夏热冬暖地区大型铁路客站建筑条形单元式屋顶形态得热机理研究

何恩杰 范征宇

摘要：目的：近年来，条形单元作为典型的大型客站建筑屋顶造型设计手法，被建筑师广泛选用。铁路客站相对扁阔的空间形体大面积屋面成为建筑内部主要的热量来源，可显著影响其室内热环境与能耗，在夏热冬暖地区，这一现象尤甚。然而，在当前我国建筑设计运行全面低碳化的背景下，鲜有研究探究此类大型客站建筑的屋顶条形单元形态与得热属性间的关系。方法：文章基于案例调研法，梳理铁路客站条形单元式屋顶典型原型，通过Rhino&Grasshoper结合Ladybug+Honeybee平台，围绕屋顶顶峰点相对高度、顶峰点相对位置等条形单元式屋顶关键形态变量，进行以屋面为媒介的室内净得热量仿真模拟。结果：文章集中探究了夏热冬暖地区条形单元式屋顶形态与得热性能间的关联机理，认为改变屋面顶峰点相对高度和位置，会显著影响夏热冬暖地区条形单元式屋面夏季得热。结论：模拟结果中屋顶形态变量的定量化数据变化规律，可为大型客站的条形单元式屋顶得热与低碳优化设计提供有效的技术支撑与策略依据。

关键词：夏热冬暖地区；铁路客站；建筑条形单元式屋顶；得热；室内净得热量

中图分类号：TU248.1 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2024）09-00-03

1 研究目的

传统建筑元素转译与重构，并与结构单元结合应用于铁路客站屋顶造型，是建筑设计领域重要创作主题之一［1］。从结构设计角度，单元体排列有序、受力明确、关系清晰。建筑的内部空间和外部形态，充分反映了这种清晰的结构逻辑关系，体现了结构的真实性和合理性［2］。李晋等人［3］则以广州为例，通过仿真模拟手段探究双坡、四坡、拱顶、穹顶和平屋顶挑檐五种体育馆基础屋顶形态与总体太阳辐射接受量间的关系。

2 研究方法与模拟实验

本研究使用Energyplus引擎插件平台，开展了双坡条形单元式铁路客站在太阳辐射下屋面室内净得热量的仿真模拟。

2.1 模型建立

依据调研结果，选取矩形平面方案建立典型实验原型，如图1中Model 0所示。原型平面尺寸为长（L）×宽（W）=360 m×170 m，高（H）为30 m（不含屋顶高度），屋面形式为条形单元双坡式，选取40 m为每个屋面条形单元跨度（S），共形成9个条形单元。

2.2 关键设计参数提取

2.2.1 顶峰点竖向相对高度

顶峰点竖向相对高度是指竖直方向由屋顶最高点到檐口的高度。结合前期案例调研结果，如图1所示。本文以5 m为步长，在0～25 m范围内分别计算顶峰点竖向相对高度（RH）。

2.2.2 顶峰点平面相对位置

顶峰点平面相对位置是指在相同屋顶高度设置下，双坡形式屋面的条形单元屋脊线于水平面内，在条形单元跨度内，沿屋脊线垂直方向的位置变化。如图1中的Model 4、Model 7～10所示，以跨中为原点（0 m）位置，且以10 m为步长，分别测算顶峰点在屋脊线垂直方向（RP）-20～+20 m位置范围内的变化。

2.3 边界条件设置

2.3.1 气候条件

根据《中国国家地理地图》中中国年太阳总辐射量分布，选取年太阳总辐射量在4500～6000（兆·焦耳/平方米·年）的深圳市与三亚市作为典型城市。采集来自清华大学和中国气象局的数据，选取6月作为典型极端季进行得热分析。6月总辐射量，深圳为152.17（kWh·㎡），三亚为160.15（kWh·㎡）；6月散辐射量，深圳为61.18（kWh·㎡），三亚为59.89（kWh·㎡）；6月平均干球温度，深圳为28.10 ℃，三亚为28.26 ℃。

2.3.2 其他模拟参数设置

根据《公共建筑节能设计标准》中夏热冬暖地区甲类公共建筑围护结构热工性能的限值要求，将屋面材料长波辐射吸收系数设置为0.95，太阳辐射吸收系数设置为0.96。同时，本次实验的目的为比较单一屋顶形态变量对得热量的影响，关闭采暖与制冷系统，侧窗窗墙面积比设置为20%。

2.3.3 天窗屋面面积比

《公共建筑节能设计标准》规定，甲类大型公共建筑的屋顶透光部分面积不应大于屋顶总面积的20%。结合前期案例调研结果，本研究确定天窗屋面面积比为10%。

2.3.4 朝向

考虑铁路客站建设须顺应铁轨方向，而我国大部分铁路轨道沿东西向或南北向铺设，因此研究选取正南北向典型朝向。

2.4 以屋面为媒介进行热交换的室内净得热量评价指标

分析大型铁路客站建筑屋顶得热过程可知，以屋面为媒介进行热交换的室内净得热量包括四种。

第一，室内外温差导致的屋面传入/传出室内的导热量。

第二，太阳辐射通过天窗进入室内被屋面所吸收的短波辐射热量。

第三，屋顶与室内其他表面的长波辐射热量交换。

第四，屋面内表面附近区域的空气对流热交换量。其中，天窗部分进行热交换的室内净得热量包括三种：一是天窗玻璃与窗框内外表面温差形成的导热传热，二是太阳辐射透过天窗玻璃传入室内的热量（可见光透射），三是天窗与室内长波辐射与短波辐射二次传热等。

3 结果与分析

3.1 顶峰点相对高度对得热量的影响

由图2可知，从总得热量构成来看，导热、天窗得热以及与长波辐射热交换占主导地位，与室内屋面附近空气的对流换热只占较小的比例，而短波辐射对总得热量则呈负增益效果。从变量影响来看，随着屋顶（即顶峰点）高度的增加，各代表性城市客站室内净得热量明显增长。从室内净得热量变化率来看，两地的变化率曲线均体现为顶峰点高度在0～10 m时，变化率缓慢增长，在10～20 m时，变化率显著增长，说明在夏热冬暖气候区，较小的顶峰点高度变化不能引起明显的总得热量变化，但当高度突破一定阈值（10 m）时，室内净得热量对顶峰点高度的变化更为敏感。结合朝向变化可看出，在0～15 m，三亚始终保持更高的变化率。这说明相对较低的顶峰点高度对辐射资源更丰富的地域更为敏感。但在15～25 m，南北向屋顶随着高度增加，在15～20 m，两地均呈现出更显著的变化率，在20～25 m，两地则均呈现出明显的增长停滞。这说明南北坡设置的条形单元式屋顶主要考虑南向得热面，且当顶峰点高度在15～20 m时，屋面整体可取得最佳的总体得热效果。而高度在20～25 m时，变化率增长缓慢，可能是较高的高度使南坡面形成了一定程度的自遮挡，其南向坡面得热增益并不能盖过因南向坡面自遮挡产生的得热损益。

3.2 顶峰点相对位置对得热量的影响

顶峰点即屋顶相对高度保持恒定为15 m，在实际应用合理范围内按-20～20 m表示自南向北均匀变化屋顶顶峰点相对位置。由图3可知，总得热量构成与3.1中表现一致，在此不加赘述。从变量影响来看，针对南北坡设置，随着顶峰点位置的移动，两城市的客站室内净得热量呈现先减少再增加的趋势，表明顶峰点相对位置在偏北侧位置状态（+10 m）时最有利于减少得热。从室内净得热量变化率来看，与顶峰点高度变化效果类似，在顶峰点相对位置由跨中位置（0 m）偏移变化至极端位置（-20/20 m）的过程中，两地的变化率曲线均体现为顶峰点高度为0～±10 m时变化较缓，而在±10～±20 m时，变化率显著增长。这说明在夏热冬暖气候区，较小的顶峰点位置变化同样不能引起明显的总得热量变化，但当其突破一定阈值（±10 m）后，室内净得热量对顶峰点位置的变化十分敏感。在南北坡设置时，无论是0～-20 m还是0～+20 m，深圳与三亚的室内净得热量变化率、变化趋势均展现出明显的不同，即顶峰点相对位置向南移动的变化率明显高于向北移动的变化率。

4 结语

通过研究可以发现，夏热冬暖地区条形单元式屋面顶峰点高度增加能提升大型客站建筑的屋面总体得热。当基础顶峰点高度较小时，高度增加对总得热量的影响不显著；但当突破关键阈值（10 m）后，会对室内净得热量产生明显影响，且相对较高的顶峰点高度对辐射资源更丰富的地域更为敏感。改变屋面顶峰点相对位置，同样可以影响夏热冬暖地区条形单元式屋面夏季得热。针对南北坡，顶峰点在最北侧位置（南向单坡）状态时最有利于控制得热，在较低纬度地区，南北坡形式更适宜采用坡形变化的方法来控制其辐射得热效果。同时，在夏热冬暖气候区，基于跨中基准位置，较小的顶峰点位置变化对总得热量影响有限；但当突破关键阈值（±10 m）后，其增减会对室内净得热量产生明显影响。

参考文献：

［1］ 田宇.应用传统建筑元素的铁路客站设计方法研究［D］.大连：大连理工大学，2020.

［2］ 王力，李春舫.结构即空间，结构即建筑：以结构逻辑为主线的铁路旅客车站空间塑造［J］.建筑技艺，2018（9）：58-65.

［3］ 李晋，张威，游媛.湿热地区体育馆被动形态与太阳辐射关系研究［J］.南方建筑，2011（1）：90-93.

基金项目：本论文为2017年度科技部重点研发计划课题“地域气候适应型绿色公共建筑设计技术体系”研究成果，项目编号：2017YFC0702303（科技部）

作者简介：何恩杰 （1998—），男，研究方向：绿色建筑设计及技术；范征宇 （1985—），男，博士，副教授，研究方向：绿色建筑技术。