高寒地區鐵路站房天然采光模擬及其優化設計

張興艷，嚴建偉

(1.天津大學 建筑學院，天津 300072；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

采光是建筑室內環境的重要部分，充分、合理的天然采光能夠保障人的視覺需要，提高光環境舒適度，增強對室內環境的認同感及滿意度；同時，天然采光是太陽光最直接、高效的利用方式，是對可再生能源的充分利用，能夠降低室內照明能耗。對建筑光環境進行分析和評價是一個綜合性的問題，通過科學的計算機模擬和實測分析，對建筑方案進行客觀的光環境評價，有助于建筑空間的合理規劃、設計、使用，并創造出舒適的光環境[1]。中國鐵路建設得到長足發展，帶動了鐵路站房的大量建設，截至2019年底，全國鐵路營業里程已超過13.9萬km，已建成鐵路站房1 500余座[2]，2020年8月出臺的《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》提出：至2035年，我國鐵路網將覆蓋20萬人口以上的城市[3]，鐵路站房的數量仍將持續增加。然而，鐵路站房屬于一類特殊的高大空間建筑，其進深和面寬大，站房的天然采光設計對光環境舒適度和建筑能耗有著巨大的影響。隨著可持續發展理念在鐵路建設領域的逐步深入，鐵路站房的天然采光設計受到廣泛關注。Danny H.W.Li和A.Zain-Ahmed等[4-5]研究發現良好的采光方案能節省大量的建筑能耗；在此基礎上，Danny H.W. Li等[6]分析了天然光強度對室內照度的影響，論證了通過天然采光可獲得良好的室內光環境舒適度。研究發現，鐵路站房采光通常存在兩類問題：一是采光不足室內光環境舒適度較低，在白天也需要人工采光，導致照明能耗增大；二是為滿足室內采光開設屋面天窗增加建筑橫向進深的自然采光照度，帶來了夏季太陽熱輻射過量和冬季熱損失大的問題[7-8]。針對這類問題，Moore F[9]分析了如何將天然光引入室內調節光照舒適性；Littlefair P J[10]提出了如何將太陽光線引到距室內窗框較遠范圍的方法；Danny H.W.Li等[11]分析了照明能耗和因太陽輻射而增加的空調能耗間的關系；唐文勝[12]采用ECOTEC軟件對西安北站過渡季節的自然采光進行模擬分析，得出滿足自然光照明要求的天窗尺寸和遮陽百葉間距；李偉等[13]利用IES數值模擬軟件對天津站的天然采光設計進行模擬優化，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和更優的采光均勻性，同時降低能耗。

根據我國光氣候分區，高寒地區(海拔高且平均氣溫低)處于第Ⅰ類光氣候區，其日照率高，太陽直射強度大，極易產生眩光、過度曝光及采光均勻性差等問題，而現行國標僅考核平均照度值，此種考核方法無法考量天空直射光對建筑室內形成的時、空變化下的不同影響，對高強光地區的光環境評價結果與實際情況相差較大，不利于高強光環境下建筑室內光環境的優化。目前，國內外對高強光環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鐵路站房天然采光存在的具體問題；提出了高寒地區鐵路站房天然采光的合理優化措施。

1 項目概述

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

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

2 林芝站采光模擬分析

2.1 地區情況

根據我國光氣候分區，林芝屬于第Ⅰ類光氣候區，天然光日照量豐富，年平均總照度遠高于我國其他地區，太陽直接輻射強度大，如圖3、圖4所示。

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

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

2.2 林芝站天然采光設計

林芝站前設廣場，站房區域無外部遮擋，采光基礎較好，如圖5和圖6所示，林芝站站房建筑朝向為西偏北41°，建筑平面輪廓規則，模擬區域平面開間、進深均較大，候車廳寬度約45 m，通高空間凈高約20 m，設有二層候車區，如圖7～圖9所示。林芝站設計主要采用豎向條窗、大廳高窗與幕墻相結合的綜合采光系統，豎向條窗凹進深度較小，未形成明顯的豎向遮陽作用；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，有利于防止眩光。

圖5 林芝站站房區域采光模擬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 林芝站候車廳效果圖Fig.9 Interior Rendering of Waiting Hall of Lin-zhi Station

2.3 采光評價體系

建筑采光國家標準為GB/T 50033—2013《建筑采光設計標準》[17]及綠色建筑評價相關標準《綠色建筑評價標準》GB/T 50378—2019[18]，為基礎標準；另有考量采光舒適性、采光均勻性平衡的國際評價方法，例如，北美IES(Illuminating Engineering Society of North America)相關標準，“Well Building”評價方法等，為提升標準。

1)《建筑采光設計標準》GB/T 50033—2013中交通建筑的采光要求，如表1所示。

表1 《建筑采光設計標準》GB/T 50033—2013規定的采光設計標準

2)《綠色建筑評價標準》GB/T 50378—2019對光環境的要求為：

①內區采光系數滿足采光要求的面積比例達到60%，得3分；

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

③室內主要功能房間至少60%面積比例區域的采光照度值不低于采光要求的小時數，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》，健康建筑標準中選擇IES LM-83 2012中關于日照自足值和年太陽光照射度的概念，作為綜合衡量室內環境采光利用率及采光舒適度的評判指標：

①至少55%的常用空間達到空間日照自足值(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，至少55%的空間每年至少50%的運營時間內至少能獲得450 lx的陽光照射，達到工作時間時的采光自足(鐵路站房主要空間工作面照度要求450 lx)。

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

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

模擬分析結果表達形式即可換算為：

SDA：滿足50%的工作時間，工作面照度在450 lx的情況下的覆蓋面積是否達到55%；

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

2.4 林芝站天然采光環境模擬邊界條件設置

2.4.1 模擬方法

采用動態采光模擬方法，應用Rhino中參數化模擬的Radiance內核Honeybee插件，針對建筑室內環境的天然采光，能夠準確輸出可視化模擬結果，內置對全年固定照度的時間分布計算工具，軟件與達標條文內容契合度較高。對于采光的模擬，采用逐點照度模擬計算法，即對民用建筑模型每個房間的距地面0 m高度處的水平面按1 m間距精度劃分為多個網格，模擬考量的時間范圍內的采光情況。

2.4.2 邊界條件

依據現行國標《綠色建筑評價標準》及其引用的《建筑采光設計標準》GB/T 50033—2013規定，采光模擬是基于全陰天模型計算而得到的，全陰天即天空全部被云層遮蔽的天氣，此時，室外天然光均為天空擴散光，其天空亮度分布相對穩定，天頂亮度為地平線附近亮度的3倍。此種考核方法無法考量天空直射光對建筑室內形成的時、空變化下的不同影響，而且對于第Ⅰ類光氣候區，極少出現陰天情況，也導致該種評價下的結果可能與實際情況相差甚遠。同時，現行國標僅考核平均照度值，沒有評價采光均勻性等質量指標。假設，某時段房間近窗處工作面照度10 000 lx，遠窗處50l x，可以求出平均照度450 lx，數字上滿足標準要求，但實際上是不理想的采光環境。

表2 材料光學性能參數

2.4.3 模擬模型

天空狀態：動態天空。

天空數據：林芝自然光全年動態數據(2002—2010)。

網格劃分依據：《建筑采光設計標準》GB/T 50033—2013，《采光測量方法》[20]GB/T 5699—2017。

網格與墻體間距：1 m，模擬空間網格間距：1 m。

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

項目劃分網格數：候車室一層工作面測試點共4 830個，候車室二層工作面測試點共2 835個，售票廳工作面測試點共144個。如圖10所示。

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

2.5 林芝站原方案光環境模擬及分析

1)采光自足(SDA)模擬分析，模擬結果如表3所示。

表3 SDA模擬結果統計表

通過“采光自足”模擬結果看出，由于室外天然光環境的優勢，結果比較理想，北向窗口也能得到大量采光，但候車廳一層及售票廳仍未滿足SDA指標要求(覆蓋面積的達標下限為55%)。候車廳采光多少與進深大小呈負相關關系，候車廳一層中部區域由于距站房外墻較遠，且該區域設有二層候車廳，對中部區域天然光的照射形成了遮擋，采光達不到自足要求；候車廳二層東南向，二層候車廳靠近站臺方向的外墻區域，采光充足甚至過量，滿足自足需求。

2)年太陽曝光照射(ASE)模擬分析，模擬結果如表4 所示。

表4 ASE模擬結果統計表

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

3)眩光模擬分析。根據太陽全年在天空軌跡的分析，擬定2個可能出現眩光最強烈的工況進行模擬。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段，此時段太陽朝向正對西北向立面，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模擬結果統計表

工況2：冬至日上午時段中太陽朝向正對東南向立面，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模擬結果統計表

模擬的8個視野中均有明顯的眩光形成，主要為水平入射的太陽光產生。避免此類眩光需要在立面上設置水平式和擋板式遮陽。由于采光需求，遮陽設施應為可調節的活動式遮陽板或者幕簾。

現狀模擬結論：1)高寒地區光氣候優秀，室內采光充足，若以均勻照度指標計算，模擬結果顯示遠超國標平均照度450 lx的要求；2)根據SDA和ASE模擬結果可看出，采光均勻度較差，一層候車廳整體進深深處(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，候車廳東南側采光均勻度不足；3)近窗處采光過量，尤其東南向候車廳二層，室外無遮擋，采光均勻且過量。因此，需要通過遮陽、反光板等設置降低近窗處的采光，同時需要通過設置天窗或者反光板方式向進深深處反射陽光，實現高采光均勻度。

2.6 林芝站光環境優化方案模擬及分析

結合模擬結果，調整建筑立面窗墻比、窗洞口位置、窗透光能力等，均可以改善室內采光自足和過度曝光，上述措施中，調節窗的透光能力對設計過程影響最小。選取候車廳一層平面做粗糙網格模擬，因站房建筑進深大，且雙朝向，兩朝向上立面窗墻比多樣等特征，模擬時變化3處，如圖13所示。采光窗的透光率形成對比模擬工況，模擬分析SDA和ASE的變化趨勢，可得到類似建筑空間光環境的適宜采光透射系數范圍，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

通過以上10個不同工況的模擬對比，發現站房高側窗對近窗處的照度影響較小，對進深深處的照度影響較大；一層側窗對進深深處的照度影響無規律，而對降低近窗處的過量采光有直接影響。對比工況模擬結果分析散點圖，如圖14所示，橫坐標為高、低側窗的透光率，縱坐標為采光自足值，其他條件不變時，高側窗及低側窗對采光自足值的影響呈正相關，但是低側窗的擬合曲線斜率更高，表征低側窗對采光自足值的影響程度更大。單變量情況下，高側窗及低側窗的透光率變化未見對日照曝光有改善，兩者之間無規律。如圖15所示，橫坐標為高、低側窗的透光率，縱坐標為日照曝光值。當提升高側窗透光率，使其達到0.75以上(即綜合透光率為0.75*0.8維護系數=0.6)，且一層側窗透光率在0.1左右時，一層候車廳能夠獲得良好的采光自足和較少的過度曝光。

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

3 結 論

結合高寒地區氣候條件，利用Rhino軟件對鐵路站房進行了采光自足(SDA)及太陽曝光照射度(ASE)動態模擬分析，結果如下：

1)高寒地區鐵路站房較其他地區的鐵路站房更易獲得充足的天然光，室內平均照度值遠超國標要求，但也存在一定的問題，候車廳中部區域距外墻15 m及更遠范圍的采光仍達不到自足要求；其次，候車廳及售票廳工作照度超過1 000 lx的過量照射在時間和空間分布上過多，南向及西向近窗處獲得大量的太陽直射光，形成極強的眩光及過度曝光；夏至日下午至傍晚時段及冬至日上午時段，在太陽正對的朝向上有太陽水平入射產生的眩光。

2)通過模擬分析，結合高寒地區的氣候特征，提出高寒地區鐵路站房光環境綜合優化的策略建議。將站房“采光有效進深”控制在0.8以內，或在站房檐口下四周設置高側窗，以提高站房中部區域的有效采光量，使其滿足采光自足要求，改善高寒地區鐵路站房的采光均勻度；在眩光產生的朝向上設置可調節的感光水平遮陽或簾幕以防止眩光的產生，提高光環境舒適度；適當減少低側窗的透光率可有效控制近窗處的采光量，防止過度曝光；提升高側窗的透光率，使其達到0.75以上(即綜合透光率為0.75*0.8維護系數=0.6)，候車廳能夠獲得良好的采光自足，提高采光均勻度和光環境舒適度。

致謝：本研究得到中鐵二院工程集團有限責任公司科研項目《高寒地區(以川藏線為例)鐵路站房綠色建筑技術研究》(KYY2018040(18-19))的資助，在此對參與本課題研究和參與新建鐵路川藏線拉薩至林芝段設計的所有人員表示衷心的感謝。