绿色高架车站的设计与实践

张晓林，张 彦

（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100045）

1 研究背景

1.1 国内外绿色建筑发展状况

发展节能、绿色和智能建筑，是国际建筑领域的大趋势[1]。围绕推广和规范绿色建筑发展的目标，近年来许多国家和地区制定了各自的绿色建筑评估体系，比较成熟的有：英国的BREEAM、美国的LEED、挪威的EcoProfile、加拿大的GBTool、日本的CASBEE、法国的ESCALE、澳大利亚的NABERS、德国的DGNB、荷兰的GreenCalc、新加坡的Green Mark等，各个国家的绿色建筑评价和认证也在评价体系的指导下如火如荼地开展。

中国资源总量和人均资源量都严重不足，同时中国的消费增长速度惊人，资源再生利用率也远低于发达国家。中国正处于工业化、城镇化快速发展时期，与发达国家相比，在气候、地理环境、自然资源、经济社会发展水平与民俗文化等方面都存在巨大差异，对于绿色建筑技术有迫切的需求。至今，中国绿色建筑全面发展已经过10多年[2]，在法规、政策、标准三管齐下的指引下，中国绿色建筑评价工作发展十分迅速。2006年，《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378)发布，并于2014年和2019年完成了两次修订，绿色建筑的性能也从最初的“四节(节地、节能、节水、节材)一环保”发展为“五大性能(安全耐久、健康舒适、生活便利、资源节约、环境宜居)”[3]，并形成安全、宜居、生态可持续这一构建绿色建筑体系的“铁三角”[2]。截至2019年底，全国共评出绿色建筑标识项目近2万个，建筑面积大约14亿m2[4]。实践过程中，中国还有众多绿色专项标准、地方标准相继出台，国家和地方的绿色建筑相关产品和产业也得到了迅速发展。

近10年来，在城市轨道交通领域，国内各地方的轨道交通公司也陆续开展了区域性的绿色轨道交通标准的编制工作。2013年深圳地铁公司和中国铁道科学研究院联合编制了《深圳市绿色城市轨道交通工程建设与运营评价标准》，同年《长沙市绿色城市轨道交通评价标准》和《长沙市城市轨道交通绿色车站设计导则》[5]相继发布。2019年，中国建筑节能协会和中国城市轨道交通协会的团体标准《绿色城市轨道交通车站评价标准》[6]也颁布实施，城市轨道交通车站的绿色评价工作也相继展开。

1.2 国内轨道交通高架车站存在问题和解决方案

2010年以前，中国还没有绿色城轨高架车站的设计实践。所以，从2010年5月至2013年5月的3年时间，在张郭庄站设计之初和设计过程中，项目组织了多次针对轨道交通高架车站和绿色公共建筑的调研活动，发现当时的既有高架车站存在一些普遍问题：

1) 夏季通风不利：由于考虑冬季挡风等因素，车站过于封闭，导致在夏季不能很好地自然通风。

2) 二次装修过重：现有车站装修基本在原有结构基础上进行全覆盖式装修，二次装修过重。

3) 屋顶隔热不利：在夏季，站台层明显比下部的站厅层温度高，这主要在于屋顶直接受到辐射热的侵袭，按常规的屋顶体系来设计不采暖但又封闭的车站空间是不合适的。

4) 可再生能源利用：中国的轨道交通高架车站当时还没有使用可再生能源。

5) 设备优化：设备体系从绿色建筑技术的角度来看，集成度不高。

6) 车站建筑、结构、设备一体化设计协调不够。

针对以上问题，在张郭庄站各阶段设计中予以逐步完善。

1.3 张郭庄站概况

北京轨道交通14号线被定位为大运量等级的轨道交通线路，服务于中心城区及边缘集团，兼有交通疏解和引导发展的功能，在2015年线网规划中，是一条连接东北、西南方向，中间为围绕中心城区的半环状的轨道交通干线。线路全长47.3 km，共有37座车站，张郭庄站为本线西端的起点站，与第2个车站园博园站为全线仅有的两座高架站。车站位于规划的梅市口路路中隔离带，车站为东西走向，北侧规划为大面积的交通接驳用地，包括P+R停车场、公交总站及自行车停车场等。梅市口路为城市主干道，规划红线60 m宽，车站部分可局部拓宽至80 m。车站总长174.7 m，总宽30 m。车站总建筑面积为10 542.72 m2，其中主体建筑面积为9 703 m2，附属建筑面积为839.72 m2。

2 张郭庄站绿色建筑设计

2.1 车站建筑形式

车站位于梅市口路路中隔离带内。传统站型为路中高架3层侧式车站，1层为横向双柱内缩的架空层，2层为底部悬挑的站厅层，3层为站台层，车站设置4个出入口，乘客通过天桥进出车站(见图1)。车站的双柱设置在横向8 m宽的路中隔离带内，地面市政道路从2层悬挑站厅的下部地面通过。传统站型的优点是保持了车站两侧地面市政道路的直接通行条件，是目前国内轨道交通高架车站的主流形式。

图1 常规高架车站方案Figure 1 Regular elevated station scheme

而笔者与美国L·A·S建筑设计集团的建筑师经过现场踏勘和研究分析，提出的概念设计方案则是：将路中隔离带加宽、高架车站完全落地成为简单的两层普通框架车站(后改为3层车站)，1层为站厅和设备层，2层为站台层，市政道路平面绕行并且高架通过车站两侧，高架道路只留有乘客从地面穿过其桥下进出车站的通道(图2～4)。车站完全落地出于如下考虑：

图2 3层车站方案平面图(从1层进站)Figure 2 Plan of the three-storey station scheme(incoming from the first floor)

1) 车站为14号线端头枢纽站，且位于东西向的梅市口路与南北向的郭庄路和芦井路的交叉口之间，两路口相距较远，枢纽区域有高架车站完全落地、而两侧市政道路平面绕行且起坡和落地的交通条件。经详细交通分析，方案设计可以解决车站落地对周边地块的分隔和区域交通功能问题；

2) 方案设计以服务乘客为首要考虑因素，乘客从1层平面通道直接进、出同层站厅，再上、下到2层站台，与常规建筑方案相比，进站乘客的提升高度和出站乘客的落降高度均减少1层，体现了“以人为本、公众优先”的核心思想；

图3 3层车站方案立体效果图(从1层进站)Figure 3 Three-dimensional rendering of the three-storey station scheme (incoming from the first floor)

图4 3层车站方案横剖面(从1层进站)Figure 4 Cross-section of the three-storey station scheme (incoming from the first floor)

3) 设计方案使原先屈从于现状道路的悬挑架空式的建筑类型，回归到了完全落地式的沉稳的建筑形体，车站本体和周边枢纽区域更为集约高效，体现了绿色建筑的核心思想。

2011年车站规划方案评审时，专家组同意了设计方案。但由于方案对于以棋盘格道路网为思维主导的传统规划思想的冲击和挑战过于强烈，最终审查批复时只同意中央隔离带加宽、站房落地、市政道路平面绕行的方案。批复意见对于两侧道路高架的设置方案没有给予支持，所以后来实施的车站方案为3层落地的方案：1层为设备用房并预留有轨电车T1线换乘站台，2层为站厅，3层为站台，乘客从上跨道路的2层天桥进出车站(见图5)。

图5 3层车站方案立体效果(从2层进站)Figure 5 Three-dimensional rendering of the third-storey station scheme (incoming from the second floor)

全新的创作思想对于今后轨道交通端头站或枢纽站设计是创新的启示，有助于实现车站及周边一体化发展[7]。

2.2 车站绿色建筑设计[8]

2.2.1 人文方面

1) 乘客从地面进出车站，仅通过一跑楼扶梯上下站台，换乘更为便捷舒适，体现了“以人为本”思想。

2) 高低错落、层次分明的建筑空间布局、开阔的站内视野、立体和曲线的花坛、藤蔓绿墙、大片的绿化及行道树、远处广场动感的太阳能光电柱，提供了舒适宜人的候车环境(见图6～7)。

图6 车站的人文理念Figure 6 Humanistic concept of the station

图7 车站的建筑效果Figure 7 Building effects of the station

2.2.2 科技方面

1) 以科学的研究、分析和设计手法，使车站建筑在朝向、布局、造型等各方面充分利用自然采光(见图8～11)。

图8 夏季(左)、冬季(右)中午太阳位置分析Figure 8 Sun position analysis diagram in summer and winter at noon

图9 夏季(左)、冬季(右)早晨太阳光影分析Figure 9 Morning sunlight and shadow in summer (left)and winter (right)

图10 夏季(左)、冬季(右)正午太阳光影分析Figure 10 Noon sunlight and shadow in summer (left)and winter (right)

图11 春季和夏季站台太阳光影分析——屋顶自然采光Figure 11 Sunlight and shadow at the platform with roof natural lighting in spring and summer

2) 以先进的科学手段，为建筑尽量提供自然采暖通风能力。

3) 以普通的建筑材料、简易的施工方法、便捷而耐久的使用维护方式，设计出不同寻常的、引人关注的建筑外观和造型。

4) 绿色建筑科技的直观展示具有重大的科普意义。

5) 以特殊的科技方法表达诸如砖、混凝土、钢铁、玻璃等传统建筑材料。

6) 智能控制的能耗计量和分析，直观展现节能效果。

2.2.3 绿色方面

建筑设计充分考虑了供电系统再生制动能量、太阳能、风能、水的利用以及土地的利用。

1) 节地

①合理布置车站用房和交通接驳设施，使得车站枢纽功能集成度更高，减少总体占地面积。

②采用自生系统的设计方法，增加车站周边开放空间、扩大绿化面积、保持绿化间距、设置绿化隔离带。采用侧式站台方案可加强与周围自然景观的联系，植被与车站建筑的结合则极大地优化乘客对环境的视觉感受。

③屋面雨水经排水管流入雨水沟，汇入车站两端的雨水处理池中，经沉淀过滤流入地下的存储罐中，供旱季使用。站前广场使用的透水砖、雨水回收系统和人工花台，可以减少雨水的地面冲刷并帮助雨水利用。

④反射屋顶的使用可以减少城市热岛效应的影响，并有助于在夏季获得更舒适的小气候环境。

2) 节能

①充分利用天然能源：恰当的建筑朝向有助于阻挡夏季炎热的光照，又能在冬季获得最多的太阳热量。

②可再生能源的利用：太阳能与再生制动逆变分别并网至0.4 kV的两段母线，为车站用电提供补充；站前广场照明采用具有雕塑作用的精巧的风光互补照明灯具，具有强烈的雕塑作用，并让乘客直观了解获取绿色能源的方法，兼具科普意义。

③利用自然通风散热，亦可最大限度地提高乘客的舒适度。

④尽量使用自然采光，可在白天大量减少人工照明的能耗。

⑤采用具有自控功能的高效照明和采暖通风系统，以进一步减少能耗。暖通设备均使用有利环保的制冷剂。

3) 节水

①雨水回收和利用：结合本地植物和易成活植物的景观设计，雨水回收系统的使用可完全避免使用城市用水灌溉植物。

②节水的器具：使用低流量的卫生器具，包括双套冲水系统、超高效洁具、无水小便器和低流量水龙头等节水措施。

4) 节材

①采用整体清水混凝土结构，尽量减少二次装修，降低运营维护成本。

②使用生物成分材料和本地材料：使用有利回收、以生物成分为主的建材，并尽量选用本地制造商及供应商生产和组装的材料及产品。

③使用可回收材料：使用回收钢材、水泥替代物及回收骨料混凝土等方法从建筑结构方面达到节材的目的。使用炼钢厂高炉、鼓风炉矿渣或火力发电厂煤灰可有效代替40%以上的纯水泥。

④施工废料的回收：在传统废料处理基础上，至少达到50%的回收率。

5) 环境

①自然采光：将室内空间按功能分区布置，以充分利用自然采光。将办公空间沿外墙设置，并在车站的屋顶上设置天窗，从而获得最大化的日光照明。

②自然通风：车站站台为半开敞形式，通过对风速、风向的基本分析，采用以玻璃幕墙形成避风港的设计方法改善冬季候车条件；玻璃幕墙附设可开启窗户，在夏季可形成凉爽穿堂风。

③室内装修和家具均使用专门的低排放材料，并使用二氧化碳传感器控制系统，以优化通风质量和提高温度舒适度。

④改善乘客视野景观质量。

车站整体的绿色建筑概念示意如图12。

图12 绿色车站概念示意Figure 12 Schematic of the green station concept

3 张郭庄站绿色建筑实施效果

3.1 实施的困难、问题及解决方案[8-9]

3.1.1 车站主体的屋顶钢结构造型和屋面板构造

屋顶造型原为较复杂的双曲菠萝面空间造型的预制清水混凝土屋面板构造，实施阶段工期较紧，感觉以国内的施工水平短时间内完成屋顶主体结构施工和太阳能光电板安装有一定困难，难以实现建筑屋面和屋盖结构之间的有效连接，此外在板件制作、建筑防水等方面也存在工程难题。

最终方案采用结构和建筑分层设计的概念予以结构简化，将复杂的建筑曲面由屋盖的次结构体系完成，屋盖主结构体系主要完成合理的内部空间布局和安全需求，屋面板构造改为国内常规的金属屋面板构造(见图13～14)。

图13 屋顶钢结构方案的简化和屋盖结构模型Figure 13 Simplification of roof steel structure scheme and roof structural model

图14 站台屋盖结构安装完成后的内景Figure 14 Indoor scene after the installation of the platform roof structure

3.1.2 雨水回收系统

实施设计方案，考虑雨水回用用途对水质的要求，将屋面雨水通过雨水收集系统进行收集，再经过初期弃流后进入PP模块组合水池进行储存，经雨水过滤器过滤后即可回用。一次降雨可供回用的总雨水量为128 m3。考虑到雨水的保质周期及北京地区两场降雨间隔时间，本次设计用水周期为5 d，则每天的雨水回用量为Qd=25.6 m3/d。收集的雨水用于浇洒绿地，浇洒绿地用水定额为3 L/m2·d，故一次降雨可满足约8 500 m2的绿地5 d的浇洒用水量。施工阶段，由于车站两侧的市政道路标高因地下管线布置与车站地面标高发生矛盾，设计项目组临时取消了车站两侧的集水沟设施，这为将来的雨水收集利用留下了遗憾。

3.1.3 出入口通道的屋顶绿化

原设计方案的车站出入口通道采用了屋顶绿化，以适当提高通道内行人的舒适度，提高站区的建筑景观，并适度降低城市小区域的热岛效应，但实施过程中因维护成本提高而取消。

3.2 实施方案绿色建筑技术措施[9-10]

3.2.1 被动式太阳能获取

通过分析地域的气候条件、车站内部物理环境分析以及软件的计量分析对比，对建筑朝向、围护结构、屋顶采光方式和太阳能利用系统，进行建筑光伏技术一体化设计，形成一座具有被动式太阳能利用特点的节能车站，以实现天然能源的合理利用(见图15～16)。

图15 被动式太阳能获取Figure 15 Passive solar energy acquisition

图16 站台屋盖结构安装完成后的外景Figure 16 Outdoor scene after the installation of platform roof structure

3.2.2 自然采光、自然通风

方案实现了夏季自然通风、冬季挡风和适度保暖的建筑效果。每块屋面板有韵律的高低倾斜，在形成屋面特殊造型的同时，也提供了建筑最佳朝向及站台屋顶天窗最佳采光角度。恰当的建筑朝向既有利于遮挡夏季炎热的光照，又能在冬季获得更多的太阳热量，同时尽量多地利用自然采光，也可降低车站的综合能耗(见图17～18)。

图17 车站的自然采光外景Figure 17 Natural lighting outside the station

图18 车站的自然采光内景Figure 18 Natural lighting inside the station

站台层虽然采取了全封闭，但侧墙屋面与钢柱之间约2 m高的固定百叶窗提供良好的夏季通风换气条件；站台层采用2.5 m的全高安全门，与侧边的玻璃幕墙共同形成了“玻璃挡风墙”，为乘客冬季挡风；玻璃幕墙上设置可开启窗户，在夏季可形成凉爽的穿堂风。通过对风速、风向的基本分析等间接设计策略，为乘客提供相对舒适的候车环境(见图19～20)。

图19 车站自然通风方案Figure 19 Natural ventilation scheme of the station

3.2.3 太阳能光伏发电并网系统

车站设置60 kW太阳能光伏并网发电装置，其发电直接并网至车站变电所0.4 kV低压柜I段母线。当装置正常工作发电时站内低压负荷优先使用太阳能电源(见图21)。

图21 太阳能光伏并网逻辑Figure 21 Logic diagram of solar photovoltaic grid

3.2.4 接近自然的生态理念

为了保持生态和人文理念的一致，在场地设计中使用了自生系统的设计方法。车站周边增加开放空间，扩大绿化面积，保持绿化间距，设置绿化隔离带，并将绿化带一直延伸到园博园区；侧站台的设计也可加强与周围自然景观的联系；植被与车站建筑的结合可极大优化乘客对环境的视觉感受。

3.2.5 绿色建筑材料

主体结构采用轻装修工艺，尽量减少站厅和站台的二次装修，节省用材，降低运营维护成本；精心选择本地制造商及供应商生产和组装的材料和产品，以及低能耗材料，使用利于回收的材料，以减少对环境的影响。

3.2.6 地埋式污水处理设备

车站所处位置无现状市政污水管网，按照环评报告要求应实现零排放，因此设置地埋式污水处理设备，将车站的生活污废水处理成中水回用，多余的中水溢流至市政雨水管网；设计采用膜生物反应器(MBR)作为核心处理工艺，整个工艺流程包括：格栅去除杂质、调节池调节平衡水量、MBR生物氧化处理、消毒。消毒后的出水可以达到中水水质标准，排入中水池。中水池起调节水量作用。采用回用水泵将中水输送至车站室外用以浇洒道路和绿化。

3.2.7 自限温式电保温系统

车站的消防及生活水管采用自限温式电保温系统代替恒功率电保温系统，自限温发热电缆的发热功率可随所处环境温度的变化而发生变化。其所处环境温度升高时，其发热功率减小，反之，其发热功率升高。自限温发热电缆可以自由裁切，也可自由缠绕搭接，管线更换少；自限温发热电缆不会引起局部温度过高而损伤电缆本身，当发热电缆接近设定的温度时，功率会自动降低，管道阀门等处局部不再过度发热，达到节能省钱的效果。该系统能够快速启动，运行成本低，温度相对均匀，安装简单，维护方便。

3.2.8 智能照明控制系统

附属房间照明采用智能照明控制，即当工作人员进入后，红外感应器自动开启室内的灯光，当工作人员离开后，感应器延时关闭灯光。此种工作方式可以有效避免浪费，节约能源。

3.2.9 能源管控系统

为评估车站运营后能耗构成及节能效果，车站预留了车站级能源管控系统实施条件。对车站内用电设备能耗分类计量，并将计量结果上传至能源管控平台以供能耗分析及节能方案评测。系统由智能电度表、管线、上位机及管控平台构成。系统目前对用电设备进行分类计量，设置了智能电度表，并将管线敷设至配电室处，待需要时将上位机及管控平台安装到位即可正常运行。

4 结语

张郭庄车站于2011年4月中旬开工建设，并于2013年5月丰台园博园开园前建成通车。2014年该项目入选北京市规划和自然资源委员会推介的北京市首批10个绿色建筑示范单体之一。2015年项目获得北京市第十八届优秀工程设计奖三等奖，同年获得中国土木学会城市轨道交通工作委员会颁发的“城市轨道交通创新技术推广项目”奖牌。

张郭庄站是国内首次在城市轨道交通领域进行系统性绿色技术尝试的高架车站。实施过程中有对新技术的深入学习和研讨，也有观念的碰撞和冲突，也留下一些工程遗憾，这都成为我们项目的宝贵经验。