京张高铁清河站站房绿色设计研究

2020-01-09欧宁

铁道勘察 2020年1期

欧宁

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 清河站设计概况

京张高铁不仅是2022年冬奥会的交通保障线、京津冀一体化发展的经济服务线，也是京张铁路百年历史的文化线、展示中国高铁建设成果的示范线。清河站作为京张高铁的第二站，不仅承担着京张铁路普速车及部分动车的始发功能，同时也是冬奥会交通保障线的起始站。

清河站包括国铁、地铁、市政三部分工程，为综合交通枢纽，总建筑面积为14.6万m2(见图1)。建筑主体为地上2层，局部设置夹层，地下2层，建筑高度为40.45 m。

图1 清河站鸟瞰

清河站为高架车站。地下二层为昌平线南延线及19号支线的站台层、地铁区间。地下一层为铁路出站大厅、快速进站厅、车库、地铁站厅、非付费区及设备用房等。首层为铁路进站大厅、铁路及地铁13号线站台等。二层为铁路高架候车厅。

2 铁路站房绿色设计现状及研究

2.1 铁路站房绿色设计发展现状

车站是服务于铁路旅客的重要设施，也是城市综合交通最重要的节点[1]。

铁路站房为公共交通建筑，具有一定的特殊性，如空间高、人流量大、运营时间长、能源消耗大[2]等。另外，站房功能组成与住宅、商业、办公等民用建筑项目有着明显的差别(包括进站厅、候车厅、售票厅、出站厅等)，具有鲜明的行业特性。因此，在绿色建筑设计方面亦应区别于普通民用建筑。在铁路客运站的建筑设计中，如何根据建筑使用特征和区域气候特征进行有效的绿色设计，实现建筑的高舒适、低能耗，是需要考虑的重要问题[3]。

为了实现铁路客站的绿色设计，铁道部经济规划研究院会同有关单位，编制了TB/T10429—2014《绿色铁路客站评价标准》。由于编制时间问题，该标准主要参照2006版GB/T50378—2006《绿色建筑评价标准》，而该标准在2015年即被GB/T 50378—2014《绿色建筑评价标准》替代。与此同时，2015年相继发布了GB 50189—2015《公共建筑节能标准》和北京市DB11/687—2015《公共建筑节能设计标准》，标准的更迭也极大地影响着绿色铁路客站的建设和评价。

京张高铁是国内首次按照绿建标准建设的高铁项目，清河站亦为全国首个采用TB/T10429—2014《绿色铁路客站评价标准》进行评价、并获得三星级设计标识的铁路客站项目。目前已获得了由中国城市科学研究会颁发的绿色铁路客站三星级设计标识证书以及由美国绿色建筑委员会颁发的LEED金级预认证证书。

2.2 研究的必要性

清河站是全国第一个采用TB/T 10429-2014《绿色铁路客站评价标准》的三星级绿色铁路客站项目，如何将该标准与现行的GB/T50378-2014《绿色建筑评价标准》和北京市DB11/687-2015《公共建筑节能设计标准》有机衔接，创建一个技术先进、内涵丰富的绿色铁路客站，没有先例可循。因此，对其进行研究非常必要。

另外，作为奥运重点工程之一，如何将清河站的绿色设计与国际接轨也是应该考虑的问题。在世界各国的各类建筑环保评估、绿色建筑评估以及建筑可持续性评估标准中，美国的LEED(Leadership in Energy & Environmental Design Building Rating System)被认为是最完善、最有影响力的评估标准，在全世界获得了广泛应用[4-5]。在工程预算有限的情况下，如何将LEED认证要求与清河站的功能设计有机结合，在低增量甚至无增量成本的条件下去创建LEED认证的绿色站房，就显得尤为重要[6]。

同时，作为取得绿色铁路客站三星级以及LEED金级预认证的首个铁路站房，通过对清河站在绿色设计方面的研究，总结出铁路站房绿色设计关键技术也非常重要。

3 清河站绿色设计及创新点

以绿色铁路客站三星级为目标，设计构思上采用了诸多绿色可持续技术措施：利用下沉广场有效改善地下采光，引入自然光及自然通风，采用高效机电设备和LED照明灯具，采用一级节水器具，将市政中水用于冲厕及车库地面冲洗，室内设置二氧化碳传感器控制新风量，对室内污染物进行有效监控等[5]。

3.1 清河站房绿色设计创新技术

(1)土地集约化利用

清河站西侧紧邻运营中的城铁13号线以及运营中的京新高速公路，东侧紧邻城市现状办公用房及住宅，用地条件极为局促。如何在有限的用地空间内实现国铁、地铁、公交、出租等的高效换乘，是设计思考的重点和难点。且现状用地被运营中的线路及铁路站场完全打断，形成了割裂的城市现状(见图2)。

图2 清河站割裂的城市空间现状

计划对城铁13号线进行改造，将清河段的高架线路落地，与铁路站场同场布置，不仅有效地节约了空间，同时大大减少了三条地铁间、地铁与国铁间的换乘距离，提高了交通效率。

将西侧京新高速桥下空间做下挖处理，设计为站前广场、公交车场及出租车场。利用东侧有限的道路空间，采用立体交通的设计手法，使清河站与东部城区完美结合，达到了畅通融合的目的。

最后，在有限的建设用地上，合理布置国铁、地铁的各项功能空间，在国铁和地铁流线简洁、畅通、不交叉的前提下，在地下一层实现了国铁、地铁的“零换乘”。并且在地下一层实现了东西两侧居民的自由通行，“织补”了城市空间，见图3、图4。

图3 清河站剖透视

图4 地下一层换乘通廊效果

(2)清河站土建装修一体化

清河站公共区室内装修及外立面装修中处处秉承着“重结构、轻装修、简装饰”的设计理念。

在地下一层公共区(面积约2.6万m2)，为了减少柱子，提高层高，创造良好的空间效果，采用了“站桥一体”的结构形式，柱距达到25 m。大厅内桥墩、盖梁均采用了清水混凝土一次浇注成型，不做任何外装饰(即直接采用现浇混凝土的自然表面效果作为饰面)。另外，在东西两侧下沉广场及地下一层西侧安检大厅等区域亦采用了清水混凝土的处理方式，整个空间朴实、现代。

(3)建筑造型设计与环境相呼应

清河站屋面由东向西逐渐升起，形成了优美大器的曲线造型。西侧面向西山，为候车厅乘客赢得怡人的自然视野；东侧屋面较低，与东侧既有的建筑体量相呼应，降低了庞大体量的站房对周边环境的压迫感(见图5)。西立面采用7跨A型柱与玻璃幕墙相结合的处理手法，结合屋面出挑，与G7高速桥形成了三段式的布局，与中国传统建筑的神韵相得益彰，达到了用现代的建筑语言表达中国传统建筑文化的效果。

图5 清河站南立面

(4)清河站智能百叶遮阳技术应用

清河站主立面朝向西侧(即175 m面宽的高架候车厅朝向西侧)，优点是候车厅有良好的视线景观，能够看到西山的优美景色，缺点是西晒带来的弊端。如何实现西晒与视线景观的平衡，是设计需要思考的重点和难点。

针对清河站西立面大面积的玻璃幕墙，西向设计了长约19 m的大屋檐出挑，以达到西立面上部空间的遮阳效果。立面下部(距顶约7.1 m的以下部位)设计了智控翼帘型百叶建筑遮阳系统(以下简称智能百叶遮阳)，弥补了玻璃幕墙不利于遮挡热辐射的缺陷[7](见图6)。抗风横梁及竖向抗风杆件设置在幕墙外侧，利用百叶系统进行遮挡，使清河站室内为完整的玻璃面。

智能百叶遮阳系统可以有效阻隔太阳光的直射，与没有任何遮阳的情况相比较，百叶可以切断60%左右的热量，还可以起到美化建筑外部形象的效果。百叶的翻转角度可以根据需要调节，夏季可以遮挡阳光，防止室内温度上升；冬季可以阻挡外流的热量，兼具一定的保温效能[7]。

(5)清河站光导照明技术应用

清河站站台总长度为550 m，北端约185 m采用钢结构无柱雨棚，南端365 m范围上方为站房及落客平台，从而导致了位于站房及落客平台区域的站台空间采光困难，电照明系统需长时间维持在开启状态，耗电量大。为了创造良好的站台空间，并达到节约能源的目的，在清河站南北落客平台区域设置了光导管系统(见图7)。

光导照明系统利用自然光照明，可代替日间电照明，有效降低建筑能耗。使用原理为通过采光罩将太阳光进行收集捕捉，由导光管进行传输，通过漫射器将自然光洒向室内[8]。

光导照明系统将自然光引入站台区域，提供日间照明，与LED光源结合使用，可提供恒定舒适的照明效果。另外，清河站光导管采光罩采用了平顶式和球形相结合的形式，以满足在绿化带、行车道等不同部位的布置需求。其中，平顶式采光罩面板可满足20 t以下车辆(如小汽车、大巴车、消防车等)通过。图8为站台空间光导管照明实景。

图8 站台空间光导管照明实景

3.2 清河站房计算机模拟分析技术的应用

在绿色设计方面，借助计算机对围护结构的节能率、自然采光及大空间气流组织进行了模拟研究[9]。

(1)清河站围护结构节能率模拟研究

在外维护方面，采用清华大学自主研发的能耗模拟计算软件DeST-C进行三维建模，重点研究了围护结构不同热工性能参数对于空调冷热负荷的影响[10]，分析了外墙传热系数、外窗太阳得热系数、窗墙比等对清河站全年累计冷热负荷的影响。图9为外墙传热系数对于总负荷的影响趋势。

图9 清河站外墙对总负荷的影响

清河站主立面朝向西侧，涉及到西晒与景观的矛盾，即立面越开敞，视线景观越好，但西晒问题越严重；反之亦然。为此，针对西立面，采用了外遮阳、内遮阳、百叶间距、铝板与幕墙结合4个方案进行负荷模拟计算(见表1)，确定了百叶进深及间距为500 mm的方案，并根据太阳高度角变化给出外遮阳范围建议(见图10)，实现了景观与西晒的平衡。

表1 不同遮阳方案负荷计算

图10 不同太阳高度角的遮阳效果

(2)清河站自然采光模拟研究

根据清河站的设计条件，采用了采光模拟计算软件Ecotect进行三维建模，分析在外窗玻璃不同可见光透过率的情况下，清河站的自然采光效果。

采光分析模型的参数设置如下。玻璃可见光透过率：0.2，0.3，0.4；光气候区：Ⅲ区；室外天然光设计照度：15 000 lx。由采光模拟分析可知，主要功能区均可满足采光要求。图11为典型空间候车厅室内采光模拟结果。

图11 候车厅室内采光模拟结果

(3)清河站气流组织模拟研究

采用FLUENT软件对项目建成后的室内风环境进行预测、分析及评价。FLUENT是专业的人工环境系统分析软件，可以精确地研究流体的流动、传热和污染等物理现象，准确地模拟通风系统的空气流动、空气品质、传热及舒适度等问题[11]。

售票厅：在冬季工况下，1.5 m人行平面的平均温度为18.2 ℃，接近设计温度(18 ℃)，室内平均风速为0.16 m/s，满足设计参数要求。在夏季工况下，1.5 m人行平面的平均温度为27.3 ℃，接近设计温度(27 ℃)，室内平均风速为0.22 m/s，满足设计参数要求。

候车厅：在冬季工况下，1.5 m人行平面的平均温度为18.1 ℃，接近设计温度(18 ℃)，室内平均风速为0.21 m/s，满足设计参数要求。在夏季工况下，1.5 m人行平面的平均温度26.1 ℃，接近设计温度(26 ℃)，室内平均风速为0.23 m/s，满足设计参数要求。售票厅候车厅平面温度分布见图12。

图12 售票厅候车厅平面温度分布

4 铁路车站星级绿色设计评价

结合清河站的设计经验，梳理《绿色铁路客站评价标准》和LEED评估标准的技术要求，进一步总结铁路车站星级绿色设计评价关键技术，以期指导其他站房的星级评价。

4.1 铁路站房设计特点

铁路站房客流密度大、运行时间长，电梯、电热水器等用电设备使用频率高。

铁路站房外部由站前广场、站房和站台三部分组成。火车站内部空间主要包含候车厅空间、人口大厅空间、出站厅空间、通廊空间及其他辅助空间(办公、设备、商业等)，其显著特点是空间开敞性较大且大小空间并存。候车厅大空间占据主导地位，小空间多位于大空间下部或边界处，内部的候车厅、人口大厅都属于高大空间，其温度、气流分布都具有一定的特殊性[12]。

寒冷气候区火车站常采用连续屋面，呈中高侧低状。屋面起伏与造型会影响到太阳辐射量的获取和风速。与平屋面相比，起伏屋面的表面积更大，冬季可以吸收更多的热量。在夏季，起伏大的屋面更容易带走屋面的热量[13]。

外立面常常大量使用玻璃幕墙，由于稳定性、经济性和防噪声等要求，玻璃幕墙常常做成封闭状，可开启面积受限。为确保旅客方便、快捷、无障碍地通过和疏散，火车站的售票厅大门和进站大门必须长时间开启[18]。