天津某地下交通枢纽自然采光数值模拟与优化研究

李 伟，白 云，那艳玲

(1. 天津城建大学，天津 300384；2. 铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

城市交通

天津某地下交通枢纽自然采光数值模拟与优化研究

李 伟1，白 云1，那艳玲2

(1. 天津城建大学，天津 300384；2. 铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

采用数值模拟的方法对天津某交通枢纽地下空间的自然采光情况进行了分析与优化研究．通过模拟结果可知，其候车大厅自然采光效果较好，春秋分、夏至、冬至照度平均值分别为3 620.64，4 497.60，2 178.97 lx；站台层春秋分、夏至、冬至照度平均值分别为 34.97，43.79，21.10 lx；进站厅下方扶梯秋分日照度平均值为99.29 lx．经采光设计优化后，站台层照度平均值提高了约40%，分别达到51.7，64.86，31.28 lx；进站厅下方扶梯照度平均值提高了110.9%，达到209.42 lx．

地下空间；交通枢纽；自然采光；数值模拟

在地下空间的使用过程中，光环境问题变得越来越重要，自然采光设计的优劣不仅影响着人们的身心健康，还对建筑节能具有十分重要的意义．通过实际调查发现，大部分地下轨道交通站点没有充分利用其采光条件，全部采用人工照明，浪费了能源并且降低了舒适度[1-7]．

本文利用建筑性能集成化分析软件中的Radiance IES模块，对天津某交通枢纽地下空间的自然采光情况进行了数值模拟分析与优化研究，为地下空间的自然采光设计及节能评价研究提供一定的参考与借鉴．

1 研究对象

本文的研究对象为京津城际延长线至天津滨海新区的一座大型地下交通枢纽．该枢纽设计为地下三层．地下最大埋深约33 m，工程总建筑面积约26万m2．地面设计了一个“贝壳”形状的穹顶结构，地面层的主要功能为进站大厅，通过进站大厅进入地下一层的候车区．穹顶下地面层开椭圆形大洞，开洞下方地下一层为城际火车站的候车厅、售票厅、进出站厅及办公管理、设备用房等．此外，地下一层作为各地铁车站的站厅层和公共换乘大厅，是枢纽客流出行、换乘使用的主要空间．地下二层为城际火车站和两条线路的地铁站台层，城际火车站场规模为三台六线，地下三层为一条地铁线路的站台层[8]．

本文研究内容包括：①地下一层候车大厅的自然采光模拟分析；②地下二层站台层的自然采光模拟优化；③进出站厅部位的自然采光模拟优化．

2 数值模拟模型的建立和相关参数的设定

根据调研收集到的数据和资料，以研究内容及相关标准为依据建立模型，和图1所示．建立的建筑模型尺寸长220 m，宽60.5 m．地面层高度为0 m，地下一层高度为负11 m，地下二层高度为负19.8 m．

图1 数值模拟模型

(1)候车大厅．候车厅顶部顶板开洞(见图2)，洞口面积3 600 m2．在保证透过面积和综合透光率相同的情况下，对建立的模型包含在“贝壳”穹顶结构下的部分进行简化设计以方便数值模拟计算．

(2)站台层．候车厅中板开洞，在不破坏结构体系的前提下，结合建筑平面的布置，保证地下二层综合管线的可行性设置数量合理的采光口．总计共设置15个菱形采光口(见图3)，每个采光口面积为6.65 m2，总开口面积约 100 m2，占站台公共面积的0.68% ．考虑到站厅内人及玻璃对光线的遮挡，设定采光口玻璃的透射率为0.50．

图2 候车厅顶板开洞

图3 候车厅中板开洞

(3)进出站厅．进站厅顶板、中板开洞，三个站台每个站台顶板开洞采光口长1.4 m，宽5.5 m，总计共7个，每个间距3.8 m，采光口面积53.9 m2；中板开洞采光口长22 m，宽17.3 m，采光口面积380.6 m2．北出站厅顶板开洞，三个站台每个站台顶板开洞采光口长20.7 m，宽5.7 m，采光口面积118 m2(见图4、图5)．采光口玻璃透射率均设定为0.70．

该地下交通枢纽位于天津(北纬 39°06'，东经117°10')，属Ⅲ类光气候区．天津气候属于暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明．在冬至日，正午太阳高度角为 27°54'；在夏至日，正午太阳高度角为73°51'，正午太阳高度角全年都在此范围内变化．

图4 北出站厅、进站厅顶板开洞

图5 进站厅中板开洞

由于春分和秋分的天空和太阳入射条件基本相同，为简化工作量，本文不再模拟春分的采光情况，用秋分的模拟结果代表春、秋分的采光情况．模拟日期分别为6月21日(夏至)、9月23日(秋分)、12月22日(冬至)，以CIE标准全阴天为研究场景．

3 模拟结果与分析

3.1 候车大厅采光模拟

通过采光模拟，得到春秋分、夏至和冬至候车大厅的照度和采光系数数据(见表1)及照度分布云图(见图6-8)．

表1 候车大厅的照度平均值和采光系数平均值

图6 秋分照度数值模拟

图7 夏至照度数值模拟

图8 冬至照度数值模拟

结果表明：候车大厅春秋分照度平均值为3 620.64 lx；夏至照度平均值为 4 497.60 lx；冬至照度平均值为2 178.97 lx，满足自然采光的基本要求．同时，候车大厅周边的房间及售票厅也可以获得间接的自然采光．

3.2 站台层采光模拟与优化

原采光设计方案中，站台层的采光口设计为菱形，每个采光口面积为6.65 m2，总计共15个，总开口面积约100 m2．

站台层内表面反射比分别为：内表面墙面0.70、地面 0.20、顶棚 0.90．设定采光口玻璃的透射率为0.50，通过采光模拟，得到站台层的照度数据(见表2)及分布图(见图9-11)．

表2 开菱形窗洞口情况下站台层的照度平均值 lx

图9 春秋分照度分布

图10 夏至照度分布

图11 冬至照度分布

根据城市轨道交通各类场所正常照明的标准值规定，车站站厅(地下)照度应达到200 lx[9]，因此，采用菱形采光口的站台层并不能满足照明要求，仍需增加人工照明．

根据采光理论可知，就采光量来说，在窗洞口面积相等的情况下，正方形窗口采光量最高，同时，采光口的数量形式位置对采光效率也有较大影响[10]．根据上述理论，笔者对采光设计方案进行了优化，设计了a、b两种优化方案，如图12所示．

图12 正方形采光口分布

方案a：采光口个数与面积不变，形状改变；在相同位置设置15个正方形窗洞口如图12a所示，每个采光口面积为6.65 m2，总开口面积约100 m2；在相同条件下再次进行模拟，得到以下数据( 见表3)．

表3 开15个正方形窗洞口站台层的照度平均值 lx

通过以上采光模拟的数据可知：在采光口面积和个数相同的情况下，正方形采光口的采光效果优于菱形，春秋分照度平均值由34.97 lx提高到36.46 lx；夏至照度平均值由43.79 lx提高到45.73 lx；冬至照度平均值由21.10 lx提高到22.15 lx，照度平均值提高了4% ～5% ．

方案 b：采光口总面积不变，个数改变；在原采光口位置区域重新排布正方形采光口，每个采光口面积为4 m2，总计共25个，如图12b所示，总面积100 m2；在相同条件下模拟得到以下数据，如表4所示．

表4 开25个正方形窗洞口站台层的照度平均值 lx

通过以上数据可知：采光口总面积保持不变的条件下，减小单个采光口面积，增加采光口的个数，春秋分照度平均值由36.46 lx提高到51.70 lx；夏至照度平均值由45.73 lx提高到64.86 lx；冬至照度平均值由22.15 lx提高到31.28 lx，照度平均值提高了约40%，采光效率大大提高，可以有效减少人工照明，节约能源．

3.3 进出站厅采光模拟与优化

模拟参数设置：秋分日，CIE标准全云天．内表面墙面反射比0.70、地面0.20、顶棚0.90．设定采光口玻璃的透射率为0.70．模拟后得到以下数据：北出站厅顶板开洞下方地下一层地面的照度平均值为665.52 lx，进站厅顶板开洞下方地下一层地面的照度平均值为364.96 lx，进站厅中板开洞下方扶梯的照度平均值为99.29 lx．车站进站厅和北出站厅所设计的顶板开洞，引入了自然光，光线可以直接照射到站台层，进站厅中板开洞，把部分自然光线引到了地下二层，采光效果如图13所示．

图13 进出站厅自然采光效果

通过模拟结果可知，进站厅顶板开洞的方式采光效率较低．根据城市轨道交通各类场所正常照明的标准值规定，车站楼梯、自动扶梯的照度要达到150 lx，原方案不能满足标准．因此，尝试改变采光洞口的开口方式，以一个站台为例，在相同的条件下再次进行模拟，保持采光口总面积不变，改变采光口位置和大小，模拟结果表明，照度平均值并未有较大改变，因此应适当增加采光口面积．取消 7个采光口之间间距，改为连续的一个采光口，进站厅顶板开洞下方地下一层地面的照度平均值为892.97 lx，中板开洞下方扶梯的照度平均值达到369.17 lx，大大超过了正常照明标准值，造成了不必要的浪费．进一步优化得到最后方案如下：将7个采光口长度由1.4 m增至2.1 m，宽度保持不变，即采光口面积扩大1.5倍．照度数据及分布如表5、图14所示．

表5 进站厅开洞下方地面及扶梯的照度平均值 lx

图14 进站厅顶板开洞下方地面照度数值模拟

通过数值模拟的结果可知：经过采光口设计优化，进站厅顶板开洞下方地下一层地面的照度平均值由364.96 lx提高至590.71 lx，是原方案照度平均值的 1.62倍；中板开洞下方扶梯的照度平均值由99.29 lx提高至209.42 lx，是原方案照度平均值的2.11倍，采光效果良好，可以达到相关标准的要求．

4 结 论

本文研究的天津某交通枢纽地下空间候车大厅春秋分、夏至、冬至照度平均值分别为 3 620.64，4 497.60，2 178.97 lx，满足自然采光的基本要求，其周边的房间及售票厅也可以获得间接的自然采光．站台层春秋分、夏至、冬至照度平均值分别为 34.97，43.79，21.10 lx．经采光设计优化后，其照度平均值提高了约40%，分别达到51.7，64.86，31.28 lx，采光效率大幅提高．进站厅下方扶梯照度平均值为99.29 lx，经过采光口优化设计，照度平均值达到209.42 lx，能够满足相关标准的要求．

由本文的研究可知，通过合理的采光设计和技术手段，地下建筑空间具有实现自然采光的可行性，具有较大的节能潜力．同时，利用数值模拟手段对地下空间采光进行研究，有助于提高采光方案设计工作的效率和精准程度，从而得到最优化的设计方案．

另外，由于结构体系和功能的限制，地下空间有些区域无法实现自然采光，需要借助导光管系统等更先进的技术手段，在今后的研究中将进行进一步探索．

［1］ DANNY H，JOSEPH C L. An investigation of daylighting performance and energy saving in a daylit corridor[J]. Energy and Buildings，2003(35)：365-373.

［2］ JUN Ji，NI Shi．Planning and design of underground space use[J]. Memories of the School of Engineering，1997(1)：48-93.

［3］ KIM J T，KIM G . Overview and new developments in optical daylighting systems for building a healthy indoor environment[J]. Building and Environment，2010(45)：256-269.

［4］ G·Z·布朗，马克·德凯．太阳辐射·风·自然光[M].常志刚，译. 北京：中国建筑工业出版社，2008.

［5］ 常怀生. 建筑环境心理学[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1990.

［6］ 考斯特．动态自然采光建筑原理与应用：基本原理·设计系统·项目案例[M]. 王宏伟，译. 北京：中国电力出版社，2007.

［7］ 杜 芳，李 勇，吴 枫. 地下建筑的节能采光设计[J]. 建筑节能，2011(1)：68-70.

［8］ 邢家勇. 于家堡站地下枢纽自然采光设计[J]. 山西建筑，2012，38(4)：18-19.

［9］ GB/T 16275—2008，城市轨道交通照明[S].

［10］ 柳孝图. 建筑物理[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

Study of Numerical Simulation and Optimization on Daylight of an Underground Transportation Hub in Tianjin

LI Wei1，BAI Yun1，NA Yan-ling2
(1. Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；2. The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China)

In this paper the daylight of an underground transportation hub in Tianjin is studied by using the method of numerical simulation. It can be seen from the numerical simulation results that the average illumination in the waiting halls is 3 620.64 4 497.60 and 2 178.97 lx in the equinox summer solstice and winter solstice respectively while that of the platform layer is 34.97 43.79 and 21.10 lx. By optimizing the original daylight design of the platform the average illumination has increased 40% and reached 51.7 64.86 and 31.28 lx. The average illumination of the escalator below pitted hall is 99.29 lx. By optimizing the design the average illumination has reached 209.42 lx.

underground space；transportation hub；daylighting；numerical simulation

TU113.54

A

2095-719X(2015)06-0439-05

2015-01-12；

2015-03-03

李 伟（1975—），男，辽宁宽甸人，天津城建大学副教授．