城市軌道交通綜合體建筑的井式空間被—動式設(shè)計(jì)策略研究以北京市為例

李珺杰 / LI Junjie

隨著軌道交通的快速發(fā)展，軌道交通及上蓋綜合體建筑的能耗與舒適度問題開始凸顯（王子甲 等，2013）。而建筑的環(huán)境品質(zhì)和節(jié)能效果取決于規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的策略研究（Tejavathu et al.，2010），設(shè)定設(shè)計(jì)目標(biāo)、挖掘作用機(jī)理是找尋解決途徑的核心（宋曄皓 等，2013）。在交通類建筑中，“井式空間”形態(tài)十分常見，猶如“連通器”，是傳遞人、物質(zhì)和能量的載體，它介于建筑外部環(huán)境與室內(nèi)環(huán)境之間，是兩者的聯(lián)系體。井式空間能夠利用自然能源（如風(fēng)能、太陽能、雨水）和自然環(huán)境，具有調(diào)節(jié)室內(nèi)微氣候的功能、提高室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)的被動式調(diào)節(jié)作用的潛力（李珺杰，2015）。

1 城市軌道交通綜合體建筑中的物理環(huán)境調(diào)研

調(diào)研選取北京市5個典型的軌道交通綜合體建筑，位于西直門站、海淀黃莊站、國貿(mào)站、大望路站和王府井站，5個站點(diǎn)包含1號線、2號線、4號線、10號線、13號線和14號線共6條主干地鐵線路。調(diào)研對象均為城市軌道交通的樞紐，其中西直門站匯聚2號線、4號線和13號線，包含3座底商連通的商業(yè)辦公建筑，并與北京北客運(yùn)站相連。海淀黃莊站、國貿(mào)站、大望路站均匯聚兩條以上地鐵線路，并與城市綜合體直接連接。王府井站位于市中心，連接著亞洲最大的綜合性商業(yè)建筑群，人流量大，地理位置優(yōu)越。

測試時間選擇北京地區(qū)夏季最高氣溫時段，目的在于檢測夏季最不利氣候條件下，井式空間在城市軌道交通綜合體中物理環(huán)境方面的性能表現(xiàn)。

1.1 站臺層的綜合物理環(huán)境表現(xiàn)

對選取的5個站點(diǎn)進(jìn)行編號：西直門站（W1）、海淀黃莊站（W2）、國貿(mào)站（W3）、大望路站（W4）和王府井站（W5）。各站點(diǎn)站臺層的物理環(huán)境表現(xiàn)如圖1所示，站臺層的風(fēng)速受地鐵運(yùn)動的影響較為顯著，光照均滿足國家照明標(biāo)準(zhǔn)。舒適度問題集中體現(xiàn)在熱環(huán)境和空氣品質(zhì)兩個方面：環(huán)境溫度普遍過高，其中最高溫度出現(xiàn)在W4，達(dá)到34.5℃，高出同期室外溫度3.5℃；空氣品質(zhì)方面，問題最為顯著的是細(xì)顆粒物（PM2.5）和可吸入顆粒物（PM10）濃度偏高，幾乎所有測點(diǎn)的PM2.5濃度均高于人體的健康范圍，PM10濃度過高在W4站點(diǎn)表現(xiàn)得尤為顯著，最高達(dá)到225.7μg/m3（表1）?？梢?，站臺層環(huán)境溫度、PM2.5/PM10濃度是導(dǎo)致舒適度不達(dá)標(biāo)的核心問題。

圖1 站臺層物理環(huán)境性能表現(xiàn)測試數(shù)據(jù)箱形示意（紅色區(qū)域?yàn)槌鍪孢m度范圍①的數(shù)值）

表1 站臺層各項(xiàng)物理指標(biāo)平均值

圖2 各測點(diǎn)全天逐時PM2.5/PM10濃度數(shù)據(jù)比較曲線

1.2 井道中部測點(diǎn)位置的空氣品質(zhì)調(diào)查

研究選取連接軌道交通綜合體地上地下空間的中段作為分析對象，討論測點(diǎn)tp1、tp2、tp3、tp4的PM2.5和PM10濃度隨時間變化的規(guī)律。根據(jù)各測點(diǎn)全天逐時PM2.5/PM10濃度數(shù)據(jù)比較曲線可以發(fā)現(xiàn)，各個測點(diǎn)的PM2.5與PM10數(shù)據(jù)隨時間變化的規(guī)律幾乎一致：測點(diǎn)tp1、tp2、tp3的PM2.5/PM10濃度都在上午11:00與下午18:00出現(xiàn)了突增，幾乎是其他時段的2倍；tp4位于靠近14號線的井式空間內(nèi)，受到地鐵活塞風(fēng)的影響，全天PM2.5/PM10濃度值變化幅度較大，呈現(xiàn)出的變化規(guī)律與地鐵運(yùn)行時段密切相關(guān)（圖2）。

2 井式空間在城市軌道交通綜合體建筑中的環(huán)境分析

由于軌道交通人流吞吐量大，空間以通過性為主，其與綜合體連接處的地上地下空間的環(huán)境品質(zhì)往往較低，直接影響使用者的舒適度和身體健康水平（George et al.，2016）。另外，軌道交通建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)也關(guān)系著城市可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)程（馬占奎，2016）。城市軌道交通綜合體受空間使用特征的影響，其地上和地下空間采用井式空間的形態(tài)十分常見（圖3～5），包括連接地面與地下、站房與站臺的交通井、站臺處車輛換乘的人行隧道井空間等（胡映東 等，2014）。

根據(jù)長期的客觀物理環(huán)境和主觀舒適度調(diào)查，井式空間在城市軌道交通綜合體中的被動式利用潛力主要包括舒適度提升和氣候利用兩個層面：一是針對井式空間舒適度偏低的問題提出基于空間策略的改善（李珺杰 等，2018）；二是借助井式空間的連通器作用，利用氣候條件和空間策略被動地降低運(yùn)行期間的能耗。

2.1 空間視角下的舒適度提升

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，北京市城市軌道交通綜合體在地上地下的井口銜接空間，出現(xiàn)各個季節(jié)均存在的瞬時風(fēng)速過大的問題，嚴(yán)重影響使用者的舒適度和長期停留的安檢人員的身體健康。測試中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)井口的交界處最大風(fēng)速可達(dá)到5m/s，此外，由于室內(nèi)外溫度的差異，活塞式的風(fēng)向和雙向較大溫差的風(fēng)溫帶來極大的不舒適感。另外，軌道交通綜合體建筑地上地下空間往往會形成較長且封閉的井式空間，空間中的人流量大，并且缺少與室外自然環(huán)境的聯(lián)系，人流高峰期的空氣品質(zhì)往往較差，但因?yàn)槭峭ㄟ^性空間，人們停留時間短，該問題并沒有引起人們的重視。

因此，結(jié)合綜合體建筑的體形和功能，在井口處加強(qiáng)緩沖、遮擋或者轉(zhuǎn)換，在地下井式空間中穿插如拔風(fēng)井、采光井、中庭、下沉院落等空間，都具有被動地提升空間舒適度的潛力。

2.2 空間視角下的氣候利用

井式空間作為外部環(huán)境和內(nèi)部環(huán)境的“連通器”，具有傳遞自然資源的優(yōu)勢。利用井式空間，可將自然資源傳遞給軌道交通區(qū)域的地上地下空間，一是可提高空間品質(zhì)，二是可減少運(yùn)行期間可能帶低能耗是利用井式空間的功能和形態(tài)優(yōu)勢，在建筑中起到如被動式降溫、新風(fēng)補(bǔ)給、自然光、風(fēng)能利用等方面的節(jié)能效果（圖6）。來的能耗。在城市軌道交通綜合體中，利用空氣動力學(xué)的熱壓通風(fēng)、活塞通風(fēng)、混合通風(fēng)原理，借助入口或通風(fēng)井將熱空氣導(dǎo)出室外，以達(dá)到降低空調(diào)等設(shè)備能耗、排熱、排濕的作用。在此基礎(chǔ)上研究并探索新的空間復(fù)合模式，例如形成地道風(fēng)-太陽能煙囪的井式復(fù)合空間系統(tǒng)，隧道風(fēng)-置換通風(fēng)的新風(fēng)供給井式復(fù)合空間系統(tǒng)（Sun et al.，2017），主動、被動結(jié)合的地道風(fēng)-地源熱泵井式復(fù)合空間系統(tǒng)、采光-熱壓通風(fēng)拔風(fēng)井式復(fù)合空間系統(tǒng)，等等，以上典型空間模式均可提高井式空間的被動式利用效率。井式空間的形態(tài)具有引入自然光線的優(yōu)勢，可提升光環(huán)境舒適度、降低照明能耗。地?zé)崮芙Y(jié)合井式空間的利用，可提高井道內(nèi)的熱環(huán)境品質(zhì)，將舒適的溫度傳遞給井道周邊綜合體的其他功能區(qū)，具有提高使用舒適度并降低運(yùn)行成本的潛力。

圖3 巴黎萊阿拉商業(yè)區(qū)地鐵上蓋建筑

圖4 日本汐留站

圖5 香港將軍澳住宅區(qū)地鐵站

圖6 以高性能低能耗為目標(biāo)導(dǎo)向的被動式設(shè)計(jì)策略

3 可持續(xù)視角下的井式復(fù)合空間設(shè)計(jì)目標(biāo)與空間構(gòu)想

3.1 以高性能低能耗為目標(biāo)導(dǎo)向的井式復(fù)合空間設(shè)計(jì)

對于井式空間中存在的舒適度低、使用者滿意度低的問題，國內(nèi)外新建的軌道交通綜合體設(shè)計(jì)中，正在不斷地嘗試優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境并進(jìn)一步與環(huán)境協(xié)調(diào)共生的設(shè)計(jì)策略。基于此，本研究提出以井式空間為媒介的城市軌道交通綜合體整合設(shè)計(jì)的思路，形成以高性能低能耗為目標(biāo)導(dǎo)向的井式空間被動式設(shè)計(jì)策略。高性能表現(xiàn)在舒適度和人體健康兩個方面，關(guān)注室內(nèi)的熱環(huán)境、光環(huán)境、空氣品質(zhì)和使用者感受。

3.2 3種典型的井式復(fù)合空間設(shè)計(jì)構(gòu)想

城市軌道交通綜合體整合設(shè)計(jì)的思路，包含兩方面：其一，整合原有相對獨(dú)立的設(shè)計(jì)分工，在軌道交通綜合體設(shè)計(jì)的流程中，綜合考慮建筑單體和地下站房、站廳空間的組織關(guān)系；其二，整合空間和系統(tǒng)，以高性能低能耗為目標(biāo)導(dǎo)向，優(yōu)化復(fù)合空間的綜合性能。因此，研究提出了3種復(fù)合空間的設(shè)計(jì)構(gòu)想。

3.2.1 地道風(fēng)-太陽能煙囪（建筑中庭）-空氣過濾的井式復(fù)合空間系統(tǒng)

城市軌道交通綜合體的建筑空間相對更為綜合、復(fù)雜，由于其面積大、需要協(xié)調(diào)的功能空間多、使用人群數(shù)量多，因此，通常會引入例如中庭空間來組織功能關(guān)系。豎向通高的中庭空間可被視為一個太陽能煙囪，與橫向的地道風(fēng)井結(jié)合，有利于提高室內(nèi)空間的熱環(huán)境品質(zhì)并降低建筑能耗。在熱環(huán)境方面，地道風(fēng)風(fēng)溫較低，將其與空調(diào)機(jī)組結(jié)合，可減少軌道交通綜合體建筑夏季制冷的能耗；將其與建筑中的太陽能煙囪結(jié)合，利用空氣動力學(xué)中冷空氣下沉、熱空氣上升的原理，可實(shí)現(xiàn)空氣在建筑中的被動式循環(huán)，排出溫度較高的空氣，從地道中抽吸低溫空氣（圖7）。此外，適度的熱壓通風(fēng)作用，有利于建筑內(nèi)的空氣流動和循環(huán)，在夏季能夠降低人體的體表溫度，從而提高熱舒適度。但是，考慮到地道風(fēng)的空氣品質(zhì)較低，該井式復(fù)合空間系統(tǒng)還加入了空氣過濾凈化系統(tǒng)，一是提高井道空間內(nèi)部的空氣品質(zhì)，二是提高整套空氣循環(huán)系統(tǒng)在軌道交通綜合體建筑中的空氣品質(zhì)。

3.2.2 采光-熱壓通風(fēng)拔風(fēng)井式復(fù)合空間系統(tǒng)

建筑中井式空間的類型，可分為垂直井、水平井和混合井（陳綱倫，1999）。垂直井的優(yōu)勢是在建筑的縱向上貫通空間，有利于能量自上至下或者自下至上地流動。在地下空間中，自然采光屬于稀缺資源，因此，建筑的照明能耗大大高于一般的地上建筑，而在大多數(shù)城市軌道交通綜合體建筑中，中庭空間或通高是最常見的組織功能的空間。以整合設(shè)計(jì)為思路，通過中庭空間連通城市軌道交通綜合體和地鐵站廳站房空間，形成的采光井可提供自然光。地道風(fēng)的低溫空氣與中庭頂部的高溫空氣形成較大的溫差，中庭的垂直井可帶動地道井中的低溫空氣進(jìn)入建筑中，從而實(shí)現(xiàn)熱壓通風(fēng)。此外，該復(fù)合空間系統(tǒng)還可以與地道風(fēng)-太陽能煙囪（建筑中庭）-空氣過濾的井式復(fù)合空間系統(tǒng)整合，將自然光、空氣過濾系統(tǒng)、通風(fēng)降溫等功能整合到一個具有復(fù)合作用的空間，進(jìn)一步提高空間的被動式調(diào)節(jié)效果（圖8）。

圖7 地道風(fēng)-太陽能煙囪-空氣過濾的井式復(fù)合空間系統(tǒng)示意

圖8 采光-熱壓通風(fēng)拔風(fēng)井式復(fù)合空間系統(tǒng)示意

3.2.3 活塞風(fēng)發(fā)電-輔助照明系統(tǒng)

研究表明，在地鐵隧道里安裝大量風(fēng)機(jī)，葉片會產(chǎn)生空氣阻力，從而對列車運(yùn)行產(chǎn)生阻力，可能產(chǎn)生更多的能耗（張志龍 等，2015；孫振剛 等，2016）。但是，在地鐵站臺層少量布置微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生的可再生能源用于站臺層、站廳層或者軌道交通與城市綜合體的接駁空間的照明，是地鐵隧道風(fēng)能利用的一種方式。根據(jù)本次實(shí)測，站臺層1.5m高處的平均風(fēng)速為1.5m/s，靠近地鐵車輛上端平均風(fēng)速可達(dá)到7.5m/s。有研究表明，地鐵隧道中采用輕型較大扭轉(zhuǎn)葉片效果最佳，微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，垂直式軸力發(fā)電機(jī)設(shè)備的啟動風(fēng)速為1m/s，額定風(fēng)速為11m/s，安全風(fēng)速為45～60m/s，額定功率為200W、300W和400W多種。從經(jīng)濟(jì)效益的角度測算，按照地鐵每天6:00～22:00運(yùn)行，全天共運(yùn)行16h。若選用400W的風(fēng)機(jī)，在每個站臺層的角部安裝兩臺，共計(jì)8臺，則每天可以發(fā)電51.2kWh，可滿足人工照明需求。根據(jù)北京市一般工商業(yè)用電取費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，取平均值1元/kWh，則每臺風(fēng)機(jī)的投資回收年限為2～3年（表2）。

表2 活塞風(fēng)發(fā)電-輔助照明系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益測算

4 結(jié)語

本文通過對城市軌道交通綜合體中多種形態(tài)的井式空間的調(diào)研，解析其中存在的問題，并挖掘井式空間可能發(fā)揮的被動式調(diào)節(jié)作用的潛力，研究其在改善室內(nèi)環(huán)境舒適度和節(jié)約能源消耗方面的作用，并得出了以下結(jié)論：研究基于實(shí)際的現(xiàn)場調(diào)查，積累了真實(shí)的夏季井式空間內(nèi)部多個位置的物理環(huán)境性能表現(xiàn)數(shù)據(jù)；在兩者之間進(jìn)行了關(guān)聯(lián)性的分析，探討了井式空間不同位置存在的舒適度、健康度問題，以及被動式利用的潛力；提出了具有被動式調(diào)節(jié)作用潛力的3種典型的井式復(fù)合空間設(shè)計(jì)構(gòu)想。

注釋

① 依據(jù)國家現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，研究將舒適度的標(biāo)準(zhǔn)范圍界定為：溫度16～28℃，濕度30%～60%，照度150lux，冬季室內(nèi)風(fēng)速v＜0.15m/s，夏季室內(nèi)風(fēng)速v＜0.25m/s，PM2.5濃度為75μg/m3（按照我國二級標(biāo)準(zhǔn)24h平均濃度限值），PM10濃度為150μg/m3（按照我國二級標(biāo)準(zhǔn)24h平均濃度限值），HCHO濃度為0.08mg/m3，CO2濃度為1000ppm。