京張高鐵清河站站房綠色設(shè)計研究

歐 寧

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 清河站設(shè)計概況

京張高鐵不僅是2022年冬奧會的交通保障線、京津冀一體化發(fā)展的經(jīng)濟服務(wù)線，也是京張鐵路百年歷史的文化線、展示中國高鐵建設(shè)成果的示范線。清河站作為京張高鐵的第二站，不僅承擔著京張鐵路普速車及部分動車的始發(fā)功能，同時也是冬奧會交通保障線的起始站。

清河站包括國鐵、地鐵、市政三部分工程，為綜合交通樞紐，總建筑面積為14.6萬m2(見圖1)。建筑主體為地上2層，局部設(shè)置夾層，地下2層，建筑高度為40.45 m。

圖1 清河站鳥瞰

清河站為高架車站。地下二層為昌平線南延線及19號支線的站臺層、地鐵區(qū)間。地下一層為鐵路出站大廳、快速進站廳、車庫、地鐵站廳、非付費區(qū)及設(shè)備用房等。首層為鐵路進站大廳、鐵路及地鐵13號線站臺等。二層為鐵路高架候車廳。

2 鐵路站房綠色設(shè)計現(xiàn)狀及研究

2.1 鐵路站房綠色設(shè)計發(fā)展現(xiàn)狀

車站是服務(wù)于鐵路旅客的重要設(shè)施，也是城市綜合交通最重要的節(jié)點[1]。

鐵路站房為公共交通建筑，具有一定的特殊性，如空間高、人流量大、運營時間長、能源消耗大[2]等。另外，站房功能組成與住宅、商業(yè)、辦公等民用建筑項目有著明顯的差別(包括進站廳、候車廳、售票廳、出站廳等)，具有鮮明的行業(yè)特性。因此，在綠色建筑設(shè)計方面亦應(yīng)區(qū)別于普通民用建筑。在鐵路客運站的建筑設(shè)計中，如何根據(jù)建筑使用特征和區(qū)域氣候特征進行有效的綠色設(shè)計，實現(xiàn)建筑的高舒適、低能耗，是需要考慮的重要問題[3]。

為了實現(xiàn)鐵路客站的綠色設(shè)計，鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院會同有關(guān)單位，編制了TB/T10429—2014《綠色鐵路客站評價標準》。由于編制時間問題，該標準主要參照2006版GB/T50378—2006《綠色建筑評價標準》，而該標準在2015年即被GB/T 50378—2014《綠色建筑評價標準》替代。與此同時，2015年相繼發(fā)布了GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能標準》和北京市DB11/687—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》，標準的更迭也極大地影響著綠色鐵路客站的建設(shè)和評價。

京張高鐵是國內(nèi)首次按照綠建標準建設(shè)的高鐵項目，清河站亦為全國首個采用TB/T10429—2014《綠色鐵路客站評價標準》進行評價、并獲得三星級設(shè)計標識的鐵路客站項目。目前已獲得了由中國城市科學(xué)研究會頒發(fā)的綠色鐵路客站三星級設(shè)計標識證書以及由美國綠色建筑委員會頒發(fā)的LEED金級預(yù)認證證書。

2.2 研究的必要性

清河站是全國第一個采用TB/T 10429-2014《綠色鐵路客站評價標準》的三星級綠色鐵路客站項目，如何將該標準與現(xiàn)行的GB/T50378-2014《綠色建筑評價標準》和北京市DB11/687-2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》有機銜接，創(chuàng)建一個技術(shù)先進、內(nèi)涵豐富的綠色鐵路客站，沒有先例可循。因此，對其進行研究非常必要。

另外，作為奧運重點工程之一，如何將清河站的綠色設(shè)計與國際接軌也是應(yīng)該考慮的問題。在世界各國的各類建筑環(huán)保評估、綠色建筑評估以及建筑可持續(xù)性評估標準中，美國的LEED(Leadership in Energy & Environmental Design Building Rating System)被認為是最完善、最有影響力的評估標準，在全世界獲得了廣泛應(yīng)用[4-5]。在工程預(yù)算有限的情況下，如何將LEED認證要求與清河站的功能設(shè)計有機結(jié)合，在低增量甚至無增量成本的條件下去創(chuàng)建LEED認證的綠色站房，就顯得尤為重要[6]。

同時，作為取得綠色鐵路客站三星級以及LEED金級預(yù)認證的首個鐵路站房，通過對清河站在綠色設(shè)計方面的研究，總結(jié)出鐵路站房綠色設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)也非常重要。

3 清河站綠色設(shè)計及創(chuàng)新點

以綠色鐵路客站三星級為目標，設(shè)計構(gòu)思上采用了諸多綠色可持續(xù)技術(shù)措施：利用下沉廣場有效改善地下采光，引入自然光及自然通風，采用高效機電設(shè)備和LED照明燈具，采用一級節(jié)水器具，將市政中水用于沖廁及車庫地面沖洗，室內(nèi)設(shè)置二氧化碳傳感器控制新風量，對室內(nèi)污染物進行有效監(jiān)控等[5]。

3.1 清河站房綠色設(shè)計創(chuàng)新技術(shù)

(1)土地集約化利用

清河站西側(cè)緊鄰運營中的城鐵13號線以及運營中的京新高速公路，東側(cè)緊鄰城市現(xiàn)狀辦公用房及住宅，用地條件極為局促。如何在有限的用地空間內(nèi)實現(xiàn)國鐵、地鐵、公交、出租等的高效換乘，是設(shè)計思考的重點和難點。且現(xiàn)狀用地被運營中的線路及鐵路站場完全打斷，形成了割裂的城市現(xiàn)狀(見圖2)。

圖2 清河站割裂的城市空間現(xiàn)狀

計劃對城鐵13號線進行改造，將清河段的高架線路落地，與鐵路站場同場布置，不僅有效地節(jié)約了空間，同時大大減少了三條地鐵間、地鐵與國鐵間的換乘距離，提高了交通效率。

將西側(cè)京新高速橋下空間做下挖處理，設(shè)計為站前廣場、公交車場及出租車場。利用東側(cè)有限的道路空間，采用立體交通的設(shè)計手法，使清河站與東部城區(qū)完美結(jié)合，達到了暢通融合的目的。

最后，在有限的建設(shè)用地上，合理布置國鐵、地鐵的各項功能空間，在國鐵和地鐵流線簡潔、暢通、不交叉的前提下，在地下一層實現(xiàn)了國鐵、地鐵的“零換乘”。并且在地下一層實現(xiàn)了東西兩側(cè)居民的自由通行，“織補”了城市空間，見圖3、圖4。

圖3 清河站剖透視

圖4 地下一層換乘通廊效果

(2)清河站土建裝修一體化

清河站公共區(qū)室內(nèi)裝修及外立面裝修中處處秉承著“重結(jié)構(gòu)、輕裝修、簡裝飾”的設(shè)計理念。

在地下一層公共區(qū)(面積約2.6萬m2)，為了減少柱子，提高層高，創(chuàng)造良好的空間效果，采用了“站橋一體”的結(jié)構(gòu)形式，柱距達到25 m。大廳內(nèi)橋墩、蓋梁均采用了清水混凝土一次澆注成型，不做任何外裝飾(即直接采用現(xiàn)澆混凝土的自然表面效果作為飾面)。另外，在東西兩側(cè)下沉廣場及地下一層西側(cè)安檢大廳等區(qū)域亦采用了清水混凝土的處理方式，整個空間樸實、現(xiàn)代。

(3)建筑造型設(shè)計與環(huán)境相呼應(yīng)

清河站屋面由東向西逐漸升起，形成了優(yōu)美大器的曲線造型。西側(cè)面向西山，為候車廳乘客贏得怡人的自然視野；東側(cè)屋面較低，與東側(cè)既有的建筑體量相呼應(yīng)，降低了龐大體量的站房對周邊環(huán)境的壓迫感(見圖5)。西立面采用7跨A型柱與玻璃幕墻相結(jié)合的處理手法，結(jié)合屋面出挑，與G7高速橋形成了三段式的布局，與中國傳統(tǒng)建筑的神韻相得益彰，達到了用現(xiàn)代的建筑語言表達中國傳統(tǒng)建筑文化的效果。

圖5 清河站南立面

(4)清河站智能百葉遮陽技術(shù)應(yīng)用

清河站主立面朝向西側(cè)(即175 m面寬的高架候車廳朝向西側(cè))，優(yōu)點是候車廳有良好的視線景觀，能夠看到西山的優(yōu)美景色，缺點是西曬帶來的弊端。如何實現(xiàn)西曬與視線景觀的平衡，是設(shè)計需要思考的重點和難點。

針對清河站西立面大面積的玻璃幕墻，西向設(shè)計了長約19 m的大屋檐出挑，以達到西立面上部空間的遮陽效果。立面下部(距頂約7.1 m的以下部位)設(shè)計了智控翼簾型百葉建筑遮陽系統(tǒng)(以下簡稱智能百葉遮陽)，彌補了玻璃幕墻不利于遮擋熱輻射的缺陷[7](見圖6)?？癸L橫梁及豎向抗風桿件設(shè)置在幕墻外側(cè)，利用百葉系統(tǒng)進行遮擋，使清河站室內(nèi)為完整的玻璃面。

智能百葉遮陽系統(tǒng)可以有效阻隔太陽光的直射，與沒有任何遮陽的情況相比較，百葉可以切斷60%左右的熱量，還可以起到美化建筑外部形象的效果。百葉的翻轉(zhuǎn)角度可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)，夏季可以遮擋陽光，防止室內(nèi)溫度上升；冬季可以阻擋外流的熱量，兼具一定的保溫效能[7]。

(5)清河站光導(dǎo)照明技術(shù)應(yīng)用

清河站站臺總長度為550 m，北端約185 m采用鋼結(jié)構(gòu)無柱雨棚，南端365 m范圍上方為站房及落客平臺，從而導(dǎo)致了位于站房及落客平臺區(qū)域的站臺空間采光困難，電照明系統(tǒng)需長時間維持在開啟狀態(tài)，耗電量大。為了創(chuàng)造良好的站臺空間，并達到節(jié)約能源的目的，在清河站南北落客平臺區(qū)域設(shè)置了光導(dǎo)管系統(tǒng)(見圖7)。

光導(dǎo)照明系統(tǒng)利用自然光照明，可代替日間電照明，有效降低建筑能耗。使用原理為通過采光罩將太陽光進行收集捕捉，由導(dǎo)光管進行傳輸，通過漫射器將自然光灑向室內(nèi)[8]。

光導(dǎo)照明系統(tǒng)將自然光引入站臺區(qū)域，提供日間照明，與LED光源結(jié)合使用，可提供恒定舒適的照明效果。另外，清河站光導(dǎo)管采光罩采用了平頂式和球形相結(jié)合的形式，以滿足在綠化帶、行車道等不同部位的布置需求。其中，平頂式采光罩面板可滿足20 t以下車輛(如小汽車、大巴車、消防車等)通過。圖8為站臺空間光導(dǎo)管照明實景。

圖8 站臺空間光導(dǎo)管照明實景

3.2 清河站房計算機模擬分析技術(shù)的應(yīng)用

在綠色設(shè)計方面，借助計算機對圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能率、自然采光及大空間氣流組織進行了模擬研究[9]。

(1)清河站圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能率模擬研究

在外維護方面，采用清華大學(xué)自主研發(fā)的能耗模擬計算軟件DeST-C進行三維建模，重點研究了圍護結(jié)構(gòu)不同熱工性能參數(shù)對于空調(diào)冷熱負荷的影響[10]，分析了外墻傳熱系數(shù)、外窗太陽得熱系數(shù)、窗墻比等對清河站全年累計冷熱負荷的影響。圖9為外墻傳熱系數(shù)對于總負荷的影響趨勢。

圖9 清河站外墻對總負荷的影響

清河站主立面朝向西側(cè)，涉及到西曬與景觀的矛盾，即立面越開敞，視線景觀越好，但西曬問題越嚴重；反之亦然。為此，針對西立面，采用了外遮陽、內(nèi)遮陽、百葉間距、鋁板與幕墻結(jié)合4個方案進行負荷模擬計算(見表1)，確定了百葉進深及間距為500 mm的方案，并根據(jù)太陽高度角變化給出外遮陽范圍建議(見圖10)，實現(xiàn)了景觀與西曬的平衡。

表1 不同遮陽方案負荷計算

圖10 不同太陽高度角的遮陽效果

(2)清河站自然采光模擬研究

根據(jù)清河站的設(shè)計條件，采用了采光模擬計算軟件Ecotect進行三維建模，分析在外窗玻璃不同可見光透過率的情況下，清河站的自然采光效果。

采光分析模型的參數(shù)設(shè)置如下。玻璃可見光透過率：0.2，0.3，0.4；光氣候區(qū)：Ⅲ區(qū)；室外天然光設(shè)計照度：15 000 lx。由采光模擬分析可知，主要功能區(qū)均可滿足采光要求。圖11為典型空間候車廳室內(nèi)采光模擬結(jié)果。

圖11 候車廳室內(nèi)采光模擬結(jié)果

(3)清河站氣流組織模擬研究

采用FLUENT軟件對項目建成后的室內(nèi)風環(huán)境進行預(yù)測、分析及評價。FLUENT是專業(yè)的人工環(huán)境系統(tǒng)分析軟件，可以精確地研究流體的流動、傳熱和污染等物理現(xiàn)象，準確地模擬通風系統(tǒng)的空氣流動、空氣品質(zhì)、傳熱及舒適度等問題[11]。

售票廳：在冬季工況下，1.5 m人行平面的平均溫度為18.2 ℃，接近設(shè)計溫度(18 ℃)，室內(nèi)平均風速為0.16 m/s，滿足設(shè)計參數(shù)要求。在夏季工況下，1.5 m人行平面的平均溫度為27.3 ℃，接近設(shè)計溫度(27 ℃)，室內(nèi)平均風速為0.22 m/s，滿足設(shè)計參數(shù)要求。

候車廳：在冬季工況下，1.5 m人行平面的平均溫度為18.1 ℃，接近設(shè)計溫度(18 ℃)，室內(nèi)平均風速為0.21 m/s，滿足設(shè)計參數(shù)要求。在夏季工況下，1.5 m人行平面的平均溫度26.1 ℃，接近設(shè)計溫度(26 ℃)，室內(nèi)平均風速為0.23 m/s，滿足設(shè)計參數(shù)要求。售票廳候車廳平面溫度分布見圖12。

圖12 售票廳候車廳平面溫度分布

4 鐵路車站星級綠色設(shè)計評價

結(jié)合清河站的設(shè)計經(jīng)驗，梳理《綠色鐵路客站評價標準》和LEED評估標準的技術(shù)要求，進一步總結(jié)鐵路車站星級綠色設(shè)計評價關(guān)鍵技術(shù)，以期指導(dǎo)其他站房的星級評價。

4.1 鐵路站房設(shè)計特點

鐵路站房客流密度大、運行時間長，電梯、電熱水器等用電設(shè)備使用頻率高。

鐵路站房外部由站前廣場、站房和站臺三部分組成。火車站內(nèi)部空間主要包含候車廳空間、人口大廳空間、出站廳空間、通廊空間及其他輔助空間(辦公、設(shè)備、商業(yè)等)，其顯著特點是空間開敞性較大且大小空間并存。候車廳大空間占據(jù)主導(dǎo)地位，小空間多位于大空間下部或邊界處，內(nèi)部的候車廳、人口大廳都屬于高大空間，其溫度、氣流分布都具有一定的特殊性[12]。

寒冷氣候區(qū)火車站常采用連續(xù)屋面，呈中高側(cè)低狀。屋面起伏與造型會影響到太陽輻射量的獲取和風速。與平屋面相比，起伏屋面的表面積更大，冬季可以吸收更多的熱量。在夏季，起伏大的屋面更容易帶走屋面的熱量[13]。

外立面常常大量使用玻璃幕墻，由于穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和防噪聲等要求，玻璃幕墻常常做成封閉狀，可開啟面積受限。為確保旅客方便、快捷、無障礙地通過和疏散，火車站的售票廳大門和進站大門必須長時間開啟[18]。

4.2 鐵路站房綠色設(shè)計優(yōu)劣分析

技術(shù)優(yōu)勢：公共交通體系發(fā)達，交通流線及標識設(shè)計合理，自然采光和自然通風良好，節(jié)能照明燈具普及率高，可再生能源利用條件較好，節(jié)水器具及用水計量普及率高，鋼結(jié)構(gòu)及預(yù)制構(gòu)件利用率高，智能化系統(tǒng)普及率高，土建與精裝一體化程度高。

技術(shù)劣勢：室外綠化率低，硬質(zhì)鋪裝面積大，不利于降低熱島效應(yīng)和控制雨水徑流總量；室外廣場空曠，冬季室外風環(huán)境較為惡劣；廣場照明設(shè)計滯后，不利于嚴格控制夜間光污染；窗墻比大，不利于圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能；采用規(guī)則形體存在一定困難；室內(nèi)噪聲控制存在一定難度。

4.3 綠色鐵路站房星級關(guān)鍵技術(shù)

(1)節(jié)地與室外環(huán)境方面

①站房選址應(yīng)盡量遵循以下設(shè)計原則：新建鐵路選線應(yīng)盡量減少對城市的分割；新建車站選址盡可能在中心城區(qū)或靠近城市建成區(qū)[14]。

②鐵路客站的建筑布局應(yīng)結(jié)合地形條件，減少對原有地貌的破壞。

③鐵路客站廣場的交通組織方案應(yīng)遵循公共交通優(yōu)先的原則：交通站點布局合理，進出站旅客分流，旅客、車輛、行包流線沒有交叉干擾。

(2)節(jié)能與能源系統(tǒng)方面

①優(yōu)化客站的體形系數(shù)和圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能，提高客站建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能率。應(yīng)考慮建筑窗墻比、可見光透過率等因素，盡可能使建筑擁有良好的自然采光效果。

②玻璃幕墻設(shè)計應(yīng)符合GB/T18091—2015《玻璃幕墻光學(xué)性能》，避免產(chǎn)生光污染；客站廣場照明設(shè)計與燈具選用合理，其眩光限值應(yīng)符合JGJ/T163—2008《城市夜景照明設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定。

③結(jié)合當?shù)貧夂蚝妥匀毁Y源條件，合理利用可再生能源，如太陽能光伏發(fā)電、地源熱泵等。

④根據(jù)當?shù)氐臍夂蛱攸c和能源狀況，合理選擇空調(diào)和供暖系統(tǒng)的形式，提高設(shè)備和系統(tǒng)效率；優(yōu)化控制策略，提高空調(diào)供暖系統(tǒng)的節(jié)能率。

⑤根據(jù)客站的負荷特點和空間使用特性，合理劃分空調(diào)分區(qū)；合理選配空調(diào)冷熱源機組臺數(shù)與容量，根據(jù)客站負荷特性，指定空調(diào)系統(tǒng)控制策略，達到節(jié)能效果[15]。

⑥鐵路客站冷熱源、輸配系統(tǒng)和照明等各項能耗應(yīng)分項計量；供暖通風和空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)具備完善的全年運行控制策略[16]。

⑦候車廳配備CO2實時監(jiān)測系統(tǒng)，并與送排風設(shè)備聯(lián)動；地下車庫應(yīng)設(shè)計CO濃度監(jiān)測系統(tǒng)。

⑧應(yīng)根據(jù)各個區(qū)域的照明需求，進行鐵路客站照明的分區(qū)智能控制，并充分利用自然采光和背景照明。

(3)節(jié)水與水資源利用

①應(yīng)采用用水效率等級較高的衛(wèi)生器具。

②站臺及衛(wèi)生間等雜用水采用再生水、雨水等非傳統(tǒng)水源，其用水量比例大于50%；非傳統(tǒng)水源利用率大于30%。

5 結(jié)束語

詳細介紹了清河站在綠色設(shè)計方面的創(chuàng)新點、主要采用的綠色節(jié)能技術(shù)及方式，總結(jié)了大型鐵路站房的星級綠色設(shè)計評價關(guān)鍵技術(shù)，希望對其他鐵路站房的星級認證工作有所借鑒。