长沙西站照明设计

吴建云

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

引言

截至2020年年底，我国铁路营业里程14.6万公里，高速铁路运营里程达3.79万公里，稳居世界第一。高铁已成为我国最靓丽的名片。高铁站房作为高速铁路的重要节点及组成部分，越发引人关注。高铁站房建筑的主要特点是人员流动密度大、运营时间长、室内空间高大、使用功能复杂。高铁的形象通过高铁站房建筑直接展示在旅客面前，如何提高高铁站房品质，提升旅客的出行体验，照明设计在其中发挥了很大的作用。高铁站房建筑作为交通枢纽，空间复杂多变，建筑造型立意元素众多，照明光源、灯具的选型以及灯具的布置、安装各有特点，选择合理的照明灯具、科学地划分控制方式，并从节能的角度出发充分利用自然光，将人工照明与天然采光有机地结合，是该类型建筑照明设计的重点。本文结合长沙西站项目，对高铁站房的功能照明和应急照明设计，进行全面的分析和梳理。

1 项目概况

新建常德经益阳至长沙铁路位于湖南省西北部，是渝长厦通道与呼南通道的重要组成部分。具有构建川渝至湘赣闽地区高速铁路主通道、华北、中原、鄂西至华南地区高速铁路主通道的地位。新建长沙西站是常益长铁路的重要组成，是长株潭城际铁路西延线终点站。长沙西站位于湖南省长沙市望城区南部金山桥街道和黄金园街道交界处，北邻望城国家级经济技术开发区、南靠梅溪湖片区、东连麓谷片区、西接宁乡经济技术开发区。

长沙西站站房及相关工程的设计范围包含60 m标高以上铁路站房、站前平台、站台雨棚、桥下车场、城市通廊及换乘通道、东西跨线送客匝道、站房范围内站前西路和站前东路的涵洞，路基场和高架场之间的挡墙、物流通道等设施。此外还包含60 m标高及66 m标高站前北路以南至北站房站前平台边界地面市政工程。长沙西站枢纽建筑面积397 133 m2，市政代建工程建筑面积89 327 m2。站房设计范围及建筑形态如图1、图2所示。

图1 长沙西站鸟瞰图Fig.1 Aerial view of Changsha west railway station

图2 长沙西站正立面透视图Fig.2 Front elevation perspective view of Changsha west railway station

2 建筑采光模拟分析

2.1 建筑采光设计

本项目侧面设置玻璃幕墙，屋面设置花瓣形采光天窗，在候车厅均布四处采光广厅，将室外充足的自然光引入建筑内，既能使建筑空间在视觉上更加通透明亮，又是对室内采光环境的极大补充，如图3所示。大面积引入自然光的设计，符合绿色低碳的设计理念，与人工照明相辅相成，增强明暗对比，突出效果。

图3 建筑屋面示意图Fig.3 Schematic diagram of building roof

2.2 采光系数模拟

通过专业软件对本建筑采光情况建模模拟，整体平均采光系数接近3%～4%，南北大厅局部采光有所不足，如图4所示。由于采光窗口面积占比较小，窗洞形状深，因此室内光线方向性强，容易形成强烈明暗对比及阴影。顶面和开窗部分亮度对比大，花瓣形窗洞边缘对比大。整个平顶低亮度区域(除窗洞外)，亮度分布的变化小。以上的视觉印象，容易给人生硬粗犷的感觉。下一步人工照明设计过程中，需要在灯具设置及灯具控制方面改善优化。

图4 候车厅层采光系数模拟图Fig.4 Simulation diagram of daylighting coefficient of waiting hall floor

3 功能照明设计

3.1 光源、灯具选型

光源的颜色品质包含光源的表观颜色、显色性能、颜色一致性、颜色稳定性等几个方面。照明光源的选择，需要从显色指数、寿命、光色、光效、启动性能、工作的可靠性、稳定性及价格等因素综合考虑。

本工程有大量的高大空间环境，适用光源有金卤灯和大功率LED灯。针对两种光源的特点，笔者进行了对比，如表1所示。

表1 金属卤化物光源与LED光源对比表[1]Table 1 Comparison table of metal halide light source and LED light source

金属卤化物光源的市场应用主要为钠铊铟灯和钪钠灯，光效在70～100 lm/W，金属卤化物光源显色性好、高光效、寿命长(5 000～20 000 h)，但是金属卤化物光源不能瞬间点亮，不能实现智能调光控制，光效较LED光源低20%～30%左右。从绿色节能及日常使用的方便性考虑，其已不占优势。

随着LED技术的日渐成熟，LED光源具有体积小[2]、光效更高、寿命更长(25 000～50 000 h)、光源调光性能好、反应速度快和发光模块体积小等优点。但LED光源体积小散热不占优势，在显色性及眩光控制方面较差。近年来，LED光源技术发展非常迅猛，光效不断提高，光源质量不断改进，价格不断下降，已得到广泛应用。经过综合比选，LED灯在绿色节能，表现手段的灵活多样性等方面更适合在高大空间的建筑内使用，因此本项目全面采用LED光源灯具，为了规避灯具散热不利的缺点，本项目采用了一体浇筑具有高导热性能的全铝灯具，灯具具有较好的热导率，有效地控制了灯具重量和体积，同时能够保证灯具的散热。为降低灯具的眩光，灯具的玻璃罩采用毛面增加散射，降低灯具的表面亮度，同时增加光束的宽度，增加建筑的垂直照度，提升整个环境的亮度。

3.2 室内照度计算

站房各空间照明是为旅客和车站工作人员提供购票、候车、乘降、工作等活动的功能性为主的照明，营造交通建筑明确清晰的空间感和方位感，并通过光环境的设计和布局，展现建筑特点和地域特色，给人创造安全、舒适、富于美感的光环境。结合建筑师、室内设计师、平面设计师、艺术家对高铁站点的定位，体现其设计理念及艺术观念，在满足照明功能要求的前提下，追求更优的效果以提升站房建筑的文化层次。根据不同功能区的特性来设计其对应的照明方式，同时应保证整体的灯光效果不会相差过大。室内基础性功能照明均采用LED光源，色温均为4 000 K，显色指数Ra≥80，特殊显色指数R9≥0，色容差SDCM≤5step。针对下列区域/空间的正常照明：车站进站大厅、候车大厅、出站大厅、站台、售票大厅、出入口通道等功能空间以及高架站房下站台及站台雨棚进行计算分析，结果如表2所示。

表2 各空间照度标准及计算对比表[3]Table 2 Comparison table of illuminance standard and calculation of each space

经计算，进站大厅/进站广厅①，计算结果超出标准值10%以上。考虑到天花灯具布置的一致性，且目前灯具布置满足照明功率密度要求，灯位/灯型暂不做调整。同时该空间包含了安检区，照度要求300 lx，适当提高该空间照度也降低了和周边照度的对比，有利于提高建筑整体舒适性。旅服夹层②根据用途划分为商业空间，照度标准300 lx，考虑到第三方商家自主照明补充，本次设计提供200 lx基础照度。安检区③地面水平照度计算结果低于标准值10%以上。 为了保持大天花灯具布置的一致性，天花灯位/灯型暂不做调整，在安检区适当增加地面立杆照明，以保证安检区的照度要求。中央候车大厅、基本站台④，考虑到本站的重要性，以及设计的前瞻性，本次设计按照特大型车站照明标准设计。

3.3 室内灯具布置与安装

高铁站房建筑室内空间设计复杂，室内空间高度从3～30 m不等，灯具布置及选型需结合不同环境高度、照度要求、功能要求等多方面特点选择。站房主要空间灯具设置及选型如图5所示。

图5 照明设计剖视图Fig.5 Lighting design section

候车厅作为旅客的主要活动区域，对照明设计的要求相对严格，既要满足功能性照度需求，还需要与建筑环境、室内设计完美地结合，并充分应用各种照明手段来表现建筑内部空间和外部形象，突出建筑环境特点[4]。为展现地方文化特色，建筑师在候车大厅设置了花瓣状的采光天窗，此区域天花灯位布置形式采用“一字”排列和“十字”排列相结合，与天花造型协调一致。其余区域按均匀布置灯组设计。候车厅区域室内高度20～30 m不等，本次设计选用95 W 60°/40°LED嵌入式筒灯，色温4 000 K，采用灯组设计方式，灯组间距为10 m×10 m或12 m×12 m，灯具布置图如图6、图7所示。在花瓣周围区域设置彩色灯带，勾勒出花瓣造型。通过DIALux软件进行模拟计算，候车厅平均照度200 lx，候车厅伪色表现图及等照度曲线图如图8、图9所示。

图6 候车厅屋顶天花示意图Fig.6 Schematic diagram of roof ceiling of waiting hall

图7 候车厅局部天花灯具布置图Fig.7 Layout of local ceiling lamps in waiting hall

图8 候车厅伪色图Fig.8 Pseudo color map of waiting hall

图9 候车厅照度分析图Fig.9 Illuminance analysis diagram of waiting hall

候车大厅休息座椅区、安检、进站口等区域设置立杆照明，提高局部照度。候车厅内灯具安装在承力结构上，确保牢固稳定、安全可靠。在有振动、摆动的场所，其灯具设有防震和防坠落措施。候车厅区域顶棚高度在20～30 m，灯具检修考虑上下结合的模式，检修升降车能到达的区域，采取下检修。检修车无法到达的区域，在吊顶内设置马道，采用上检修的模式。

自然光是人类感觉舒适的光源[5]。为了充分利用自然光，实现绿色节能的目标，本建筑设置了采光天窗，在白天引入自然光，改善室内环境，但是夜晚，采光天窗区域会出现大尺度的暗区，影响整体建筑照明效果。为了避免此现象的发生，在采光天窗内部连续布置灯带及棱镜板。白天，入射的自然光经棱镜板均匀扩散透射后变为漫射光，扩大采光照明覆盖区域范围，改善采光效果。夜晚，灯光通过棱晶板透出，类似发光灯箱的效果，同时隐约有进深感。此照明方案优点是灯具隐蔽，对建筑室内外景观影响最小；夜间效果比较接近自然光；通过调整灯带强弱及光色形成效果变化，更好地体现建筑立意理念，布置示意图如图10所示。

图10 天窗灯具安装节点示意图Fig.10 Schematic diagram of installation nodes of skylight lamps

本建筑设置了四个采光庭，光庭为本项目设计亮点之一，光庭顶部设置可调光的筒灯，灯光的强弱及光色的冷暖可通过智能照明系统调节，根据需求，可通过较高的照度对比，营造自然采光的效果。灯具安装节点示意如图11所示。

图11 光庭灯具安装节点示意图Fig.11 Installation node diagram of daylighting court lamps

3.4 照明配电系统的设计

长沙西站为大型交通枢纽建筑，属于大空间、人员密集场所。公共区域照明按一级负荷供电，根据《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)相关要求，公共区域照明采用两路电源交叉供电方式[6]。本工程候车厅、售票厅、城市通廊、雨棚、进出站通道等区域的一般照明，采用分区设置两个普通照明配电箱，相关区域内的照明灯具由每个配电箱各带一半，采取交叉供电的配电方式，两个照明配电箱的上级电源引自两个不同的变压器的低压母线段，当一路电源出现故障时，仍能保证工作场所50%的照度，使一般照明也兼具了部分应急照明的功能，可以作为公共区的备用照明。此种配电方式既满足相关场所的照明使用需求，又节省了投资成本。

应急照明系统采用按防火分区设置区域集中电源的供电方式，由集中电源所在防火分区应急照明配电箱引来220V电源至区域集中电源箱柜，由集中电源箱柜向终端灯具集中供电，设置在距地面8 m及以下的灯具选择A型灯具，设置在8 m以上空间灯具选用B型灯具,灯具不带电池。集中电源带EPS蓄电池组，应特殊消防设计要求，本项目集中电源电池的供电时间不小于60 min,初装容量不小于180 min。消防应急照明箱的上级电源采用双电源供电末端互投的配电方式，上级电源引自变电所低压消防应急段。

本项目的候车厅区域为高大空间场所，为更准确地检测故障电弧，避免由此引起的电气火灾事故，增强对电气火灾的前期防范能力，根据《火灾自动报警系统设计规范》(GB 50116—2013)第12.4.6条规定：高度大于12 m空间场所的照明线路上应设置具有探测故障电弧功能的电气火灾监控探测器[7]。因此，本工程在候车厅、进站广厅等高大空间场所的末级照明配电箱设置了电弧探测模块FADD，避免因电弧故障引起的火灾。

3.5 照明控制

长沙西站根据不同功能房间需求采用了多种照明控制方式。办公室、会议室等房间内采用就地控制模式，办公区走廊、候车室、贵宾门厅均采用智能照明控制系统。智能照明系统由设置在配电箱内的灯控模块统一控制，采用总线形式连接，并预留和楼控系统的通信接口。智能照明采用了分区控制的概念，系统将建筑分为不同的控制区域：第一类为办公区走廊；第二类包括：候车室、雨棚；第三类为贵宾门厅。场景设置：照明可分为全部开启、1/2灯具开启、1/4灯具开启、1/8灯具开启、全部关闭和分区域开启等模式。可以对系统内的每一个灯具回路进行调光甚至调色温控制，根据运营时间、环境变化、客流状态以及车站和列车的运行信息，进行智能调光的场景设置，达到绿色节能的效果，并且营造氛围舒适、引导性强的照明环境，提升旅客的体验。

候车厅区域设置照度传感器，根据建筑房间朝向及采光方式、节气、时间及气象条件，设置日间、早晚及夜间等不同工作场景模式，控制照明强度及效果。站台雨棚设置照度传感器，根据气象条件设置不同工作场景同时根据列车到发时间以及站台上人流聚集和疏散的时间和空间分布，调亮站台部分区域的部分灯具，而其他无人使用区域降低到一个安全的低照度，在不影响乘客体验的前提下，达到明显的节能效果；由于在大部分中间站台，候车旅客一般只在限定的几节车厢上下车，当列车进站前，站台灯光自动调至高光通量输出直至列车驶离站台后，站台旅客疏散完毕；其他时间段，则保持较低的照度。结合信息系统对灯光进行明暗调光，对旅客通行有很强的引导性，提升旅客体验和服务品质。

光庭及天窗照明光色采用可调节色温设计，模拟天光变化。智控方式：采用感光、动静探测器及天文时钟等设备，通过可编程开关控制器、DALI、DMX512系统调节光照强度、色温，由智能灯光提升至智慧照明。调光范围：1%～100%，调节过程平滑无频闪。

智能照明系统在监控中心的电脑能对整个照明系统进行实时的监控，包括操作各照明回路的开、关，显示各回路灯具的位置(图形显示)及其运行状态(开或关)，提供运行时间和事件记录功能，并具有事件发生时提示功能。系统可根据一年365天或每天的需求按照程序照明控制系统进行调光或开关控制设定。系统操作功能应具有高度灵活方便性，维护与编程人员分为多级(最多五级)权限管理，并通过不同权限可在控制系统总线上的任意控制点进行监控、程序修改及编程。智能照明系统框架如图12所示。

智能照明是实现室内照明健康、舒适与高效的重要手段[8]。智能照明控制系统的先进性及节能性不仅满足了对长沙西站控制区域灯光的智能化管理，同时还考虑了今后整个车站灯光的管理与运营的升级预留。

4 结语

新建常德经益阳至长沙铁路长沙西站站房及相关工程，是省会级大型高铁站房类综合交通枢纽建筑，集地铁、高铁、公路运输于一体，对于当地的交通运输及经济发展将发挥重要作用。其规模大、功能复杂，本次照明设计充分融合了建筑设计理念、站房结构的特点，结合建筑天窗位置，充分利用自然光。高大空间采用大功率LED照明灯具，合理选型及布置。采用智能照明控制等节能措施，在满足使用照度的前提下，又达到节能、美观、舒适的照明环境效果。提升了旅客出行体验，为本高铁站房的高效、有序运营，取得良好社会效益、经济效益提供了有效的保障。