太子城站钛锌板屋面反光特性研究

蒋洁菲，孙逸夫，李恒兴，张 骞，蔡建国

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055；2.东南大学国家预应力工程技术研究中心，江苏 南京 210096)

引言

钛锌板是一种高级金属合金板，目前钛锌板以其优越的性能和良好的性价比得到广泛的应用。新加坡Woodland海关、挪威奥斯陆高德莫恩机场、罗马艺术中心小歌剧院、杜塞尔多国际机场酒店以及郑州国际会展中心等建筑物的屋面都采用钛锌板系统。虽然钛锌板在欧洲已得到广泛的应用，但在我国仍处于发展阶段，钛锌金属屋面板作为一种新型的金属屋面方案尚未得到充分肯定。钛锌面板为金属面板，具有良好的反光性能，太阳光经过钛锌面板的反射形成反射光，周边行人车辆受到强烈反射光的影响会干扰正常活动，严重的甚至会造成交通事故。随着人们对生活水平要求的提高，建筑光污染问题越来越受到重视。

目前国内外的相关研究主要集中在玻璃幕墙对周围环境的影响上。Wong[1]利用MATLAB软件对香港国际商业中心(ICC)进行建模分析，研究了高层建筑的太阳反射光对周围环境的影响。阎冰等[2]利用彩色CCD相机进行光亮度采集进行眩光分析。也有通过软件模拟进行光污染分析[3-5]。还有通过理论分析研究光污染评价体系[6-9]，但分析对象都是针对规则的平面结构，对曲面结构的研究较为缺乏。本文在前人的研究基础上，以反射光影响范围为主要研究对象，对双曲屋面结构进行建模分析，并基于不同光照条件，对模拟结果进行进一步的分析说明。

1 反射光影响因素

1.1 反射材料

对反射材料而言，其主要反光特性包括以下三个方面：①吸收率。吸收率介于0与1之间，表示材料吸收的入射能量占总入射能量的百分比，以80%为例，表示能吸入80%的入射能量。②反射比。反射比表示材料反射的入射能量占总入射能量的百分比。以20%为例，表示能反射20%的入射能量。③发射率。发射率是具有较高能量的物体向具有较低能量的物体传递能量的能力。

其中反射比是衡量屋面材料反射能力的重要指标，反射比越大，表示材料在相同光照条件下会形成更强烈的反射光，反射光照度计算如下[10]：

(1)

式中：ER——反射光照度；ED——直射光照度；ES散射光照度；R——材料反射比。

基于上式，为降低因反射光形成的光污染，宜选用反射比较低的材料。表1为不同材料的反光特性。

表1 不同材料的反光特性

从表1中可以看出，对钛锌板进行预钝化处理可以大大降低其反射比，且随着时间的推移，预钝化的钛锌板反射比还会继续降低，减小其由于反射光带来的光污染。

根据国家技术监督局颁布的《玻璃幕墙光热性能》[11]，对玻璃幕墙进行了以下规定：为限制玻璃幕墙的有害光反射，玻璃幕墙应采用反射比不大于0.30的幕墙玻璃。而对于金属屋面板，我国目前暂无相关规范。预钝化处理的钛锌板，其反射比为0.313，并且随着使用时间的增长，反射比不断降低，基本符合《玻璃幕墙光热性能》的要求。

1.2 建筑环境

影响建筑环境的主要因素为太阳光的入射角度以及入射光照强度，将其总结为纬度因素以及时间因素两方面。

1.2.1 时间因素

在同一天内，太阳高度角与太阳辐射强度呈正态分布。太阳高度角从日出到日落呈先增大后减小，在正午12点达到最大值。太阳辐射强度取决于太阳高度角，随太阳高度角的增大而增大。

在同一年内，不同时间太阳高度角所能达到的最大值与日期有关。以北京市为例，冬至日正午太阳高度角为26°34′，夏至日太阳高度角为73°26′，春分以及秋分太阳高度角为50°。太阳高度角的计算公式为：

sinh=sinδsinφ+cosδcosφcost

(2)

其中：h——太阳高度角；δ——太阳直射点纬度；φ——当地纬度；t——太阳时角。

1.2.2 纬度因素

由太阳高度角公式可知，除了与时间有关外，当地纬度也是影响太阳高度角的重要因素。以北京市为例，北京市处于北纬40°，在北回归线以外，因此太阳全年不会直射北京。太阳直射点的纬度与当地纬度相差越大，太阳高度角越小。夏至日太阳直射点为北回归线，此时北京市太阳高度角达到最大值；冬至日时太阳直射点为南回归线，此时北京市太阳高度角为最小值。

1.3 建筑形态

目前国内建筑形式越来越多样化，不同的建筑形态对光线的反射效果产生不同的影响，以下将建筑形态分为平面形态以及立面形态进行分析。

1.3.1 平面形态

建筑的平面形态表示为太阳光照射至建筑物时平面形状，入射光会因为不同的平面形态产生不同的反射光线。如图1所示，太阳光照射至平直的面板上，反射光将相互平行射出；太阳光照射至凹形圆平面上会将光线聚集；太阳光照射至凸形圆平面上会将光线分散。

图1 不同平面形态下的反射光线Fig.1 Reflection light in different plane forms

1.3.2 立面形态

建筑的立面形态主要考虑面板与地面之间的夹角。由于目前建筑的多样化，许多建筑的面板不与地面垂直，其反射光线也会受到影响。如图2所示为同一入射光线下不同倾斜角度的面板堆反射光线的影响。

图2 不同立面形态下的反射光线Fig.2 Reflected light in different elevation forms

2 案例概况

新建太子城站位于京张高铁崇礼支线，位于张家口市崇礼县太子城村，是2022年北京冬奥会的主赛场，距离张家口市50 km，距离崇礼县城15 km，距离太子城村2 km。太子城站远期高峰小时发送量为800人，奥运期间高峰小时发送量为6 000人，太子城站站房建筑面积按12 000 m2控制。周边有国宾山庄、国际会议中心、冬奥会赛区场地、奥运村等公共建筑。车站钛锌板屋面采用双曲弧线造型，曲线形式与周围山势相呼应，双曲屋面直接落地。

太子城的效果图如图3所示。

图3 太子城站效果图Fig.3 Rendering of Taizicheng Railway Station

3 模拟分析

在建筑设计中，建筑的平面形态与立面形态对反射结果影响较大。本文采用太子城站作为研究对象，采用Autodesk Ecotect Analysis作为分析软件对太子城站进行反射光影响模拟分析。

太子城站屋面采用双曲屋面形式，站房面宽222 m，进深27 m，站房高度16.8 m,太子城站周边较为空旷，除绿化外无其余建筑物，基于此在Rhino中进行建模并导入Ecotect中(图4)。

图4 分析模型图Fig.4 Analysis model

在分析前，首先对面板材料进行定义，由于所有钛锌板均为反射面，将面板定义为“窗”，并在其下新建一个名为“Titanium-zinc”的材料，将所测预钝化钛锌板的吸收率(0.687)、反射比(0.313)和发射率(0.23)进行数值赋予。在模型中，将所有面板指定为阳光反射体，而因为太子城站周围较为空旷，周围无其他建筑模型，无需指定受影面。其后导入张家口的地理及气候数据进行模拟分析。

3.1 影响范围分析

鉴于太子城站的特殊地理位置以及作为冬奥会重要交通枢纽，需对冬奥会使用期间反射光影响范围进行分析。为了确保模拟结果的准确性，根据张家口当地的气候条件对反射光在全天内影响范围进行数据整理，以15 min为时间节点截取数据，得到春秋分、夏至日、冬至日和冬奥会期间(2月4日)四个时间点的全天影响范围效果图(图5)，图中根据反射光累积形成的区域反映反射光的影响时间，颜色越深代表影响时间越久。

图5 影响范围效果图Fig.5 Schematic diagram of influence scope

从图5中可以看出，采用双曲屋面结构，反射光呈现出多层级影响范围，而非平面结构的连续性影响范围，说明采用双曲屋面形式可以有效分散反射光。

从春秋分到夏至日，反射光在近车站位置的影响时间逐渐增加，这是由于夏至日有更高的太阳高度角，在反射面形式不变的情况下，反射光不断向车站靠拢。从春秋分到冬至日，反射光影响范围缩小且影响时间明显缩短，一方面由于冬至日照时间的缩短，另一方面随着太阳高度角的减小，地面上的反射光距车站更远。夏至日太阳辐射强烈，反射光影响范围较广且时间较长，需要对反射光产生的光污染进行着重控制。冬至日太阳辐射较弱，反射光影响范围较小，对周围环境影响较小。冬奥会举办持续时间为2月4日至2月20日，该时间段位于春分以及冬至日之间，此时的反射光主要集中在车站正前方，对较远周边影响较小，期间举办的奥运活动应尽量远离车站附近以避免反射光的影响。

3.2 几何参数影响分析

本文所研究的太子城站采用双曲弧线造型设计，站房的每一个切面均可有理化定位，通过参数方程可以得到曲面上所有点位的位置坐标。如图6所示为屋面弧线示意图，控制双曲线模型的主要参数包括圆弧N1对应的半径R1、圆弧N2对应的半径R2和圆弧N3对应的半径R3。采用Rhino软件进行建模，并利用软件中的Grasshopper插件用参数和程序为主导进行参数化建模。

图6 屋面弧线示意图Fig.6 The arches of the roof

采用Grasshopper控制参数建立不同参数下的模型，各个模型采用的参数见表2。R1控制横向宽度，横向宽度随R1的增大而减小；R2控制净高，净高随R2的增大而减小；R3控制净空，净空随R3的增大而减小。横线宽度通常通过使用面积进行确定，增大横向宽度会使建筑面积增加从而增大成本。净高由使用需求以及施工技术确定，增大净高会增大设计难度以及成本。净空则决定了建筑内人员的舒适感。将建立好的模型导入至ECOTECT中进行反光分析，选取冬奥会期间(2月4日)作为测量时间，导出不同参数下模型的全天内影响范围(图7)。

表2 模型参数

图7 不同模型反射效果图Fig.7 Reflection effects of different models

由图7可知，减小R1和增大R2均会导致反射光影响范围减小，影响范围向模型方向集中，这是由于在结构其他参数不变的情况下横向宽度的增大改变了组成双曲结构面板的立面形态，使得反射光更加分散，反射光集中影响的范围随之缩小；减小R3增大了净空会导致反射光影响范围扩大，虽然较大的净空使站内旅客有更好的空间感，但会增强反射光对周边环境的影响。

4 结论

本文分析了影响反射光的主要因素：反射材料、建筑环境、建筑形态。本文采用的钛锌板经预钝化处理，大大降低其反射比，且随使用时间的增加反射比逐年降低，减小反射光对周围环境的影响，有效降低金属屋面板的光污染。

通过建立双曲面模型，对太子城站反光特性进行模拟分析，对不同时期以及不同几何参数下的模型进行反光分析。为减小反射光对周围环境的影响，可根据车站实际需求以及周边环境反光要求，结合车站设计对双曲屋面进行增大横向宽度，减小净高以及净空的处理，对优化太子城站的建设具有指导意义。