高寒地区铁路站房天然采光模拟及其优化设计

张兴艳，严建伟

(1.天津大学 建筑学院，天津 300072；2.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

采光是建筑室内环境的重要部分，充分、合理的天然采光能够保障人的视觉需要，提高光环境舒适度，增强对室内环境的认同感及满意度；同时，天然采光是太阳光最直接、高效的利用方式，是对可再生能源的充分利用，能够降低室内照明能耗。对建筑光环境进行分析和评价是一个综合性的问题，通过科学的计算机模拟和实测分析，对建筑方案进行客观的光环境评价，有助于建筑空间的合理规划、设计、使用，并创造出舒适的光环境[1]。中国铁路建设得到长足发展，带动了铁路站房的大量建设，截至2019年底，全国铁路营业里程已超过13.9万km，已建成铁路站房1 500余座[2]，2020年8月出台的《新时代交通强国铁路先行规划纲要》提出：至2035年，我国铁路网将覆盖20万人口以上的城市[3]，铁路站房的数量仍将持续增加。然而，铁路站房属于一类特殊的高大空间建筑，其进深和面宽大，站房的天然采光设计对光环境舒适度和建筑能耗有着巨大的影响。随着可持续发展理念在铁路建设领域的逐步深入，铁路站房的天然采光设计受到广泛关注。Danny H.W.Li和A.Zain-Ahmed等[4-5]研究发现良好的采光方案能节省大量的建筑能耗；在此基础上，Danny H.W. Li等[6]分析了天然光强度对室内照度的影响，论证了通过天然采光可获得良好的室内光环境舒适度。研究发现，铁路站房采光通常存在两类问题：一是采光不足室内光环境舒适度较低，在白天也需要人工采光，导致照明能耗增大；二是为满足室内采光开设屋面天窗增加建筑横向进深的自然采光照度，带来了夏季太阳热辐射过量和冬季热损失大的问题[7-8]。针对这类问题，Moore F[9]分析了如何将天然光引入室内调节光照舒适性；Littlefair P J[10]提出了如何将太阳光线引到距室内窗框较远范围的方法；Danny H.W.Li等[11]分析了照明能耗和因太阳辐射而增加的空调能耗间的关系；唐文胜[12]采用ECOTEC软件对西安北站过渡季节的自然采光进行模拟分析，得出满足自然光照明要求的天窗尺寸和遮阳百叶间距；李伟等[13]利用IES数值模拟软件对天津站的天然采光设计进行模拟优化，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数和更优的采光均匀性，同时降低能耗。

根据我国光气候分区，高寒地区(海拔高且平均气温低)处于第Ⅰ类光气候区，其日照率高，太阳直射强度大，极易产生眩光、过度曝光及采光均匀性差等问题，而现行国标仅考核平均照度值，此种考核方法无法考量天空直射光对建筑室内形成的时、空变化下的不同影响，对高强光地区的光环境评价结果与实际情况相差较大，不利于高强光环境下建筑室内光环境的优化。目前，国内外对高强光环境下铁路站房的天然采光研究尚属空白。文中分析了高寒地区铁路站房天然采光存在的具体问题；提出了高寒地区铁路站房天然采光的合理优化措施。

1 项目概述

图1 川藏铁路拉林段沿线站点示意图Fig.1 Schematic diagram of stations along Lalin section of Sichuan Tibet Railway

图2 林芝站外观效果图Fig.2 Appearance Rendering of Lin-zhi Station

2 林芝站采光模拟分析

2.1 地区情况

根据我国光气候分区，林芝属于第Ⅰ类光气候区，天然光日照量丰富，年平均总照度远高于我国其他地区，太阳直接辐射强度大，如图3、图4所示。

图3 林芝地区全年总水平辐射(Global Horizontal Irradiance GHI)Fig.3 Global Horizontal Irradiance of Lin-zhi

图4 林芝地区全年直接辐射Fig.4 Direct Normal Irradiance of Lin-zhi

2.2 林芝站天然采光设计

林芝站前设广场，站房区域无外部遮挡，采光基础较好，如图5和图6所示，林芝站站房建筑朝向为西偏北41°，建筑平面轮廓规则，模拟区域平面开间、进深均较大，候车厅宽度约45 m，通高空间净高约20 m，设有二层候车区，如图7～图9所示。林芝站设计主要采用竖向条窗、大厅高窗与幕墙相结合的综合采光系统，竖向条窗凹进深度较小，未形成明显的竖向遮阳作用；屋面有出挑，檐口高度22.9 m，出挑深度从外墙边算至檐沟边8.0 m，可以形成建筑自遮阳，有利于防止眩光。

图5 林芝站站房区域采光模拟Fig.5 Daylighting Simulation of Lin-zhi Station

图6 林芝站总平面图Fig.6 General Plan of Lin-zhi Station

图7 林芝站一层平面图Fig.7 First Floor of Lin-zhi Station

图8 林芝站二层平面图Fig.8 Second Floor of Lin-zhi Station

图9 林芝站候车厅效果图Fig.9 Interior Rendering of Waiting Hall of Lin-zhi Station

2.3 采光评价体系

建筑采光国家标准为GB/T 50033—2013《建筑采光设计标准》[17]及绿色建筑评价相关标准《绿色建筑评价标准》GB/T 50378—2019[18]，为基础标准；另有考量采光舒适性、采光均匀性平衡的国际评价方法，例如，北美IES(Illuminating Engineering Society of North America)相关标准，“Well Building”评价方法等，为提升标准。

1)《建筑采光设计标准》GB/T 50033—2013中交通建筑的采光要求，如表1所示。

表1 《建筑采光设计标准》GB/T 50033—2013规定的采光设计标准

2)《绿色建筑评价标准》GB/T 50378—2019对光环境的要求为：

①内区采光系数满足采光要求的面积比例达到60%，得3分；

②地下空间平均采光系数不小于0.5%的面积与地下室首层面积的比例达到10%以上，得3分；

③室内主要功能房间至少60%面积比例区域的采光照度值不低于采光要求的小时数，平均不少于4 h/d，得3分；

④主要功能房间有眩光控制措施，得3分。

3)健康建筑《Well Building》，健康建筑标准中选择IES LM-83 2012中关于日照自足值和年太阳光照射度的概念，作为综合衡量室内环境采光利用率及采光舒适度的评判指标：

①至少55%的常用空间达到空间日照自足值(SDA(Spatial Daylight Autonomy)450，50%；其值表征空间中日光水平的年度充足性)。也就是说，至少55%的空间每年至少50%的运营时间内至少能获得450 lx的阳光照射，达到工作时间时的采光自足(铁路站房主要空间工作面照度要求450 lx)。

②达到年太阳曝光照射度(ASE (Annual Sunlight Exposure)1 000，250；其值描述空间中每年出现视觉不适的可能性)的常用空间不超10%。即每年有250 h可获得1 000 lx以上阳光照射的区域不超过10%，不形成过度采光照射，使不舒适、不均匀的光环境情况在可承受范围内。

具体求解过程：按照逐点分析法，分别求解全年工作时间(取8：00—18:00)范围内室内超过450 lx(SDA)与1 000 lx(ASE)的时间占比与面积占比。利用分析软件计算全年50%以上的工作时间，工作面水平照度达到450 lx及以上的面积占比(SDA)，全年250 h(即全年6.8%以上的工作时间：250 h/全年3 650 h=6.8%)工作面水平照度达1 000 lx及以上的面积占比(ASE)。

模拟分析结果表达形式即可换算为：

SDA：满足50%的工作时间，工作面照度在450 lx的情况下的覆盖面积是否达到55%；

ASE：满足6.8%的工作时间(依据250 h与全年工作时间的比值得到)，工作照度在1 000 lx的情况下覆盖面积是否小于10%。

2.4 林芝站天然采光环境模拟边界条件设置

2.4.1 模拟方法

采用动态采光模拟方法，应用Rhino中参数化模拟的Radiance内核Honeybee插件，针对建筑室内环境的天然采光，能够准确输出可视化模拟结果，内置对全年固定照度的时间分布计算工具，软件与达标条文内容契合度较高。对于采光的模拟，采用逐点照度模拟计算法，即对民用建筑模型每个房间的距地面0 m高度处的水平面按1 m间距精度划分为多个网格，模拟考量的时间范围内的采光情况。

2.4.2 边界条件

依据现行国标《绿色建筑评价标准》及其引用的《建筑采光设计标准》GB/T 50033—2013规定，采光模拟是基于全阴天模型计算而得到的，全阴天即天空全部被云层遮蔽的天气，此时，室外天然光均为天空扩散光，其天空亮度分布相对稳定，天顶亮度为地平线附近亮度的3倍。此种考核方法无法考量天空直射光对建筑室内形成的时、空变化下的不同影响，而且对于第Ⅰ类光气候区，极少出现阴天情况，也导致该种评价下的结果可能与实际情况相差甚远。同时，现行国标仅考核平均照度值，没有评价采光均匀性等质量指标。假设，某时段房间近窗处工作面照度10 000 lx，远窗处50l x，可以求出平均照度450 lx，数字上满足标准要求，但实际上是不理想的采光环境。

表2 材料光学性能参数

2.4.3 模拟模型

天空状态：动态天空。

天空数据：林芝自然光全年动态数据(2002—2010)。

网格划分依据：《建筑采光设计标准》GB/T 50033—2013，《采光测量方法》[20]GB/T 5699—2017。

网格与墙体间距：1 m，模拟空间网格间距：1 m。

模拟范围：工作面1为候车室一层，工作面2为候车室二层，工作面3为售票厅平面。

项目划分网格数：候车室一层工作面测试点共4 830个，候车室二层工作面测试点共2 835个，售票厅工作面测试点共144个。如图10所示。

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

2.5 林芝站原方案光环境模拟及分析

1)采光自足(SDA)模拟分析，模拟结果如表3所示。

表3 SDA模拟结果统计表

通过“采光自足”模拟结果看出，由于室外天然光环境的优势，结果比较理想，北向窗口也能得到大量采光，但候车厅一层及售票厅仍未满足SDA指标要求(覆盖面积的达标下限为55%)。候车厅采光多少与进深大小呈负相关关系，候车厅一层中部区域由于距站房外墙较远，且该区域设有二层候车厅，对中部区域天然光的照射形成了遮挡，采光达不到自足要求；候车厅二层东南向，二层候车厅靠近站台方向的外墙区域，采光充足甚至过量，满足自足需求。

2)年太阳曝光照射(ASE)模拟分析，模拟结果如表4 所示。

表4 ASE模拟结果统计表

通过“年太阳曝光照射”模拟结果看出，所有模拟空间均存在过量(超过1 000 lx的过量照射时间、空间分布过多)，南向及西向近窗处得到大量的太阳直射光，形成眩光及过度曝光情况。

3)眩光模拟分析。根据太阳全年在天空轨迹的分析，拟定2个可能出现眩光最强烈的工况进行模拟。模拟采光口眩光源的位置，影响程度等。

工况1：夏至日下午至傍晚时段，此时段太阳朝向正对西北向立面，易形成西晒及眩光辐射。如图11和表5所示。

图11 夏至日眩光视角定位(从左到右为：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模拟结果统计表

工况2：冬至日上午时段中太阳朝向正对东南向立面，易形成眩光辐射，如图12和表6所示。

图12 冬至日眩光视角定位(从左到右为：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模拟结果统计表

模拟的8个视野中均有明显的眩光形成，主要为水平入射的太阳光产生。避免此类眩光需要在立面上设置水平式和挡板式遮阳。由于采光需求，遮阳设施应为可调节的活动式遮阳板或者幕帘。

现状模拟结论：1)高寒地区光气候优秀，室内采光充足，若以均匀照度指标计算，模拟结果显示远超国标平均照度450 lx的要求；2)根据SDA和ASE模拟结果可看出，采光均匀度较差，一层候车厅整体进深深处(15 m)未得到有效采光，东南向建筑廊道遮挡及竖向窗在横向的均匀度不佳，候车厅东南侧采光均匀度不足；3)近窗处采光过量，尤其东南向候车厅二层，室外无遮挡，采光均匀且过量。因此，需要通过遮阳、反光板等设置降低近窗处的采光，同时需要通过设置天窗或者反光板方式向进深深处反射阳光，实现高采光均匀度。

2.6 林芝站光环境优化方案模拟及分析

结合模拟结果，调整建筑立面窗墙比、窗洞口位置、窗透光能力等，均可以改善室内采光自足和过度曝光，上述措施中，调节窗的透光能力对设计过程影响最小。选取候车厅一层平面做粗糙网格模拟，因站房建筑进深大，且双朝向，两朝向上立面窗墙比多样等特征，模拟时变化3处，如图13所示。采光窗的透光率形成对比模拟工况，模拟分析SDA和ASE的变化趋势，可得到类似建筑空间光环境的适宜采光透射系数范围，如表7所示。

图13 林芝站剖面图Fig.13 Section of Lin-zhi Station

表7 不同工况模拟取值

通过以上10个不同工况的模拟对比，发现站房高侧窗对近窗处的照度影响较小，对进深深处的照度影响较大；一层侧窗对进深深处的照度影响无规律，而对降低近窗处的过量采光有直接影响。对比工况模拟结果分析散点图，如图14所示，横坐标为高、低侧窗的透光率，纵坐标为采光自足值，其他条件不变时，高侧窗及低侧窗对采光自足值的影响呈正相关，但是低侧窗的拟合曲线斜率更高，表征低侧窗对采光自足值的影响程度更大。单变量情况下，高侧窗及低侧窗的透光率变化未见对日照曝光有改善，两者之间无规律。如图15所示，横坐标为高、低侧窗的透光率，纵坐标为日照曝光值。当提升高侧窗透光率，使其达到0.75以上(即综合透光率为0.75*0.8维护系数=0.6)，且一层侧窗透光率在0.1左右时，一层候车厅能够获得良好的采光自足和较少的过度曝光。

图15 高低侧窗日照曝光模拟结果分析Fig.15 Analysis of Simulation Results of Sunlight Exposure for High and Low Side Windows

3 结 论

结合高寒地区气候条件，利用Rhino软件对铁路站房进行了采光自足(SDA)及太阳曝光照射度(ASE)动态模拟分析，结果如下：

1)高寒地区铁路站房较其他地区的铁路站房更易获得充足的天然光，室内平均照度值远超国标要求，但也存在一定的问题，候车厅中部区域距外墙15 m及更远范围的采光仍达不到自足要求；其次，候车厅及售票厅工作照度超过1 000 lx的过量照射在时间和空间分布上过多，南向及西向近窗处获得大量的太阳直射光，形成极强的眩光及过度曝光；夏至日下午至傍晚时段及冬至日上午时段，在太阳正对的朝向上有太阳水平入射产生的眩光。

2)通过模拟分析，结合高寒地区的气候特征，提出高寒地区铁路站房光环境综合优化的策略建议。将站房“采光有效进深”控制在0.8以内，或在站房檐口下四周设置高侧窗，以提高站房中部区域的有效采光量，使其满足采光自足要求，改善高寒地区铁路站房的采光均匀度；在眩光产生的朝向上设置可调节的感光水平遮阳或帘幕以防止眩光的产生，提高光环境舒适度；适当减少低侧窗的透光率可有效控制近窗处的采光量，防止过度曝光；提升高侧窗的透光率，使其达到0.75以上(即综合透光率为0.75*0.8维护系数=0.6)，候车厅能够获得良好的采光自足，提高采光均匀度和光环境舒适度。

致谢：本研究得到中铁二院工程集团有限责任公司科研项目《高寒地区(以川藏线为例)铁路站房绿色建筑技术研究》(KYY2018040(18-19))的资助，在此对参与本课题研究和参与新建铁路川藏线拉萨至林芝段设计的所有人员表示衷心的感谢。