīng)的半徑R1、圓弧N2對應(yīng)的半徑R2和圓弧N3對應(yīng)的半徑R3。采用Rhino軟件進(jìn)行建模，并利用軟件中的Grasshopper插件用參數(shù)和程序?yàn)橹鲗?dǎo)進(jìn)行參數(shù)化建模。

圖6 屋面弧線示意圖Fig.6 The arches of the roof

采用Grasshopper控制參數(shù)建立不同參數(shù)下的模型，各個(gè)模型采用的參數(shù)見表2。R1控制橫向?qū)挾龋瑱M向?qū)挾入SR1的增大而減??；R2控制凈高，凈高隨R2的增大而減??；R3控制凈空，凈空隨R3的增大而減小。橫線寬度通常通過使用面積進(jìn)行確定，增大橫向?qū)挾葧?huì)使建筑面積增加從而增大成本。凈高由使用需求以及施工技術(shù)確定，增大凈高會(huì)增大設(shè)計(jì)難度以及成本。凈空則決定了建筑內(nèi)人員的舒適感。將建立好的模型導(dǎo)入至ECOTECT中進(jìn)行反光分析，選取冬奧會(huì)期間(2月4日)作為測量時(shí)間，導(dǎo)出不同參數(shù)下模型的全天內(nèi)影響范圍(圖7)。

表2 模型參數(shù)

圖7 不同模型反射效果圖Fig.7 Reflection effects of different models

由圖7可知，減小R1和增大R2均會(huì)導(dǎo)致反射光影響范圍減小，影響范圍向模型方向集中，這是由于在結(jié)構(gòu)其他參數(shù)不變的情況下橫向?qū)挾鹊脑龃蟾淖兞私M成雙曲結(jié)構(gòu)面板的立面形態(tài)，使得反射光更加分散，反射光集中影響的范圍隨之縮?。粶p小R3增大了凈空會(huì)導(dǎo)致反射光影響范圍擴(kuò)大，雖然較大的凈空使站內(nèi)旅客有更好的空間感，但會(huì)增強(qiáng)反射光對周邊環(huán)境的影響。

4 結(jié)論

本文分析了影響反射光的主要因素：反射材料、建筑環(huán)境、建筑形態(tài)。本文采用的鈦鋅板經(jīng)預(yù)鈍化處理，大大降低其反射比，且隨使用時(shí)間的增加反射比逐年降低，減小反射光對周圍環(huán)境的影響，有效降低金屬屋面板的光污染。

通過建立雙曲面模型，對太子城站反光特性進(jìn)行模擬分析，對不同時(shí)期以及不同幾何參數(shù)下的模型進(jìn)行反光分析。為減小反射光對周圍環(huán)境的影響，可根據(jù)車站實(shí)際需求以及周邊環(huán)境反光要求，結(jié)合車站設(shè)計(jì)對雙曲屋面進(jìn)行增大橫向?qū)挾龋瑴p小凈高以及凈空的處理，對優(yōu)化太子城站的建設(shè)具有指導(dǎo)意義。