基于数值模拟的高铁站房顶部开窗形式的采光优化研究

金海魁 [同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司， 上海 200092]

在建筑物的设计阶段，其室内光环境是设计师重要的考量指标。光环境对人类的工作生活都产生重要的影响。随着国家经济的发展和人民生活水平的提高，无论是公共建筑还是私人住宅，建筑物良好的自然采光已经成为必不可少的需求和条件。良好的采光对于提高生活品质、工作效率、舒适度和节能水平都具有重要的意义[1-3]。

借助相关软件对建筑物的采光进行前期模拟优化已成为建筑设计中的重要组成部分。相关文献对此有相关介绍，多数文献只针对绿色建筑评价标准和建筑采光设计标准得分和达标进行设计[4-7]。本文基于自然采光模拟分析软件 IES（简称 VE）建筑环境集成分析软件自然采光分析模块 FlucsDL，对高铁站房等大型公建顶部开窗形式进行多工况优化模拟[8]，对顶部开窗形式给出具体指导建议，并总结开窗形状和面积对采光系数和照明系统节能效率的影响，以达到指导前期建筑采光设计的目的。

1 项目概况

安徽省合肥高铁站房项目约 8 万 m2，站房四周侧面开窗面积为 5374 m2，分为换乘大厅、广厅和部分商业夹层等。合肥属于 IV 类中国光气候区，光气候系数K值为 1.1。由于合肥高铁站房既有侧面采光也有顶部采光，按照最不利工况，交通建筑进站厅和候机（车）厅采光系数标准值取 3.0%，根据 GB 50033—2013《建筑采光设计标准》规定，所在地区的采光系数标准值应乘以相应地区的光气候系数K值，因此高铁站房距地面 0.75 m 平面上的采光系数标准值取 3.3%，室内天然光照度标准值为 450 lx。图 1 为高铁站房顶部未开窗三维建模图。

图1 三维建模图

2 模拟结果分析

2.1 方案介绍

合肥高铁站房项目采光设计方案采用侧面开窗和顶部开窗结合的方式，为达到理想采光效果，共计设计 5 种顶部开窗方案，在面积和形状上具有不同特性。由于大型交通建筑结构复杂、体量庞大的缘故，具体的顶部开窗面积无法通过理论或经验来设计，因此建筑整体设计方案在保证建筑物外观、结构安全性等方面合理的基础上设计侧窗，在保证侧窗位置大小不变的情况下根据模拟结果确定顶部开窗形状和面积。其中方案一设计方案为基础模型，即侧窗＋顶部未开窗模型，顶部开窗面积为 0 m2；方案二为侧窗＋格子状开窗模型，顶部开窗面积为 1708 m2；方案三为侧窗＋多横条状天窗模型，顶部开窗面积为 2002 m2；方案四为侧窗＋多竖条状天窗模型，顶部开窗面积为 2441 m2；方案五为侧窗＋单矩形状模型，顶部开窗面积为 4267 m2。图 2 为 5 种顶部开窗模型。

图2 方案模型

2.2 结果分析

2.2.1 模拟结果

根据上述 5 种顶部开窗模型分别进行优化模拟，其中第一种基础模型（顶部未开天窗）未达到标准，其余 4 种顶部开窗的模型均达到标准要求，模拟结果如表 1 和图 3 所示。

表1 5 种模型采光系数及平均照度值的模拟结果

图3 方案模拟结果

2.2.2 分析计算

根据上述模拟结果，本文主要从 3 个方面开展分析计算。第一点主要分析计算顶部开窗面积对采光系数的影响，以确定高铁站房的最佳顶部开窗面积，并对大型交通建筑采光设计提出指导性意见。第二点主要分析建筑设计阶段采光节能效果。第三点主要分析高铁站房顶部开窗形状对自然采光分布的影响[9-10]。

（1）顶部开窗面积对采光系数的影响。通过上述指标和模拟结果显示，高铁站房顶部开窗面积对采光系数和照度平均值具有很大的影响。本文对大型交通建筑顶部开窗面积进行量化分析计算。表 2 为 5 种方案模拟结果及对应面积表。

表2 5 种方案模拟结果及对应面积表

根据 表 2 数据，对采光系数和顶部开窗面积增长比例进行非线性拟合。通过非线性拟合得知，顶部开窗面积增长比例的速率和采光系数增长比例的速率是基本同步增长的。其中方案二至方案五相对方案一的采光系数增长比例和面积增长比例如图 4 所示。

图4 采光系数和面积增长比例

由图 4 可知，采光系数与顶部开窗面积呈正相关，并且具有很好的近似等比例增长关系。根据上面曲线可以判定并拟合得到采光系数与顶部开窗面积的关系曲线，公式为y=0.001846x＋0.6467，详见图 5。

图5 采光系数与顶部开窗面积拟合曲线

根据 GB 50033—2013 中 3.03 条规定，采光标准的上限值不宜高于上一采光等级的级差，采光系数值不宜高于 7%，主要原因是考虑到夏季太阳辐射对室内产生的过热影响以及由此引起的不舒适眩光。 GB 50033—2013 中对于交通建筑的采光标准制定依据有详细的数据实测结果，其中结果显示如表 3 所示。

表3 进站大厅、候机（车）大厅实测结果

根据 GB 50033—2013 中的规定和交通建筑的采光标准制定依据，可将合肥高铁站房采光系数最大确定为 7.0%，最小确定为 3.3%，以此达到良好的采光效果评价，并由采光系数和顶部开窗面积的拟合曲线来得到顶部开窗面积最大为 3441 m2，最小为 1437 m2。

由上述结果可知，对于合肥地区大型交通建筑及公共建筑设计阶段，本文对于顶部开窗面积预估和采光优化设计具有一定的借鉴意义，并且对于其他地区类似建筑也具有一定的意义和实用基础[11]。

（2）自然采光节能效果评价。由 GB 50033—2013 中 7.07 条可知，对于自然采光可节省的照明用电量宜按式（1）进行计算。

式中：We—可节省的年照明用电量，kWh/(m2·a)；

Pn—房间或区域的照明安装总功率，W，由于高铁站房的重要性及特殊性，根据 GB 50034—2013 中规定的交通建筑照明功率密度限值中的目标值＜6.0 W/m2选取，高铁站房共计80000 m2左右，因此可取 480000 W;

tD—全部利用天然采光的时数，h，按标准取 3055 h；

t'D—部分利用天然采光的时数，h，按标准取 802 h；

FD—全部利用天然采光时的采光依附系数，取 1；

F'D—部分利用天然采光时的采光依附系数，在临界照度与设计照度之间的时段取 0.5。

根据上述数据可知，高铁站房具有良好的自然采光时，年节约照明用电量可达到 1658 880 kWh。

（3）顶部开窗形状对自然采光分布的影响。由方案二至方案五模拟结果显示可知，采用方案二侧窗＋格子状开窗模型的采光分布最好，采光系数最大值为 10%，采光分布均匀，顶部开窗垂直观察面的采光系数平均值为 7.5% 左右；采用方案三侧窗＋多横条状天窗模型时采光分布相对方案 1 次之，采光系数最大值为 10.5%，顶部开窗垂直观察面周边采光系数平均值在 9.5% 左右，相对较高；采用方案四侧窗＋多竖条状天窗模型时采光分布相对方案三次之，采光系数最大值为 14%，顶部开窗垂直观察面周边采光系数平均值在 12.5% 左右，容易产生眩光，对室内环境和工作生活产生影响；采用方案五侧窗＋单矩形状模型时采光分布很不均匀，采光系数最大值为 24%，顶部开窗垂直观察面中心区域采光系数平均值在 23% 左右，极大影响室内环境和人员的生产生活。

根据上述分析，对于具有顶部开窗采光需求的大型交通建筑，在保证满足 GB 50033—2013 中采光系数要求的前提下，在顶部开窗尽量避免方案五单个大面积独立开窗，优先采用格子状开窗模型。

3 结语

根据上述对高铁站房多方案优化模拟，得到如下结论。

（1）通过对合肥高铁站房顶部开窗方案的优化计算可知，站房采光系数与顶部开窗面积具有很好的线性关系。依据两者的线性关系，对具有顶部开窗需求的大型交通建筑可以高效指导前期采光设计中的顶部开窗面积大小。

（2）通过模拟优化，本项目合肥高铁站房可具有良好的自然采光效果。根据相关分析计算项目建筑物年节约照明用电量预期可达到 1658 880 kWh。

（3）通过分析顶部开窗形状对自然采光分布的影响可知，对于具有顶部开窗采光需求的大型交通建筑，顶部开窗不应选取方案五中单个大面积独立开窗模型，优先采用方案二中格子状开窗模型。