高寒地區(qū)鐵路站房天然采光模擬及其優(yōu)化設(shè)計(jì)

張興艷，嚴(yán)建偉

(1.天津大學(xué) 建筑學(xué)院，天津 300072；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

采光是建筑室內(nèi)環(huán)境的重要部分，充分、合理的天然采光能夠保障人的視覺(jué)需要，提高光環(huán)境舒適度，增強(qiáng)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的認(rèn)同感及滿(mǎn)意度；同時(shí)，天然采光是太陽(yáng)光最直接、高效的利用方式，是對(duì)可再生能源的充分利用，能夠降低室內(nèi)照明能耗。對(duì)建筑光環(huán)境進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)是一個(gè)綜合性的問(wèn)題，通過(guò)科學(xué)的計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)測(cè)分析，對(duì)建筑方案進(jìn)行客觀(guān)的光環(huán)境評(píng)價(jià)，有助于建筑空間的合理規(guī)劃、設(shè)計(jì)、使用，并創(chuàng)造出舒適的光環(huán)境[1]。中國(guó)鐵路建設(shè)得到長(zhǎng)足發(fā)展，帶動(dòng)了鐵路站房的大量建設(shè)，截至2019年底，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程已超過(guò)13.9萬(wàn)km，已建成鐵路站房1 500余座[2]，2020年8月出臺(tái)的《新時(shí)代交通強(qiáng)國(guó)鐵路先行規(guī)劃綱要》提出：至2035年，我國(guó)鐵路網(wǎng)將覆蓋20萬(wàn)人口以上的城市[3]，鐵路站房的數(shù)量仍將持續(xù)增加。然而，鐵路站房屬于一類(lèi)特殊的高大空間建筑，其進(jìn)深和面寬大，站房的天然采光設(shè)計(jì)對(duì)光環(huán)境舒適度和建筑能耗有著巨大的影響。隨著可持續(xù)發(fā)展理念在鐵路建設(shè)領(lǐng)域的逐步深入，鐵路站房的天然采光設(shè)計(jì)受到廣泛關(guān)注。Danny H.W.Li和A.Zain-Ahmed等[4-5]研究發(fā)現(xiàn)良好的采光方案能節(jié)省大量的建筑能耗；在此基礎(chǔ)上，Danny H.W. Li等[6]分析了天然光強(qiáng)度對(duì)室內(nèi)照度的影響，論證了通過(guò)天然采光可獲得良好的室內(nèi)光環(huán)境舒適度。研究發(fā)現(xiàn)，鐵路站房采光通常存在兩類(lèi)問(wèn)題：一是采光不足室內(nèi)光環(huán)境舒適度較低，在白天也需要人工采光，導(dǎo)致照明能耗增大；二是為滿(mǎn)足室內(nèi)采光開(kāi)設(shè)屋面天窗增加建筑橫向進(jìn)深的自然采光照度，帶來(lái)了夏季太陽(yáng)熱輻射過(guò)量和冬季熱損失大的問(wèn)題[7-8]。針對(duì)這類(lèi)問(wèn)題，Moore F[9]分析了如何將天然光引入室內(nèi)調(diào)節(jié)光照舒適性；Littlefair P J[10]提出了如何將太陽(yáng)光線(xiàn)引到距室內(nèi)窗框較遠(yuǎn)范圍的方法；Danny H.W.Li等[11]分析了照明能耗和因太陽(yáng)輻射而增加的空調(diào)能耗間的關(guān)系；唐文勝[12]采用ECOTEC軟件對(duì)西安北站過(guò)渡季節(jié)的自然采光進(jìn)行模擬分析，得出滿(mǎn)足自然光照明要求的天窗尺寸和遮陽(yáng)百葉間距；李偉等[13]利用IES數(shù)值模擬軟件對(duì)天津站的天然采光設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬優(yōu)化，得出屋面天窗采光口分散布局比集中布局具有更高的采光系數(shù)和更優(yōu)的采光均勻性，同時(shí)降低能耗。

根據(jù)我國(guó)光氣候分區(qū)，高寒地區(qū)(海拔高且平均氣溫低)處于第Ⅰ類(lèi)光氣候區(qū)，其日照率高，太陽(yáng)直射強(qiáng)度大，極易產(chǎn)生眩光、過(guò)度曝光及采光均勻性差等問(wèn)題，而現(xiàn)行國(guó)標(biāo)僅考核平均照度值，此種考核方法無(wú)法考量天空直射光對(duì)建筑室內(nèi)形成的時(shí)、空變化下的不同影響，對(duì)高強(qiáng)光地區(qū)的光環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況相差較大，不利于高強(qiáng)光環(huán)境下建筑室內(nèi)光環(huán)境的優(yōu)化。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)高強(qiáng)光環(huán)境下鐵路站房的天然采光研究尚屬空白。文中分析了高寒地區(qū)鐵路站房天然采光存在的具體問(wèn)題；提出了高寒地區(qū)鐵路站房天然采光的合理優(yōu)化措施。

1 項(xiàng)目概述

圖1 川藏鐵路拉林段沿線(xiàn)站點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of stations along Lalin section of Sichuan Tibet Railway

圖2 林芝站外觀(guān)效果圖Fig.2 Appearance Rendering of Lin-zhi Station

2 林芝站采光模擬分析

2.1 地區(qū)情況

根據(jù)我國(guó)光氣候分區(qū)，林芝屬于第Ⅰ類(lèi)光氣候區(qū)，天然光日照量豐富，年平均總照度遠(yuǎn)高于我國(guó)其他地區(qū)，太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度大，如圖3、圖4所示。

圖3 林芝地區(qū)全年總水平輻射(Global Horizontal Irradiance GHI)Fig.3 Global Horizontal Irradiance of Lin-zhi

圖4 林芝地區(qū)全年直接輻射Fig.4 Direct Normal Irradiance of Lin-zhi

2.2 林芝站天然采光設(shè)計(jì)

林芝站前設(shè)廣場(chǎng)，站房區(qū)域無(wú)外部遮擋，采光基礎(chǔ)較好，如圖5和圖6所示，林芝站站房建筑朝向?yàn)槲髌?1°，建筑平面輪廓規(guī)則，模擬區(qū)域平面開(kāi)間、進(jìn)深均較大，候車(chē)廳寬度約45 m，通高空間凈高約20 m，設(shè)有二層候車(chē)區(qū)，如圖7～圖9所示。林芝站設(shè)計(jì)主要采用豎向條窗、大廳高窗與幕墻相結(jié)合的綜合采光系統(tǒng)，豎向條窗凹進(jìn)深度較小，未形成明顯的豎向遮陽(yáng)作用；屋面有出挑，檐口高度22.9 m，出挑深度從外墻邊算至檐溝邊8.0 m，可以形成建筑自遮陽(yáng)，有利于防止眩光。

圖5 林芝站站房區(qū)域采光模擬Fig.5 Daylighting Simulation of Lin-zhi Station

圖6 林芝站總平面圖Fig.6 General Plan of Lin-zhi Station

圖7 林芝站一層平面圖Fig.7 First Floor of Lin-zhi Station

圖8 林芝站二層平面圖Fig.8 Second Floor of Lin-zhi Station

圖9 林芝站候車(chē)廳效果圖Fig.9 Interior Rendering of Waiting Hall of Lin-zhi Station

2.3 采光評(píng)價(jià)體系

建筑采光國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 50033—2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[17]及綠色建筑評(píng)價(jià)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50378—2019[18]，為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)；另有考量采光舒適性、采光均勻性平衡的國(guó)際評(píng)價(jià)方法，例如，北美IES(Illuminating Engineering Society of North America)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，“Well Building”評(píng)價(jià)方法等，為提升標(biāo)準(zhǔn)。

1)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50033—2013中交通建筑的采光要求，如表1所示。

表1 《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50033—2013規(guī)定的采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

2)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50378—2019對(duì)光環(huán)境的要求為：

①內(nèi)區(qū)采光系數(shù)滿(mǎn)足采光要求的面積比例達(dá)到60%，得3分；

②地下空間平均采光系數(shù)不小于0.5%的面積與地下室首層面積的比例達(dá)到10%以上，得3分；

③室內(nèi)主要功能房間至少60%面積比例區(qū)域的采光照度值不低于采光要求的小時(shí)數(shù)，平均不少于4 h/d，得3分；

④主要功能房間有眩光控制措施，得3分。

3)健康建筑《Well Building》，健康建筑標(biāo)準(zhǔn)中選擇IES LM-83 2012中關(guān)于日照自足值和年太陽(yáng)光照射度的概念，作為綜合衡量室內(nèi)環(huán)境采光利用率及采光舒適度的評(píng)判指標(biāo)：

①至少55%的常用空間達(dá)到空間日照自足值(SDA(Spatial Daylight Autonomy)450，50%；其值表征空間中日光水平的年度充足性)。也就是說(shuō)，至少55%的空間每年至少50%的運(yùn)營(yíng)時(shí)間內(nèi)至少能獲得450 lx的陽(yáng)光照射，達(dá)到工作時(shí)間時(shí)的采光自足(鐵路站房主要空間工作面照度要求450 lx)。

②達(dá)到年太陽(yáng)曝光照射度(ASE (Annual Sunlight Exposure)1 000，250；其值描述空間中每年出現(xiàn)視覺(jué)不適的可能性)的常用空間不超10%。即每年有250 h可獲得1 000 lx以上陽(yáng)光照射的區(qū)域不超過(guò)10%，不形成過(guò)度采光照射，使不舒適、不均勻的光環(huán)境情況在可承受范圍內(nèi)。

具體求解過(guò)程：按照逐點(diǎn)分析法，分別求解全年工作時(shí)間(取8：00—18:00)范圍內(nèi)室內(nèi)超過(guò)450 lx(SDA)與1 000 lx(ASE)的時(shí)間占比與面積占比。利用分析軟件計(jì)算全年50%以上的工作時(shí)間，工作面水平照度達(dá)到450 lx及以上的面積占比(SDA)，全年250 h(即全年6.8%以上的工作時(shí)間：250 h/全年3 650 h=6.8%)工作面水平照度達(dá)1 000 lx及以上的面積占比(ASE)。

模擬分析結(jié)果表達(dá)形式即可換算為：

SDA：滿(mǎn)足50%的工作時(shí)間，工作面照度在450 lx的情況下的覆蓋面積是否達(dá)到55%；

ASE：滿(mǎn)足6.8%的工作時(shí)間(依據(jù)250 h與全年工作時(shí)間的比值得到)，工作照度在1 000 lx的情況下覆蓋面積是否小于10%。

2.4 林芝站天然采光環(huán)境模擬邊界條件設(shè)置

2.4.1 模擬方法

采用動(dòng)態(tài)采光模擬方法，應(yīng)用Rhino中參數(shù)化模擬的Radiance內(nèi)核Honeybee插件，針對(duì)建筑室內(nèi)環(huán)境的天然采光，能夠準(zhǔn)確輸出可視化模擬結(jié)果，內(nèi)置對(duì)全年固定照度的時(shí)間分布計(jì)算工具，軟件與達(dá)標(biāo)條文內(nèi)容契合度較高。對(duì)于采光的模擬，采用逐點(diǎn)照度模擬計(jì)算法，即對(duì)民用建筑模型每個(gè)房間的距地面0 m高度處的水平面按1 m間距精度劃分為多個(gè)網(wǎng)格，模擬考量的時(shí)間范圍內(nèi)的采光情況。

2.4.2 邊界條件

依據(jù)現(xiàn)行國(guó)標(biāo)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》及其引用的《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50033—2013規(guī)定，采光模擬是基于全陰天模型計(jì)算而得到的，全陰天即天空全部被云層遮蔽的天氣，此時(shí)，室外天然光均為天空擴(kuò)散光，其天空亮度分布相對(duì)穩(wěn)定，天頂亮度為地平線(xiàn)附近亮度的3倍。此種考核方法無(wú)法考量天空直射光對(duì)建筑室內(nèi)形成的時(shí)、空變化下的不同影響，而且對(duì)于第Ⅰ類(lèi)光氣候區(qū)，極少出現(xiàn)陰天情況，也導(dǎo)致該種評(píng)價(jià)下的結(jié)果可能與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)。同時(shí)，現(xiàn)行國(guó)標(biāo)僅考核平均照度值，沒(méi)有評(píng)價(jià)采光均勻性等質(zhì)量指標(biāo)。假設(shè)，某時(shí)段房間近窗處工作面照度10 000 lx，遠(yuǎn)窗處50l x，可以求出平均照度450 lx，數(shù)字上滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，但實(shí)際上是不理想的采光環(huán)境。

表2 材料光學(xué)性能參數(shù)

2.4.3 模擬模型

天空狀態(tài)：動(dòng)態(tài)天空。

天空數(shù)據(jù)：林芝自然光全年動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)(2002—2010)。

網(wǎng)格劃分依據(jù)：《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50033—2013，《采光測(cè)量方法》[20]GB/T 5699—2017。

網(wǎng)格與墻體間距：1 m，模擬空間網(wǎng)格間距：1 m。

模擬范圍：工作面1為候車(chē)室一層，工作面2為候車(chē)室二層，工作面3為售票廳平面。

項(xiàng)目劃分網(wǎng)格數(shù)：候車(chē)室一層工作面測(cè)試點(diǎn)共4 830個(gè)，候車(chē)室二層工作面測(cè)試點(diǎn)共2 835個(gè)，售票廳工作面測(cè)試點(diǎn)共144個(gè)。如圖10所示。

圖10 林芝站3D模型Fig.10 3D Model of Lin-zhi Station

2.5 林芝站原方案光環(huán)境模擬及分析

1)采光自足(SDA)模擬分析，模擬結(jié)果如表3所示。

表3 SDA模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)“采光自足”模擬結(jié)果看出，由于室外天然光環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，結(jié)果比較理想，北向窗口也能得到大量采光，但候車(chē)廳一層及售票廳仍未滿(mǎn)足SDA指標(biāo)要求(覆蓋面積的達(dá)標(biāo)下限為55%)。候車(chē)廳采光多少與進(jìn)深大小呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，候車(chē)廳一層中部區(qū)域由于距站房外墻較遠(yuǎn)，且該區(qū)域設(shè)有二層候車(chē)廳，對(duì)中部區(qū)域天然光的照射形成了遮擋，采光達(dá)不到自足要求；候車(chē)廳二層?xùn)|南向，二層候車(chē)廳靠近站臺(tái)方向的外墻區(qū)域，采光充足甚至過(guò)量，滿(mǎn)足自足需求。

2)年太陽(yáng)曝光照射(ASE)模擬分析，模擬結(jié)果如表4 所示。

表4 ASE模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)“年太陽(yáng)曝光照射”模擬結(jié)果看出，所有模擬空間均存在過(guò)量(超過(guò)1 000 lx的過(guò)量照射時(shí)間、空間分布過(guò)多)，南向及西向近窗處得到大量的太陽(yáng)直射光，形成眩光及過(guò)度曝光情況。

3)眩光模擬分析。根據(jù)太陽(yáng)全年在天空軌跡的分析，擬定2個(gè)可能出現(xiàn)眩光最強(qiáng)烈的工況進(jìn)行模擬。模擬采光口眩光源的位置，影響程度等。

工況1：夏至日下午至傍晚時(shí)段，此時(shí)段太陽(yáng)朝向正對(duì)西北向立面，易形成西曬及眩光輻射。如圖11和表5所示。

圖11 夏至日眩光視角定位(從左到右為：v4、v3、v2、v1)Fig. 11 Location of Glare angle on Summer Solstice (From Left to Right: V4, V3, V2, V1)

表5 v1、v2、v3、v4 ASE模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

工況2：冬至日上午時(shí)段中太陽(yáng)朝向正對(duì)東南向立面，易形成眩光輻射，如圖12和表6所示。

圖12 冬至日眩光視角定位(從左到右為：v8、v7、v6、v5)Fig.12 Location of Glare angle on Winter Solstice (From Left to Right: V8, V7, V6, V5)

表6 v5、v6、v7、v8 ASE模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

模擬的8個(gè)視野中均有明顯的眩光形成，主要為水平入射的太陽(yáng)光產(chǎn)生。避免此類(lèi)眩光需要在立面上設(shè)置水平式和擋板式遮陽(yáng)。由于采光需求，遮陽(yáng)設(shè)施應(yīng)為可調(diào)節(jié)的活動(dòng)式遮陽(yáng)板或者幕簾。

現(xiàn)狀模擬結(jié)論：1)高寒地區(qū)光氣候優(yōu)秀，室內(nèi)采光充足，若以均勻照度指標(biāo)計(jì)算，模擬結(jié)果顯示遠(yuǎn)超國(guó)標(biāo)平均照度450 lx的要求；2)根據(jù)SDA和ASE模擬結(jié)果可看出，采光均勻度較差，一層候車(chē)廳整體進(jìn)深深處(15 m)未得到有效采光，東南向建筑廊道遮擋及豎向窗在橫向的均勻度不佳，候車(chē)廳東南側(cè)采光均勻度不足；3)近窗處采光過(guò)量，尤其東南向候車(chē)廳二層，室外無(wú)遮擋，采光均勻且過(guò)量。因此，需要通過(guò)遮陽(yáng)、反光板等設(shè)置降低近窗處的采光，同時(shí)需要通過(guò)設(shè)置天窗或者反光板方式向進(jìn)深深處反射陽(yáng)光，實(shí)現(xiàn)高采光均勻度。

2.6 林芝站光環(huán)境優(yōu)化方案模擬及分析

結(jié)合模擬結(jié)果，調(diào)整建筑立面窗墻比、窗洞口位置、窗透光能力等，均可以改善室內(nèi)采光自足和過(guò)度曝光，上述措施中，調(diào)節(jié)窗的透光能力對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程影響最小。選取候車(chē)廳一層平面做粗糙網(wǎng)格模擬，因站房建筑進(jìn)深大，且雙朝向，兩朝向上立面窗墻比多樣等特征，模擬時(shí)變化3處，如圖13所示。采光窗的透光率形成對(duì)比模擬工況，模擬分析SDA和ASE的變化趨勢(shì)，可得到類(lèi)似建筑空間光環(huán)境的適宜采光透射系數(shù)范圍，如表7所示。

圖13 林芝站剖面圖Fig.13 Section of Lin-zhi Station

表7 不同工況模擬取值

通過(guò)以上10個(gè)不同工況的模擬對(duì)比，發(fā)現(xiàn)站房高側(cè)窗對(duì)近窗處的照度影響較小，對(duì)進(jìn)深深處的照度影響較大；一層側(cè)窗對(duì)進(jìn)深深處的照度影響無(wú)規(guī)律，而對(duì)降低近窗處的過(guò)量采光有直接影響。對(duì)比工況模擬結(jié)果分析散點(diǎn)圖，如圖14所示，橫坐標(biāo)為高、低側(cè)窗的透光率，縱坐標(biāo)為采光自足值，其他條件不變時(shí)，高側(cè)窗及低側(cè)窗對(duì)采光自足值的影響呈正相關(guān)，但是低側(cè)窗的擬合曲線(xiàn)斜率更高，表征低側(cè)窗對(duì)采光自足值的影響程度更大。單變量情況下，高側(cè)窗及低側(cè)窗的透光率變化未見(jiàn)對(duì)日照曝光有改善，兩者之間無(wú)規(guī)律。如圖15所示，橫坐標(biāo)為高、低側(cè)窗的透光率，縱坐標(biāo)為日照曝光值。當(dāng)提升高側(cè)窗透光率，使其達(dá)到0.75以上(即綜合透光率為0.75*0.8維護(hù)系數(shù)=0.6)，且一層側(cè)窗透光率在0.1左右時(shí)，一層候車(chē)廳能夠獲得良好的采光自足和較少的過(guò)度曝光。

圖15 高低側(cè)窗日照曝光模擬結(jié)果分析Fig.15 Analysis of Simulation Results of Sunlight Exposure for High and Low Side Windows

3 結(jié) 論

結(jié)合高寒地區(qū)氣候條件，利用Rhino軟件對(duì)鐵路站房進(jìn)行了采光自足(SDA)及太陽(yáng)曝光照射度(ASE)動(dòng)態(tài)模擬分析，結(jié)果如下：

1)高寒地區(qū)鐵路站房較其他地區(qū)的鐵路站房更易獲得充足的天然光，室內(nèi)平均照度值遠(yuǎn)超國(guó)標(biāo)要求，但也存在一定的問(wèn)題，候車(chē)廳中部區(qū)域距外墻15 m及更遠(yuǎn)范圍的采光仍達(dá)不到自足要求；其次，候車(chē)廳及售票廳工作照度超過(guò)1 000 lx的過(guò)量照射在時(shí)間和空間分布上過(guò)多，南向及西向近窗處獲得大量的太陽(yáng)直射光，形成極強(qiáng)的眩光及過(guò)度曝光；夏至日下午至傍晚時(shí)段及冬至日上午時(shí)段，在太陽(yáng)正對(duì)的朝向上有太陽(yáng)水平入射產(chǎn)生的眩光。

2)通過(guò)模擬分析，結(jié)合高寒地區(qū)的氣候特征，提出高寒地區(qū)鐵路站房光環(huán)境綜合優(yōu)化的策略建議。將站房“采光有效進(jìn)深”控制在0.8以?xún)?nèi)，或在站房檐口下四周設(shè)置高側(cè)窗，以提高站房中部區(qū)域的有效采光量，使其滿(mǎn)足采光自足要求，改善高寒地區(qū)鐵路站房的采光均勻度；在眩光產(chǎn)生的朝向上設(shè)置可調(diào)節(jié)的感光水平遮陽(yáng)或簾幕以防止眩光的產(chǎn)生，提高光環(huán)境舒適度；適當(dāng)減少低側(cè)窗的透光率可有效控制近窗處的采光量，防止過(guò)度曝光；提升高側(cè)窗的透光率，使其達(dá)到0.75以上(即綜合透光率為0.75*0.8維護(hù)系數(shù)=0.6)，候車(chē)廳能夠獲得良好的采光自足，提高采光均勻度和光環(huán)境舒適度。

致謝：本研究得到中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司科研項(xiàng)目《高寒地區(qū)(以川藏線(xiàn)為例)鐵路站房綠色建筑技術(shù)研究》(KYY2018040(18-19))的資助，在此對(duì)參與本課題研究和參與新建鐵路川藏線(xiàn)拉薩至林芝段設(shè)計(jì)的所有人員表示衷心的感謝。