城市轨道交通综合体建筑的井式空间被—动式设计策略研究以北京市为例

李珺杰 / LI Junjie

随着轨道交通的快速发展，轨道交通及上盖综合体建筑的能耗与舒适度问题开始凸显（王子甲 等，2013）。而建筑的环境品质和节能效果取决于规划设计阶段的策略研究（Tejavathu et al.，2010），设定设计目标、挖掘作用机理是找寻解决途径的核心（宋晔皓 等，2013）。在交通类建筑中，“井式空间”形态十分常见，犹如“连通器”，是传递人、物质和能量的载体，它介于建筑外部环境与室内环境之间，是两者的联系体。井式空间能够利用自然能源（如风能、太阳能、雨水）和自然环境，具有调节室内微气候的功能、提高室内环境品质的被动式调节作用的潜力（李珺杰，2015）。

1 城市轨道交通综合体建筑中的物理环境调研

调研选取北京市5个典型的轨道交通综合体建筑，位于西直门站、海淀黄庄站、国贸站、大望路站和王府井站，5个站点包含1号线、2号线、4号线、10号线、13号线和14号线共6条主干地铁线路。调研对象均为城市轨道交通的枢纽，其中西直门站汇聚2号线、4号线和13号线，包含3座底商连通的商业办公建筑，并与北京北客运站相连。海淀黄庄站、国贸站、大望路站均汇聚两条以上地铁线路，并与城市综合体直接连接。王府井站位于市中心，连接着亚洲最大的综合性商业建筑群，人流量大，地理位置优越。

测试时间选择北京地区夏季最高气温时段，目的在于检测夏季最不利气候条件下，井式空间在城市轨道交通综合体中物理环境方面的性能表现。

1.1 站台层的综合物理环境表现

对选取的5个站点进行编号：西直门站（W1）、海淀黄庄站（W2）、国贸站（W3）、大望路站（W4）和王府井站（W5）。各站点站台层的物理环境表现如图1所示，站台层的风速受地铁运动的影响较为显著，光照均满足国家照明标准。舒适度问题集中体现在热环境和空气品质两个方面：环境温度普遍过高，其中最高温度出现在W4，达到34.5℃，高出同期室外温度3.5℃；空气品质方面，问题最为显著的是细颗粒物（PM2.5）和可吸入颗粒物（PM10）浓度偏高，几乎所有测点的PM2.5浓度均高于人体的健康范围，PM10浓度过高在W4站点表现得尤为显著，最高达到225.7μg/m3（表1）。可见，站台层环境温度、PM2.5/PM10浓度是导致舒适度不达标的核心问题。

图1 站台层物理环境性能表现测试数据箱形示意（红色区域为超出舒适度范围①的数值）

表1 站台层各项物理指标平均值

图2 各测点全天逐时PM2.5/PM10浓度数据比较曲线

1.2 井道中部测点位置的空气品质调查

研究选取连接轨道交通综合体地上地下空间的中段作为分析对象，讨论测点tp1、tp2、tp3、tp4的PM2.5和PM10浓度随时间变化的规律。根据各测点全天逐时PM2.5/PM10浓度数据比较曲线可以发现，各个测点的PM2.5与PM10数据随时间变化的规律几乎一致：测点tp1、tp2、tp3的PM2.5/PM10浓度都在上午11:00与下午18:00出现了突增，几乎是其他时段的2倍；tp4位于靠近14号线的井式空间内，受到地铁活塞风的影响，全天PM2.5/PM10浓度值变化幅度较大，呈现出的变化规律与地铁运行时段密切相关（图2）。

2 井式空间在城市轨道交通综合体建筑中的环境分析

由于轨道交通人流吞吐量大，空间以通过性为主，其与综合体连接处的地上地下空间的环境品质往往较低，直接影响使用者的舒适度和身体健康水平（George et al.，2016）。另外，轨道交通建筑的节能设计也关系着城市可持续发展的进程（马占奎，2016）。城市轨道交通综合体受空间使用特征的影响，其地上和地下空间采用井式空间的形态十分常见（图3～5），包括连接地面与地下、站房与站台的交通井、站台处车辆换乘的人行隧道井空间等（胡映东 等，2014）。

根据长期的客观物理环境和主观舒适度调查，井式空间在城市轨道交通综合体中的被动式利用潜力主要包括舒适度提升和气候利用两个层面：一是针对井式空间舒适度偏低的问题提出基于空间策略的改善（李珺杰 等，2018）；二是借助井式空间的连通器作用，利用气候条件和空间策略被动地降低运行期间的能耗。

2.1 空间视角下的舒适度提升

调研发现，北京市城市轨道交通综合体在地上地下的井口衔接空间，出现各个季节均存在的瞬时风速过大的问题，严重影响使用者的舒适度和长期停留的安检人员的身体健康。测试中发现，多数井口的交界处最大风速可达到5m/s，此外，由于室内外温度的差异，活塞式的风向和双向较大温差的风温带来极大的不舒适感。另外，轨道交通综合体建筑地上地下空间往往会形成较长且封闭的井式空间，空间中的人流量大，并且缺少与室外自然环境的联系，人流高峰期的空气品质往往较差，但因为是通过性空间，人们停留时间短，该问题并没有引起人们的重视。

因此，结合综合体建筑的体形和功能，在井口处加强缓冲、遮挡或者转换，在地下井式空间中穿插如拔风井、采光井、中庭、下沉院落等空间，都具有被动地提升空间舒适度的潜力。

2.2 空间视角下的气候利用

井式空间作为外部环境和内部环境的“连通器”，具有传递自然资源的优势。利用井式空间，可将自然资源传递给轨道交通区域的地上地下空间，一是可提高空间品质，二是可减少运行期间可能带低能耗是利用井式空间的功能和形态优势，在建筑中起到如被动式降温、新风补给、自然光、风能利用等方面的节能效果（图6）。来的能耗。在城市轨道交通综合体中，利用空气动力学的热压通风、活塞通风、混合通风原理，借助入口或通风井将热空气导出室外，以达到降低空调等设备能耗、排热、排湿的作用。在此基础上研究并探索新的空间复合模式，例如形成地道风-太阳能烟囱的井式复合空间系统，隧道风-置换通风的新风供给井式复合空间系统（Sun et al.，2017），主动、被动结合的地道风-地源热泵井式复合空间系统、采光-热压通风拔风井式复合空间系统，等等，以上典型空间模式均可提高井式空间的被动式利用效率。井式空间的形态具有引入自然光线的优势，可提升光环境舒适度、降低照明能耗。地热能结合井式空间的利用，可提高井道内的热环境品质，将舒适的温度传递给井道周边综合体的其他功能区，具有提高使用舒适度并降低运行成本的潜力。

图3 巴黎莱阿拉商业区地铁上盖建筑

图4 日本汐留站

图5 香港将军澳住宅区地铁站

图6 以高性能低能耗为目标导向的被动式设计策略

3 可持续视角下的井式复合空间设计目标与空间构想

3.1 以高性能低能耗为目标导向的井式复合空间设计

对于井式空间中存在的舒适度低、使用者满意度低的问题，国内外新建的轨道交通综合体设计中，正在不断地尝试优化室内环境并进一步与环境协调共生的设计策略。基于此，本研究提出以井式空间为媒介的城市轨道交通综合体整合设计的思路，形成以高性能低能耗为目标导向的井式空间被动式设计策略。高性能表现在舒适度和人体健康两个方面，关注室内的热环境、光环境、空气品质和使用者感受。

3.2 3种典型的井式复合空间设计构想

城市轨道交通综合体整合设计的思路，包含两方面：其一，整合原有相对独立的设计分工，在轨道交通综合体设计的流程中，综合考虑建筑单体和地下站房、站厅空间的组织关系；其二，整合空间和系统，以高性能低能耗为目标导向，优化复合空间的综合性能。因此，研究提出了3种复合空间的设计构想。

3.2.1 地道风-太阳能烟囱（建筑中庭）-空气过滤的井式复合空间系统

城市轨道交通综合体的建筑空间相对更为综合、复杂，由于其面积大、需要协调的功能空间多、使用人群数量多，因此，通常会引入例如中庭空间来组织功能关系。竖向通高的中庭空间可被视为一个太阳能烟囱，与横向的地道风井结合，有利于提高室内空间的热环境品质并降低建筑能耗。在热环境方面，地道风风温较低，将其与空调机组结合，可减少轨道交通综合体建筑夏季制冷的能耗；将其与建筑中的太阳能烟囱结合，利用空气动力学中冷空气下沉、热空气上升的原理，可实现空气在建筑中的被动式循环，排出温度较高的空气，从地道中抽吸低温空气（图7）。此外，适度的热压通风作用，有利于建筑内的空气流动和循环，在夏季能够降低人体的体表温度，从而提高热舒适度。但是，考虑到地道风的空气品质较低，该井式复合空间系统还加入了空气过滤净化系统，一是提高井道空间内部的空气品质，二是提高整套空气循环系统在轨道交通综合体建筑中的空气品质。

3.2.2 采光-热压通风拔风井式复合空间系统

建筑中井式空间的类型，可分为垂直井、水平井和混合井（陈纲伦，1999）。垂直井的优势是在建筑的纵向上贯通空间，有利于能量自上至下或者自下至上地流动。在地下空间中，自然采光属于稀缺资源，因此，建筑的照明能耗大大高于一般的地上建筑，而在大多数城市轨道交通综合体建筑中，中庭空间或通高是最常见的组织功能的空间。以整合设计为思路，通过中庭空间连通城市轨道交通综合体和地铁站厅站房空间，形成的采光井可提供自然光。地道风的低温空气与中庭顶部的高温空气形成较大的温差，中庭的垂直井可带动地道井中的低温空气进入建筑中，从而实现热压通风。此外，该复合空间系统还可以与地道风-太阳能烟囱（建筑中庭）-空气过滤的井式复合空间系统整合，将自然光、空气过滤系统、通风降温等功能整合到一个具有复合作用的空间，进一步提高空间的被动式调节效果（图8）。

图7 地道风-太阳能烟囱-空气过滤的井式复合空间系统示意

图8 采光-热压通风拔风井式复合空间系统示意

3.2.3 活塞风发电-辅助照明系统

研究表明，在地铁隧道里安装大量风机，叶片会产生空气阻力，从而对列车运行产生阻力，可能产生更多的能耗（张志龙 等，2015；孙振刚 等，2016）。但是，在地铁站台层少量布置微型风力发电机，产生的可再生能源用于站台层、站厅层或者轨道交通与城市综合体的接驳空间的照明，是地铁隧道风能利用的一种方式。根据本次实测，站台层1.5m高处的平均风速为1.5m/s，靠近地铁车辆上端平均风速可达到7.5m/s。有研究表明，地铁隧道中采用轻型较大扭转叶片效果最佳，微型风力发电机组中，垂直式轴力发电机设备的启动风速为1m/s，额定风速为11m/s，安全风速为45～60m/s，额定功率为200W、300W和400W多种。从经济效益的角度测算，按照地铁每天6:00～22:00运行，全天共运行16h。若选用400W的风机，在每个站台层的角部安装两台，共计8台，则每天可以发电51.2kWh，可满足人工照明需求。根据北京市一般工商业用电取费标准，取平均值1元/kWh，则每台风机的投资回收年限为2～3年（表2）。

表2 活塞风发电-辅助照明系统经济效益测算

4 结语

本文通过对城市轨道交通综合体中多种形态的井式空间的调研，解析其中存在的问题，并挖掘井式空间可能发挥的被动式调节作用的潜力，研究其在改善室内环境舒适度和节约能源消耗方面的作用，并得出了以下结论：研究基于实际的现场调查，积累了真实的夏季井式空间内部多个位置的物理环境性能表现数据；在两者之间进行了关联性的分析，探讨了井式空间不同位置存在的舒适度、健康度问题，以及被动式利用的潜力；提出了具有被动式调节作用潜力的3种典型的井式复合空间设计构想。

注释

① 依据国家现行的标准和规范，研究将舒适度的标准范围界定为：温度16～28℃，湿度30%～60%，照度150lux，冬季室内风速v＜0.15m/s，夏季室内风速v＜0.25m/s，PM2.5浓度为75μg/m3（按照我国二级标准24h平均浓度限值），PM10浓度为150μg/m3（按照我国二级标准24h平均浓度限值），HCHO浓度为0.08mg/m3，CO2浓度为1000ppm。