基于數(shù)值模擬的高鐵站房頂部開窗形式的采光優(yōu)化研究

金海魁 [同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司， 上海 200092]

在建筑物的設(shè)計階段，其室內(nèi)光環(huán)境是設(shè)計師重要的考量指標(biāo)。光環(huán)境對人類的工作生活都產(chǎn)生重要的影響。隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，無論是公共建筑還是私人住宅，建筑物良好的自然采光已經(jīng)成為必不可少的需求和條件。良好的采光對于提高生活品質(zhì)、工作效率、舒適度和節(jié)能水平都具有重要的意義[1-3]。

借助相關(guān)軟件對建筑物的采光進(jìn)行前期模擬優(yōu)化已成為建筑設(shè)計中的重要組成部分。相關(guān)文獻(xiàn)對此有相關(guān)介紹，多數(shù)文獻(xiàn)只針對綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)和建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)得分和達(dá)標(biāo)進(jìn)行設(shè)計[4-7]。本文基于自然采光模擬分析軟件 IES（簡稱 VE）建筑環(huán)境集成分析軟件自然采光分析模塊 FlucsDL，對高鐵站房等大型公建頂部開窗形式進(jìn)行多工況優(yōu)化模擬[8]，對頂部開窗形式給出具體指導(dǎo)建議，并總結(jié)開窗形狀和面積對采光系數(shù)和照明系統(tǒng)節(jié)能效率的影響，以達(dá)到指導(dǎo)前期建筑采光設(shè)計的目的。

1 項目概況

安徽省合肥高鐵站房項目約 8 萬 m2，站房四周側(cè)面開窗面積為 5374 m2，分為換乘大廳、廣廳和部分商業(yè)夾層等。合肥屬于 IV 類中國光氣候區(qū)，光氣候系數(shù)K值為 1.1。由于合肥高鐵站房既有側(cè)面采光也有頂部采光，按照最不利工況，交通建筑進(jìn)站廳和候機(jī)（車）廳采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值取 3.0%，根據(jù) GB 50033—2013《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，所在地區(qū)的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)乘以相應(yīng)地區(qū)的光氣候系數(shù)K值，因此高鐵站房距地面 0.75 m 平面上的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值取 3.3%，室內(nèi)天然光照度標(biāo)準(zhǔn)值為 450 lx。圖 1 為高鐵站房頂部未開窗三維建模圖。

圖1 三維建模圖

2 模擬結(jié)果分析

2.1 方案介紹

合肥高鐵站房項目采光設(shè)計方案采用側(cè)面開窗和頂部開窗結(jié)合的方式，為達(dá)到理想采光效果，共計設(shè)計 5 種頂部開窗方案，在面積和形狀上具有不同特性。由于大型交通建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體量龐大的緣故，具體的頂部開窗面積無法通過理論或經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計，因此建筑整體設(shè)計方案在保證建筑物外觀、結(jié)構(gòu)安全性等方面合理的基礎(chǔ)上設(shè)計側(cè)窗，在保證側(cè)窗位置大小不變的情況下根據(jù)模擬結(jié)果確定頂部開窗形狀和面積。其中方案一設(shè)計方案為基礎(chǔ)模型，即側(cè)窗＋頂部未開窗模型，頂部開窗面積為 0 m2；方案二為側(cè)窗＋格子狀開窗模型，頂部開窗面積為 1708 m2；方案三為側(cè)窗＋多橫條狀天窗模型，頂部開窗面積為 2002 m2；方案四為側(cè)窗＋多豎條狀天窗模型，頂部開窗面積為 2441 m2；方案五為側(cè)窗＋單矩形狀模型，頂部開窗面積為 4267 m2。圖 2 為 5 種頂部開窗模型。

圖2 方案模型

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 模擬結(jié)果

根據(jù)上述 5 種頂部開窗模型分別進(jìn)行優(yōu)化模擬，其中第一種基礎(chǔ)模型（頂部未開天窗）未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，其余 4 種頂部開窗的模型均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，模擬結(jié)果如表 1 和圖 3 所示。

表1 5 種模型采光系數(shù)及平均照度值的模擬結(jié)果

圖3 方案模擬結(jié)果

2.2.2 分析計算

根據(jù)上述模擬結(jié)果，本文主要從 3 個方面開展分析計算。第一點(diǎn)主要分析計算頂部開窗面積對采光系數(shù)的影響，以確定高鐵站房的最佳頂部開窗面積，并對大型交通建筑采光設(shè)計提出指導(dǎo)性意見。第二點(diǎn)主要分析建筑設(shè)計階段采光節(jié)能效果。第三點(diǎn)主要分析高鐵站房頂部開窗形狀對自然采光分布的影響[9-10]。

（1）頂部開窗面積對采光系數(shù)的影響。通過上述指標(biāo)和模擬結(jié)果顯示，高鐵站房頂部開窗面積對采光系數(shù)和照度平均值具有很大的影響。本文對大型交通建筑頂部開窗面積進(jìn)行量化分析計算。表 2 為 5 種方案模擬結(jié)果及對應(yīng)面積表。

表2 5 種方案模擬結(jié)果及對應(yīng)面積表

根據(jù) 表 2 數(shù)據(jù)，對采光系數(shù)和頂部開窗面積增長比例進(jìn)行非線性擬合。通過非線性擬合得知，頂部開窗面積增長比例的速率和采光系數(shù)增長比例的速率是基本同步增長的。其中方案二至方案五相對方案一的采光系數(shù)增長比例和面積增長比例如圖 4 所示。

圖4 采光系數(shù)和面積增長比例

由圖 4 可知，采光系數(shù)與頂部開窗面積呈正相關(guān)，并且具有很好的近似等比例增長關(guān)系。根據(jù)上面曲線可以判定并擬合得到采光系數(shù)與頂部開窗面積的關(guān)系曲線，公式為y=0.001846x＋0.6467，詳見圖 5。

圖5 采光系數(shù)與頂部開窗面積擬合曲線

根據(jù) GB 50033—2013 中 3.03 條規(guī)定，采光標(biāo)準(zhǔn)的上限值不宜高于上一采光等級的級差，采光系數(shù)值不宜高于 7%，主要原因是考慮到夏季太陽輻射對室內(nèi)產(chǎn)生的過熱影響以及由此引起的不舒適眩光。 GB 50033—2013 中對于交通建筑的采光標(biāo)準(zhǔn)制定依據(jù)有詳細(xì)的數(shù)據(jù)實(shí)測結(jié)果，其中結(jié)果顯示如表 3 所示。

表3 進(jìn)站大廳、候機(jī)（車）大廳實(shí)測結(jié)果

根據(jù) GB 50033—2013 中的規(guī)定和交通建筑的采光標(biāo)準(zhǔn)制定依據(jù)，可將合肥高鐵站房采光系數(shù)最大確定為 7.0%，最小確定為 3.3%，以此達(dá)到良好的采光效果評價，并由采光系數(shù)和頂部開窗面積的擬合曲線來得到頂部開窗面積最大為 3441 m2，最小為 1437 m2。

由上述結(jié)果可知，對于合肥地區(qū)大型交通建筑及公共建筑設(shè)計階段，本文對于頂部開窗面積預(yù)估和采光優(yōu)化設(shè)計具有一定的借鑒意義，并且對于其他地區(qū)類似建筑也具有一定的意義和實(shí)用基礎(chǔ)[11]。

（2）自然采光節(jié)能效果評價。由 GB 50033—2013 中 7.07 條可知，對于自然采光可節(jié)省的照明用電量宜按式（1）進(jìn)行計算。

式中：We—可節(jié)省的年照明用電量，kWh/(m2·a)；

Pn—房間或區(qū)域的照明安裝總功率，W，由于高鐵站房的重要性及特殊性，根據(jù) GB 50034—2013 中規(guī)定的交通建筑照明功率密度限值中的目標(biāo)值＜6.0 W/m2選取，高鐵站房共計80000 m2左右，因此可取 480000 W;

tD—全部利用天然采光的時數(shù)，h，按標(biāo)準(zhǔn)取 3055 h；

t'D—部分利用天然采光的時數(shù)，h，按標(biāo)準(zhǔn)取 802 h；

FD—全部利用天然采光時的采光依附系數(shù)，取 1；

F'D—部分利用天然采光時的采光依附系數(shù)，在臨界照度與設(shè)計照度之間的時段取 0.5。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可知，高鐵站房具有良好的自然采光時，年節(jié)約照明用電量可達(dá)到 1658 880 kWh。

（3）頂部開窗形狀對自然采光分布的影響。由方案二至方案五模擬結(jié)果顯示可知，采用方案二側(cè)窗＋格子狀開窗模型的采光分布最好，采光系數(shù)最大值為 10%，采光分布均勻，頂部開窗垂直觀察面的采光系數(shù)平均值為 7.5% 左右；采用方案三側(cè)窗＋多橫條狀天窗模型時采光分布相對方案 1 次之，采光系數(shù)最大值為 10.5%，頂部開窗垂直觀察面周邊采光系數(shù)平均值在 9.5% 左右，相對較高；采用方案四側(cè)窗＋多豎條狀天窗模型時采光分布相對方案三次之，采光系數(shù)最大值為 14%，頂部開窗垂直觀察面周邊采光系數(shù)平均值在 12.5% 左右，容易產(chǎn)生眩光，對室內(nèi)環(huán)境和工作生活產(chǎn)生影響；采用方案五側(cè)窗＋單矩形狀模型時采光分布很不均勻，采光系數(shù)最大值為 24%，頂部開窗垂直觀察面中心區(qū)域采光系數(shù)平均值在 23% 左右，極大影響室內(nèi)環(huán)境和人員的生產(chǎn)生活。

根據(jù)上述分析，對于具有頂部開窗采光需求的大型交通建筑，在保證滿足 GB 50033—2013 中采光系數(shù)要求的前提下，在頂部開窗盡量避免方案五單個大面積獨(dú)立開窗，優(yōu)先采用格子狀開窗模型。

3 結(jié)語

根據(jù)上述對高鐵站房多方案優(yōu)化模擬，得到如下結(jié)論。

（1）通過對合肥高鐵站房頂部開窗方案的優(yōu)化計算可知，站房采光系數(shù)與頂部開窗面積具有很好的線性關(guān)系。依據(jù)兩者的線性關(guān)系，對具有頂部開窗需求的大型交通建筑可以高效指導(dǎo)前期采光設(shè)計中的頂部開窗面積大小。

（2）通過模擬優(yōu)化，本項目合肥高鐵站房可具有良好的自然采光效果。根據(jù)相關(guān)分析計算項目建筑物年節(jié)約照明用電量預(yù)期可達(dá)到 1658 880 kWh。

（3）通過分析頂部開窗形狀對自然采光分布的影響可知，對于具有頂部開窗采光需求的大型交通建筑，頂部開窗不應(yīng)選取方案五中單個大面積獨(dú)立開窗模型，優(yōu)先采用方案二中格子狀開窗模型。