天津火车站候车厅天然采光研究

李雯雯 王爱英 连志强

(1.天津大学建筑学院，天津 300072;2.威海职业学院，威海 264210)

1 引言

天津站是天津市内最重要的交通集散地，是集普通铁路和京津城际交通为一体的交通中转站。目前的天津站是2010年6月底完工的改扩建之后的新天津站。平面东西方向呈单方面内凹哑铃状，首层为进站中央大厅，二层直通高架候车室;屋面结构采用大跨钢网架，外檐装修采用新型石材和玻璃幕墙;总建筑面积2.67万平方米。新天津站的建筑整体通透流畅，充分体现了现代铁路建筑高效、便捷、智能化的品质。

在天津站的设计过程中充分考虑了天然采光的运用，二层候车大厅白天完全不用使用人工光照明，这不但能节约大量电能，还能为密集的候车人群提供健康和高效的建筑光环境。另外天然光的运用使建筑内部空间充满生气，美国建筑师路易斯·康曾经说过“自然光是使建筑之所以成为建筑的唯一光”。太阳光的出现除了提供关于气候的状况外，还能给予人们关于三维形体和定向、定时的重要线索。［1］

2 候车厅采光方式解析

二层候车厅是人流火车站最密集的区域，也是人流的集散地，所以这个空间要求较高的照明质量，以保障安全和有序人员流动。大跨度钢网架屋面结构使得大面积的顶部采光成为可能，高侧窗的使用增加了室内照度的均匀度，透过玻璃幕墙进入的天然光对室内照度形成了有益的补充。

2.1 顶部采光

顶部采光是所有大型公共建筑都应首先考虑的，其窗口朝向可以与建筑朝向无关。天津站也不例外，候车大厅顶部中央区域有一巨大的椭圆形采光窗，它作为白天整个建筑空间的主要采光源，给候车大厅带来充足的光线。如果不是夏季，当阳光照进候车大厅时，人们会更愿意坐在阳光下享受太阳的恩赐。在此候车的人们，通过明亮的玻璃天窗可以非常直接的观察到外部天空的变化。经测试无论是在晴天还是阴天，天窗下的照度在非阳光直射下都能保持在400lx以上，这对于候车厅来说是非常难得的。在顶部为防止过强的太阳直射光线，天窗下用了一排挡光板 (如图1)。当阳光直射到挡光板时，可以将一部分光线反射到室内，形成一种较为舒适的视觉效果。虽然在非工作区域直射的阳光是无害的，可是在夏季正午时段候车厅内还是会出现刺眼的太阳直射光，这部分光照射在光滑的大理石地面上，形成不舒适的反射眩光。

图1 候车厅天窗透视图

2.2 高侧窗采光

高侧窗一般位于侧墙的上部，能将光线引入到室内的深处，进入室内的天然光一般会随着窗户的升高而增加，很适于空间跨度比较大的建筑。天津站室内空间东西跨度约有60米，仅靠位于核心区域的顶部采光无法完全满足厅内采光的需要，高侧窗采光的应用是对天窗采光的补充。高侧窗采用了“浮式”遮光隔板结构 (如图3)，这种结构使得太阳直射光在某些时刻通过反射照进建筑室内，增加了室内的亮度，正是有了侧窗的光线补充，在东西两侧的乘车口环境亮度才得以保障 (如图2)。这种采光方式与建筑结构结合，是在设计之初就考虑到。既然光线是从多个方面进入空间的，它显然是柔和的，引起更少的阴影和剪影效果，并且能更多的照亮各表面［2］。候车厅就是这样一个空间，可是天津站的侧窗位于东西两侧，窗子上面遮阳措施不到位，当早晨和傍晚时，阳光会通过两侧的高窗直射进来，这种情况多少有些令人不愉快。

图2 候车厅高侧窗

图3 高侧窗遮光隔板结构

2.3 玻璃幕墙

玻璃幕墙在天然采光方面有很好的作用，但并不是每个方向的玻璃幕墙都能取得很好的效果，只有位于北侧玻璃幕墙才具有比较稳定、舒服的光线。天津站候车厅中位于北侧的玻璃幕墙拥有比较好的采光效果，照度的衰减比较小。在北侧的玻璃幕墙造型上，设计者还考虑了视觉和整个空间的效果，采用了方格分割玻璃幕墙，使得很大的一个玻璃幕墙不至于产生功能上的眩光。虽然整个玻璃幕墙很大，但是它仍不足以满足100多米建筑进深的采光，不能作为建筑的主采光源，在空间和采光的主次上，北侧的玻璃幕墙的采光服从于顶部采光，是顶部采光的效果的一个补充，这在空间的营造上也符合“只有从一个方面得到强烈的照明，同时还要有较大的光线强弱差异，才能取得造型的表现力。”［3］

在对空间的引导方面，北侧的玻璃幕墙也是从属地位，天津站的主入口是在南边，当人们从南入口乘电梯进入二楼候车厅时，天窗照下来的光线是空间的主角，北侧玻璃幕墙进入空间的自然光线只能作为配角出现，因为主要的乘车口都在天窗周围分布。进入这个空间人们会选择比较亮的方向走过，然后张望，这时如果北侧玻璃幕墙比较亮，那么会传达给人们错误的引导信息。这种光线的一亮一暗、一主一从很好的演绎了交通建筑的功能性。

3 现场实测

天津站在白天是全部采用的天然光照明的，没有任何人工光的参与，在现场测出的数据是候车厅内实际天然光应用的情况。

在候车厅内将大厅分为9个区域 (如图4)，每个区域在中心点进行测试，测试仪器为:Testo545照度计和柱面照度计，采用定点测量取平均值 (地面水平照度测试时间为2010年5月18日，天气晴朗;柱面照度测试时间为2010年10月13日，室外天气为多云，测试高度为160cm)，通过8:00～18:00这个时段内九个点的测试，发现在候车厅内水平照度和柱面照度是在很高的一个水平上变化的，从数据中我们即可得知，这种照度水平远远高于交通建筑的照度要求 (150lx～200lx)。为在此候车的旅客提供了一个非常明亮、安全的环境。可是通过图表分析和软件处理后的图形，我们还可以发现，整个空间的照度均匀度不是很好，影响整个候车厅空间光环境的质量。

图5是一天的地面水平照度平均值分布图，从图中我们可以看到，候车厅总体上照度还是很高的，一般都在300lx以上，但是均匀度并不理想，照度值最高处达到1200lx，最低处300lx左右，对比度高达4∶1。分析其原因有两个方面:其一，是因为南侧的实体墙几乎占据了全部面积，天然光只能主要由天窗来给予，但由于室内墙体和屋顶材料的不能很好地起到漫反射作用，造成候车厅一侧的区域不能获得良好的照度:其二，位于天窗下的区域，照度远远高于其周围的区域，造成整个空间照度均匀度较低，虽然天窗使用了挡光板，但是结果并不理想，天窗进入室内的光线没能更好的漫反射到整个室内空间，透过高侧窗进入室内的光线，由于天花板材料的反射比较低，也不能很好地反射到室内。

图4 火车站候车厅平面图

图5 候车大厅平面照度分布图(2010年5月18日，天气晴朗)

图6显示了一天中各测点柱面照度的变化情况。可以看到，候车厅在有晴天和有云的中间天空状态下，大厅内所测试点其柱面照度都能保证在200 lx以上，有的点在中午的时间短达到1000 lx，从而营造了大厅内部空间环境明亮的效果，可视性相当之高;而在全阴天状态下，天窗下的区域依然有一个比较好的可视度，柱面照度能在100 lx波动，但在大厅内有些区域 (例如所测 J和I点)其可视性就非常低，需要借助人工光来辅助照明。如果在这种天气下，把天窗进入室内的光线也借助一些手段更多的到达这个区域就更加理想了。

图6 柱面照度曲线图 (2010年10月13日，室外天气为多云，测试高度为160cm)

但是从图表中也可以看到，同一时间，每个点柱面照度有很大的差别，在中间天空状态下柱面照度最低点I与最高点E的对比度D＞10，这个数值体现室内大厅的柱面照度均匀度也是不够理想，光线不够均匀，影响大厅内部的可视性。在室外天气不理想的状态下，给乘客带来很大的不便。

4 改造措施和建议

4.1 天窗

在夏季，直射进入大厅的阳光会带来一些眩光和紫外线，也会增加制冷能耗，从而影响了室内环境的舒适性和功能性。在这个建筑中，光的直射造成的不舒适感觉可以减小甚至避免，经研究分析天窗的遮光板没有很好的发挥遮阳作用，竖直吊放的遮光板首先表面漫反射不够，不能很好的反射直射的太阳光，造成候车厅内光线不够均匀;在遮阳板的摆放中，距离和角度不够合理。如果采用动态采光策略，天窗的采光效果会更好 (如图7)，经过遮阳板的反射和漫反射，整个室内将会呈现出更为柔和的光照效果。这种自然采光方式使人不能完全看到天空，但室内采光质量经过二次漫反射会有一个比较理想的照度均匀度，在夏季也不至于室内会出现局部温度过高，需要借助于人工制冷设备来降低温度，虽然“就提供相同的照度而言，天然光带来的热量仍少于大多数人工光源的发热量”［4］这样的结果，但是能将两者完美的结合是我们在绿色建筑中更高的追求，所出现的结果也将使天津站采光效果更加的舒服宜人。

图7 动态采光系统 (RETROFlexTherm)

4.2 高侧窗

在早晨或者下午，阳光会通过高侧窗直射到室内，特别是夏天的西晒，面对这种情况就又必须考虑遮阳，这里可以采用以下方法来考虑:

图8 动态遮阳板细部

1.采用遮光装置来遮挡，在侧窗上部安装一个或一组反射装置，使窗口附近的直射阳光经过一次或多次的反射进入室内，既遮挡了不需要的直射光线，又提高房间内部照度均匀度。在东西向两侧的遮光中可使用可控制百叶窗，它更为方便且无须对建筑结构做任何变动，是所有遮阳措施中应该首先考虑的。

图9 安装遮光设置前后室内照度对比

2.采用导光棱镜窗。导光棱镜窗的一面是平的，一面带有平行的棱镜，它可以有效减少窗户附近有直射光而引起的眩光，并且大大提高了室内照度的均匀度。虽然人们通过导光棱镜窗向外看时，窗外的一切都是模糊和变形的，可是对于天津站这种高侧窗且室外没有什么风景可以欣赏的前提下是非常合适的。

图10 导光棱镜窗采光示意图

5 结束语

天然光不仅使建筑内部空间环境更加舒适，更加适于人的生活和工作，同时能够节约能源消耗，为人们带来的经济效益和环境效益。天津站仅是众多交通建筑中采用自然光照明的一例，在采光方式和空间营造上有很多值得借鉴的地方，但是在一些技术和细节上仍显不足。随着技术的不断提高，新技术与中国传统采光方式相结合，不但能提高室内的均匀照度，更能创造节能和健康的环境。

［1］杨公侠．视觉与视觉环境 上海:同济大学出版社，2000．

［2］M·得瓦罗夫斯基．阳光与建筑．北京:中国建筑工业出版社，1983．

［3］玛丽古左夫斯基著．可持续建筑的自然光运用 (M)．北京:中国建筑工业出版社，2000．

［4］王爱英，时刚．天然采光技术新进展．建筑学报，2003(03):64～66．

［5］建筑照明设计标准．GB 50034—2004．

图片来源:

图3根据M·戴维·埃甘 (美)等．建筑照明 绘制．中国建筑工业出版社．2006:P119;

图7引自赫尔穆特·考斯特 (德)．王宏伟译．动态自然采光建筑原理与应用．2007 05:P70

图9引自 http://faculty．scu．ac．jp/msaito/LSCOR04slides．pdf

图10引自赫尔穆特·考斯特 (德)．王宏伟译．动态自然采光建筑原理与应用．2007 05:P223

其余照片和图表均为作者拍摄和绘制