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基于动态采光模拟的铁路站房优化设计

2024-07-19 109 上传者：管理员

摘要：铁路站房具有空间大、客流量大、不间断运行等特点，使得站房存在大量照明能耗，有效利用天然采光不仅有助于提升室内舒适度，还能帮助建筑降低照明能耗。以安康西站为研究对象，探讨不同方案阶段下的铁路站房动态采光效果，研究使用参数化软件Rhino进行建模，采用sDA指标用于衡量天然采光的时间和空间占比；使用UDI100—2 000,50%衡量有效天然光照度的时间和空间满足情况，以全面评估站房采光性能。发现原始方案采光设计存在候车厅局部照度不足和整体采光均匀度较低、优化方案使用侧面幕墙采光+天窗采光存在区域照度过大等问题；提出在候车厅中部设置天窗，改善采光均匀度，同时增大侧式站房立面的窗墙比。从sDA指标衡量虽未有明显提升，但可以明显提升高架候车区域的舒适照度时间。

关键词：
动态采光模拟
天然采光
安康西站
旅客乘降车
铁路站房
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铁路站房是旅客乘降车的场所，是车站广场与站场相连接的中枢[1]。截至2023年底，全国铁路营业里程达到15.9万公里，已建成铁路客运站1 800余座[2]。党的二十大报告中指出要“积极稳妥推进碳达峰碳中和。推动能源清洁低碳高效利用，推进工业、建筑、交通等领域清洁低碳转型。”在此背景下，优化以铁路交通枢纽为代表的大型交通建筑的天然采光，提升其绿色节能设计水平，具有重要意义[3]。

2020年8月发布的《新时代交通强国铁路先行规划纲要》明确指出，到2035年，我国铁路网络将实现20万人口以上城市的全面覆盖[4]，铁路站房的数量也将持续增长。在此背景下，天然采光作为一种直接、高效的太阳能利用方式，不仅有助于提升室内舒适度，还能有效降低照明能耗。随着可持续发展理念在铁路建设领域的深入人心，许多学者就改善铁路站房的光环境提出了建设性建议。

Li等[5,6]研究发现，通过优化设计采光方案不仅可以显著节省建筑能耗，并进一步证实了这样的采光策略能为室内提供舒适的光环境。铁路站房的候车区作为铁路旅客站中最主要的建筑空间[7]，通过采用顶部采光与侧面采光相结合，分散布窗的方式可以改善候车厅内进深较大区域的采光[8]。唐文胜[9]采用ECOTECT软件模拟西安北站过渡季节的天然采光，优化站房在天然采光条件下的天窗尺寸及遮阳百叶设计。金海魁[10]通过对站房顶部开窗大小和形状进行优化对比，得出天窗采光对高铁站房采光系数具有很好的优化作用。这些研究和提议为铁路站房的节能减排提供了重要参考。

目前对于天然采光的主要评价指标有静态天然采光评价指标与动态天然采光评价指标2种。随着相关研究的不断深入，以采光系数（Daylight Factors）为评价方法的静态天然采光评价逐渐暴露弊端，如全阴天工况无法体现建筑朝向、天空状况等对采光的影响[11]，而使用动态采光指标逐渐成为我国天然采光评价的发展趋势，如GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》中已将得分要点从原先的窗地比指标调整为动态采光计算[12]。相较旧版评价标准，新版动态采光评价得分难度大，同时在绿建评审工作时要求保守估计分值，因此，有必要对交通建筑采取动态采光计算。为量化目前的立面设计是否满足动态采光的评价要求，通过对安康西站的采光效果进行模拟分析，对比分析不同方案阶段下的天然采光情况，总结满足动态采光评价的站房设计策略，为站房后续优化提供数据支撑，同时为今后夏热冬冷地区大空间交通建筑的采光设计提供参考。

1、项目概述

西康高速铁路（简称西康高铁）是我国陕西省境内连接西安市和安康市的高速铁路。作为我国“八纵八横”高速铁路网主通道之一“包（银）海通道”的重要组成部分，西康高铁从西安东站引出，终至安康西站，设计速度为350 km/h，全长约174 km，属双线高速铁路。西康高铁于2021年6月29日正式开工建设，穿越秦岭，经过柞水、镇安、旬阳等地，最终接入安康西站。全线新设大中桥梁26座、隧道20座，桥隧比高达94.41%。西康高速铁路全线设西安东、太河、柞水西、镇安西、桐木、安康西站6个车站（见图1）。

图1安康西站项目

新建安康西站为线侧平+高架候车式站房，采用“上进下出”的进出站方式。车站总规模4台10线，设岛式站台（450 m×12 m×1.25 m) 3座，预留1座，设旅客出站地道1座（12 m宽）、作业地道1座（6.0 m宽）。侧式站房1层为进站层，中部为进站广厅，两侧设置商务候车厅及综合服务厅。高架区域采用对称布局，中部为候车大厅，两侧设置夹层，1层为办公及设备用房，2层分别设置办公用房及商务候车室（设置快速进站）。

针对安康西站原方案、初设方案、优化方案进行建模，并分析3个阶段室内环境的天然采光。在原设计方案中，侧式站房的进深设计为16 m，站房高度为34.8 m，高架区宽度为108 m。该方案的特点是候车厅上方没有设计天窗，且候车厅的宽度较大，同时拥有大尺寸的外凸挑檐。初设方案对原方案进行调整，将侧式站房的进深增加至26 m，在侧式站房增设天井。降低侧式站房高度，将高架候车厅和侧式站房的层高分别调整至34.8 m和28.5 m，并在候车厅顶部设置天窗。由于侧式站房的高度降低，其正面玻璃幕墙的高度也随之减少。最终，优化方案保留了初设方案中侧式站房的设计，并将侧式站房与高架站房的屋顶一体化设计，加高屋顶高至36.9 m，既兼顾正立面形态同时也满足高架候车厅空间功能要求（见图2）。

图2不同设计阶段站房空间尺度

2、站房光环境优化动态仿真模拟及分析

2.1采光评价指标

近年来动态模拟计算方法逐渐受到广泛应用，因此提出了一些新的天然采光评价标准，如空间天然采光百分比Spatial Daylight Autonomy (s DA）、年日照时数Annual Light Exposure (ASE）等动态采光指标得到广泛应用。结合建筑采光国家标准GB/T 50033—2013《建筑采光设计标准》[13]中对交通建筑的采光要求及GB/T50378—2019《绿色建筑评价标准》[12]对光环境的得分要求。最终选取s DA用于衡量天然采光的时间和空间占比，选取UDI100-2 000,50%用于衡量有效天然光照度的时间和空间满足情况。

2.2模拟方法与边界条件

在模拟过程中，使用基于Rhino中参数化模拟的Radiance内核Honeybee插件，进行室内天然采光模拟。Radiance内核与Rhino3D紧密集成，可以在建模过程中直接进行光环境模拟，并实现快速迭代和优化设计。同时提供多种分析工具，如日光autonomy (DA）、有效天然采光照度百分比（UDI）、日照分析等，可以较好的完成本次评估站房的光环境评价。

建筑模型尺寸与各阶段下工程图数据一致，外窗与玻璃幕墙距墙外装修面尺寸统一设为200 mm，涉及的部分曲面简化为多面体进行建模。对于采光的模拟，采用逐点照度模拟计算法，对建筑模型每个房间距地面0.75 m高度处的水平面按1 m间距精度划分为多个网格，模拟全年采光情况。建筑材料的材质、颜色、表面状况决定光的吸收、反射与投射性能，对建筑采光影响较大。模拟分析时根据实际材料性状同时结合JGJ/T 449—2018《民用建筑绿色性能计算标准》执行：地面反射比0.3，墙面反射比0.82，顶棚反射比0.75，屋顶反射比0.25，玻璃幕墙可见光透射比取值为0.6。

模拟范围为进站广厅地面、候车大厅地面、候车厅夹层商业地面、两侧办公用房地面，项目共设置工作面测试点13 058个。

2.3安康西站光环境模拟及分析

2.3.1空间天然采光百分比（s DA）模拟分析

对站房以及候车厅、进站广厅与附属用房分别进行模拟，模拟结果见表1。

通过s DA模拟结果看出，原方案中南北两侧的大面积开窗，进站广厅与候车厅背面得到了大量的天然采光，但由于站房进深过大，1层中部区域距站房外墙较远，且候车厅内设有2层候车厅，对中部区域天然光的照射形成遮挡，候车厅与进站广厅的sDA指标仅为51.2%。由于侧式站房两侧仅有侧窗，靠近中轴部分空间的天然采光同样不足，s DA指标为53.8%。综合统计站房内的s DA，其指标仅为51.6%，未达到s DA指标要求（大于60%）。

表1 s DA模拟结果统计

初设方案与优化方案由于引入天窗采光，候车厅内天然采光明显改善，尤其是2层候车厅处天然采光明显改善，候车厅与进站广厅的s DA指标分别达到了92.2%与94.1%。站房两侧的侧式站房由于扩大进深后，设置天井，两侧空间的s DA指标达到67.3%。此时初设方案与优化方案站房内s DA指标分别为88.2%与89.9%，均满足指标要求。

2.3.2有效天然采光照度百分比（UDI100-2 000,50%）模拟分析

对站房有效天然采光照度百分比（UDI100-2 000,50%）模拟结果分析模拟，模拟结果见表2。

表2 UDI100-2000,50%模拟结果统计

通过UDI100-2 000,50%模拟结果看出，原方案中夹层工作平面的采光均匀度较差，初设方案与优化方案夹层位置采光均匀度明显改善，因此初设方案与优化方案的UDI100-2 000,50%值从45.0%提升至73%左右，明显高于原始方案。比较优化方案与初设方案的进站广厅部分的采光均匀度可知，优化方案的采光均匀度反而更低，由于该位置的采光面积增大，因此得出，该区域采光均匀度下降的原因为区域过曝。同时观察到站房背立面处存在部分空间UDI100-2 000,50%值过低的情况，可以推断是由于建筑西侧区域受到太阳直射产生眩光，使该位置光环境舒适度降低所致。

2.3.3结果分析

从s DA来看，由于初设方案与优化方案增设天窗，使得站房内的s DA值从51%提升至90%左右。极大地优化了原方案中候车厅中部与夹层处天然采光不足的情况。两侧增设的天井，也较大提升了侧式站房两侧的天然采光情况，将侧式站房两侧的s DA值从51%提升至67%。因此，优化方案与初设方案不同功能下的s DA均满足GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》中的得分要求。

从UDI100-2 000,50%来看，原方案下项目的UDI100-2 000,50%值最差，初设方案相较原始方案的UDI100-2 000,50%值明显提升，因初设方案增加了天窗后明显优化了候车厅夹层工作平面的照度。优化方案在加大两侧立面窗户面积后，高架候车区域的舒适照度时间较初设方案明显提升。

3、结束语

针对安康西站进行全年动态采光模拟分析，可以看出随着项目的深入推进，项目整体的天然采光情况在不断优化。对比分析不同方案阶段下的天然采光情况，总结满足动态采光评价的站房设计策略，主要结论如下：

(1）由于铁路站房的立面设计习惯，容易获得充足的天然光，但同样存在问题，仅靠侧面采光，会出现候车厅局部照度不足和整体采光均匀度较低的问题；其次，使用侧面幕墙采光+天窗采光会在近窗处得到大量的太阳直射，使得区域照度过大，从而降低舒适照度时间。

(2）通过模拟分析，提出铁路站房光环境综合优化的策略建议。在站房候车厅中部设置天窗，可以提高站房中部采光量，改善其采光均匀度；增大侧式站房立面的窗墙比，s DA指标衡量虽未有明显提升，但可以明显提升高架候车区域的舒适照度时间。

参考文献:

[1]李海鹰,张超.铁路站场及枢纽[M].北京:中国铁道出版社,2011.

[2]中国国家铁路局.全国铁路监督管理工作会议在京召开[EB/OL].(2024-01-10)[2024-05-07].

[3]程佳阳.铁路交通枢纽大空间光热性能耦合设计研究[D].武汉:湖北工业大学,2020.

[4]中国国家铁路集团有限公司.国铁集团关于印发《新时代交通强国铁路先行规划纲要》的通知[EB/OL].(2020-07-02)[2024-05-07].

[7]李传成,李保峰,陈宏.高架铁路客站整体自然通风节能策略研究[J].建筑学报,2011(1):105-109.

[8]罗涛,燕达,张野,等.铁路客站天然采光现状及优化设计研究[J].照明工程学报,2012,23(1):20-29.