京张高铁清河站站房绿色设计研究

收稿日期:20190918
基金项目:中铁工程设计咨询集团有限公司科技开发计划课题(研2017-26);2019北京市科技服务业促进专项课题㊂
作者简介:欧　宁(1962 ),男,1987年毕业于湖南大学建筑学专业,高级工程师㊂
文章编号:16727479(2020)01000106
京张高铁清河站站房绿色设计研究
欧　宁
(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京　100055)
摘　要:京张高铁清河站是全国首个采用‘绿色铁路客站评价标准“进行评价㊁并获得三星级设计标识的铁路客站项目,在绿色建筑设计方面具有一定的前瞻性和实践性㊂首先介绍了清河站的设计概况与特点,阐述了铁路站房绿色设计发展的现状及研究的必要性,然后从土地利用集约化㊁土建装修一体化㊁智能遮阳百叶选取㊁光导管使用等方面,对清河站围护结构的节能率㊁自然采光㊁气流组织等进行模拟分析,对清河站的绿色设计及创新进行重点研究,最后总结了铁路站房绿色设计的特点㊁优劣势及星级评价关键技术㊂
关键词:京张高铁;铁路站房;绿色设计;
设计评价中图分类号:TU201.5 文献标识码:A DOI:10.19630/ki.tdkc.201909180015
开放科学(资源服务)标识码(OSID):
Research on Green Building Design of Qinghe Station in
Beijing-Zhangjiakou High⁃speed Railway
Ou Ning
(China Railway Engineering Design and Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)
Abstract :The Qinghe Station of the Beijing -Zhangjiakou High⁃speed Railway is the first railway station project evaluated by the Evaluation Standard for Green Railway Stations in China,winning the three⁃star
design logo.It is foresighted and practical in terms of green building design.This paper first introduces the design and characteristics of the Qinghe Station and indicates the current development and research necessity of the green design for railway station buildings.The green design and innovations of the Qinghe Station are
then emphatically studied from two aspects:(1)Major green technologies adopted in the design of the station,including the intensive utilization of land,the integration of civil construction and decoration,the use of intelligent louvers,and the use of light pipes;(2)Simulation analysis of the enclosure structures of the station by computer,including the energy saving rate,the natural lighting,and the air distribution.Finally,this
paper summarizes the characteristics,advantages,and disadvantages of the green design of the railway station buildings as well as the key technology of the star rating,which is expected to play a leading and demonstrating role in the design and construction of the green passenger railway stations in the new era.Key words :Beijing -Zhangjiakou High⁃speed Railway;Railway station buildings;Green design;Design evaluation
1　清河站设计概况
京张高铁不仅是2022年冬奥会的交通保障线㊁京津冀一体化发展的经济服务线,也是京张铁路百年历
史的文化线㊁展示中国高铁建设成果的示范线㊂清河站作为京张高铁的第二站,不仅承担着京张铁路普速车及部分动车的始发功能,同时也是冬奥会交通保障线的起始站㊂
清河站包括国铁㊁地铁㊁市政三部分工程,为综合
交通枢纽,总建筑面积为14.6万m 2(见图1)㊂建筑主体为地上2层,局部设置夹层,地下2层,建筑高度为40.45
m㊂
图1　清河站鸟瞰
清河站为高架车站㊂地下二层为昌平线南延线及
19号支线的站台层㊁地铁区间㊂地下一层为铁路出站大厅㊁快速进站厅㊁车库㊁地铁站厅㊁非付费区及设备用房等㊂首层为铁路进站大厅㊁铁路及地铁13号线站台等㊂二层为铁路高架候车厅㊂
2　铁路站房绿色设计现状及研究2.1　铁路站房绿色设计发展现状
车站是服务于铁路旅客的重要设施,也是城市综合交通最重要的节点[1]㊂
铁路站房为公共交通建筑,具有一定的特殊性,如
空间高㊁人流量大㊁运营时间长㊁能源消耗大[2]等㊂另外,站房功能组成与住宅㊁商业㊁办公等民用建筑项目有着明显的差别(包括进站厅㊁候车厅㊁售票厅㊁出站厅等),具有鲜明的行业特性㊂因此,在绿色建筑设计方面亦应区别于普通民用建筑㊂在铁路客运站的建筑设计中,如何根据建筑使用特征和区域气候特征进行有效的绿色设计,实现建筑的高舒适㊁低能耗,是需要考虑的重要问题[3]㊂
为了实现铁路客站的绿色设计,铁道部经济规划
研究院会同有关单位,编制了TB /T10429 2014‘绿色铁路客站评价标准“㊂由于编制时间问题,该标准主要参照2006版GB /T50378 2006‘绿色建筑评价标准“,而该标准在2015年即被GB /T 50378 2014‘绿色建筑评价标准“替代㊂与此同时,2015年相继发布了GB 50189 2015‘公共建筑节能标准“和北京市DB11/687 2015‘公共建筑节能设计标准“,标准的更迭也极大地影响着绿色铁路客站的建设和评价㊂
京张高铁是国内首次按照绿建标准建设的高铁项目,清河站亦为全国首个采用TB /T10429 2014‘绿色铁路客站评价标准“进行评价㊁并获得三星级设计标识的铁路客站项目㊂目前已获得了由中国城市科学研究会颁发的绿色铁路客站三星级设计标识证书以及由美国绿色建筑委员会颁发的LEED 金级预认证证书㊂
2.2　研究的必要性
清河站是全国第一个采用TB /T 10429-2014‘绿
色铁路客站评价标准“的三星级绿色铁路客站项目,如何将该标准与现行的GB /T50378-2014‘绿色建筑评价标准“和北京市DB11/687-2015‘公共建筑节能设计标准“有机衔接,创建一个技术先进㊁内涵丰富的绿色铁路客站,没有先例可循㊂因此,对其进行研究非常必要㊂
另外,作为奥运重点工程之一,如何将清河站的绿色设计与国际接轨也是应该考虑的问题㊂在世界各国的各类建筑环保评估㊁绿色建筑评估以及建筑可持续性评估标准中,美国的LEED(Leadership in Energy &Environmental Design Building Rating System)被认为是最完善㊁最有影响力的评估标准,在全世界获得了广泛应用[4-5]㊂在工程预算有限的情况下,如何将LEED 认证要求与清河站的功能设计有机结合,在低增量甚至无增量成本的条件下去创建LEED 认证的绿色站
房,就显得尤为重要[6]㊂
同时,作为取得绿色铁路客站三星级以及LEED
金级预认证的首个铁路站房,通过对清河站在绿色设计方面的研究,总结出铁路站房绿色设计关键技术也非常重要㊂
3　清河站绿色设计及创新点
以绿色铁路客站三星级为目标,设计构思上采用了诸多绿色可持续技术措施:利用下沉广场有效改善地下采光,引入自然光及自然通风,采用高效机电设备和LED 照明灯具,采用一级节水器具,将市政中水用于冲厕及车库地面冲洗,室内设置二氧化碳传感器控制新风量,对室内污染物进行有效监控等[5]㊂
3.1　清河站房绿色设计创新技术
(1)土地集约化利用
清河站西侧紧邻运营中的城铁13号线以及运营中的京新高速公路,东侧紧邻城市现状办公用房及住宅,用地条件极为局促㊂如何在有限的用地空间内实现国铁㊁地铁㊁公交㊁出租等的高效换乘,是设计思考的重点和难点㊂且现状用地被运营中的线路及铁路站场完全打断,形成了割裂的城市现状(见图2)㊂
图2　清河站割裂的城市空间现状
计划对城铁13号线进行改造,将清河段的高架线路落地,与铁路站场同场布置,不仅有效地节约了空间,同时大大减少了三条地铁间㊁地铁与国铁间的换乘距离,提高了交通效率㊂
将西侧京新高速桥下空间做下挖处理,设计为站前广场㊁公交车场及出租车场㊂利用东侧有限的道路空间,采用立体交通的设计手法,使清河站与东部城区完美结合,达到了畅通融合的目的㊂
最后,在有限的建设用地上,合理布置国铁㊁地铁的各项功能空间,在国铁和地铁流线简洁㊁畅通㊁不交叉的前提下,在地下一层实现了国铁㊁地铁的 零换乘”㊂并且在地下一层实现了东西两侧居民的自由通行, 织补”了城市空间,见图3㊁图
4㊂
图3　清河站剖透视
(2)清河站土建装修一体化
清河站公共区室内装修及外立面装修中处处秉承着 重结构㊁轻装修㊁简装饰”的设计理念㊂
在地下一层公共区(面积约2.6万m 2
),为了减少
柱子,提高层高,创造良好的空间效果,采用了 站桥一体”的结构形式,柱距达到25m㊂大厅内桥墩㊁盖梁均采用了清水混凝土一次浇注成型,
不做任何外装饰
图4　地下一层换乘通廊效果
(即直接采用现浇混凝土的自然表面效果作为饰面)㊂另外,在东西两侧下沉广场及地下一层西侧安检大厅等区域亦采用了清水混凝土的处理方式,整个空间朴实㊁现代㊂
(3)建筑造型设计与环境相呼应
清河站屋面由东向西逐渐升起,形成了优美大器的曲线造型㊂西侧面向西山,为候车厅乘客赢得怡人的自然视野;东侧屋面较低,与东侧既有的建筑体量相呼应,降低了庞大体量的站房对周边环境的压迫感(见图5)㊂西立面采用7跨A 型柱与玻璃幕墙相结合的处理手法,结合屋面出挑,与G7高速桥形成了三段式的布局,与中国传统建筑的神韵相得益彰,达到了用现代的建筑语言表达中国传统建筑文化的效果
㊂
图5　清河站南立面
　图6　清河站西立面效果
(4)清河站智能百叶遮阳技术应用
清河站主立面朝向西侧(即175m 面宽的高架候
车厅朝向西侧),优点是候车厅有良好的视线景观,能够看到西山的优美景色,缺点是西晒带来的弊端㊂如何实现西晒与视线景观的平衡,是设计需要思考的重点和难点㊂
针对清河站西立面大面积的玻璃幕墙,西向设计了长约19m 的大屋檐出挑,以达到西立面上部空间的遮阳效果㊂立面下部(距顶约7.1m 的以下部位)设计了智控翼帘型百叶建筑遮阳系统(以下简称智能百叶遮阳),弥补了玻璃幕墙不利于遮挡热辐射的缺
陷[7](见图6)㊂抗风横梁及竖向抗风杆件设置在幕墙外侧,利用百叶系统进行遮挡,使清河站室内为完整的玻璃面㊂
智能百叶遮阳系统可以有效阻隔太阳光的直射,与没有任何遮阳的情况相比较,百叶可以切断60%左右的热量,还可以起到美化建筑外部形象的效果㊂百叶的翻转角度可以根据需要调节,夏季可以遮挡阳光,防止室内温度上升;冬季可以阻挡外流的热量,兼具一定的保温效能[7]㊂
(5)清河站光导照明技术应用
清河站站台总长度为550m,北端约185m 采用钢结构无柱雨棚,南端365m 范围上方为站房及落客平台,从而导致了位于站房及落客平台区域的站台空间采光困难,电照明系统需长时间维持在开启状态,耗电量大㊂为了创造良好的站台空间,并达到节约能源的目的,在清河站南北落客平台区域设置了光导管系统(见图
7)㊂
图7　清河站二层平面
光导照明系统利用自然光照明,可代替日间电照明,有效降低建筑能耗㊂使用原理为通过采光罩将太阳光进行收集捕捉,由导光管进行传输,通过漫射器将自然光洒向室内[8]㊂
光导照明系统将自然光引入站台区域,提供日间
照明,与LED 光源结合使用,可提供恒定舒适的照明效果㊂另外,清河站光导管采光罩采用了平顶式和球形相结合的形式,以满足在绿化带㊁行车道等不同部位的布置需求㊂其中,平顶式采光罩面板可满足20t 以下车辆(如小汽车㊁大巴车㊁消防车等)通过㊂图8为站台空间光导管照明实景
㊂
图8　站台空间光导管照明实景
3.2　清河站房计算机模拟分析技术的应用
在绿色设计方面,借助计算机对围护结构的节能
率㊁自然采光及大空间气流组织进行了模拟研究[9]㊂
(1)清河站围护结构节能率模拟研究
在外维护方面,采用清华大学自主研发的能耗模拟计算软件DeST-C 进行三维建模,重点研究了围护结构不同热工性能参数对于空调冷热负荷的影响[10],
分析了外墙传热系数㊁外窗太阳得热系数㊁窗墙比等对清河站全年累计冷热负荷的影响㊂图9为外墙传热系数对于总负荷的影响趋势
㊂
图9　清河站外墙对总负荷的影响
清河站主立面朝向西侧,涉及到西晒与景观的矛盾,即立面越开敞,视线景观越好,但西晒问题越严重;反之亦然㊂为此,针对西立面,采用了外遮阳㊁内遮阳㊁百叶间距㊁铝板与幕墙结合4个方案进行负荷模拟计算(见表1),确定了百叶进深及间距为500mm 的方案,并根据太阳高度角变化给出外遮阳范围建议(见图10),实现了景观与西晒的平衡㊂
表1　不同遮阳方案负荷计算
对比指标方案一
方案二
方案三
方案四
幕墙形式
横向外遮阳百叶,百叶进深及间距340mm 横向内遮阳百叶,百叶进深及间距340mm
横向外遮阳百叶,百叶进深及间距500mm 铝板幕墙与玻璃幕墙相结合西向窗墙比0.900.90
0.90
0.7
空调采暖能耗及费用
夏季空调能耗较方案一升高16.2%,冬
季采暖能耗比方案一略低
夏季空调能耗和冬季采暖能耗与方案一基本相同
夏季空调能耗较方案一升高9.6%,冬季采暖能耗较方案一降低1%
(2)清河站自然采光模拟研究根据清河站的设计条件,采用了采光模拟计算软
图10　不同太阳高度角的遮阳效果
件Ecotect 进行三维建模,分析在外窗玻璃不同可见光透过率的情况下,清河站的自然采光效果㊂
采光分析模型的参数设置如下㊂玻璃可见光透过率:0.2,0.3,0.4;光气候区:Ⅲ区;室外天然光设计照度:15000lx㊂由采光模拟分析可知,主要功能区均可满足采光要求㊂图11为典型空间候车厅室内采光模拟结果
㊂
图11　候车厅室内采光模拟结果
(3)清河站气流组织模拟研究
采用FLUENT 软件对项目建成后的室内风环境进行预测㊁分析及评价㊂FLUENT 是专业的人工环境系统分析软件,可以精确地研究流体的流动㊁传热和污染等物理现象,准确地模拟通风系统的空气流动㊁空气品质㊁传热及舒适度等问题[11]㊂
售票厅:在冬季工况下,1.5m 人行平面的平均温
度为18.2℃,接近设计温度(18℃),室内平均风速为
0.16m /s,满足设计参数要求㊂在夏季工况下,1.5m 人行平面的平均温度为27.3℃,接近设计温度(27℃),室内平均风速为0.22m /s,满足设计参数要求㊂
候车厅:在冬季工况下,1.5m 人行平面的平均温
度为18.1℃,接近设计温度(18℃),室内平均风速为0.21m /s,满足设计参数要求㊂在夏季工况下,1.5m
人行平面的平均温度26.1℃,接近设计温度(26℃),室内平均风速为0.23m /s,满足设计参数要求㊂售票厅候车厅平面温度分布见图
12㊂
图12　售票厅候车厅平面温度分布
4　铁路车站星级绿色设计评价
结合清河站的设计经验,梳理‘绿色铁路客站评价标准“和LEED 评估标准的技术要求,进一步总结铁路车站星级绿色设计评价关键技术,以期指导其他站房的星级评价㊂
4.1　铁路站房设计特点
铁路站房客流密度大㊁运行时间长,电梯㊁电热水器等用电设备使用频率高㊂
铁路站房外部由站前广场㊁站房和站台三部分组
成㊂火车站内部空间主要包含候车厅空间㊁人口大厅空间㊁出站厅空间㊁通廊空间及其他辅助空间(办公㊁设备㊁商业等),其显著特点是空间开敞性较大且大小空间并
存㊂候车厅大空间占据主导地位,小空间多位于大空间下部或边界处,内部的候车厅㊁人口大厅都属于高大空间,其温度㊁气流分布都具有一定的特殊性[12]㊂
寒冷气候区火车站常采用连续屋面,呈中高侧低
状㊂屋面起伏与造型会影响到太阳辐射量的获取和风速㊂与平屋面相比,起伏屋面的表面积更大,冬季可以吸收更多的热量㊂在夏季,起伏大的屋面更容易带走屋面的热量[13]㊂
外立面常常大量使用玻璃幕墙,由于稳定性㊁经济性
和防噪声等要求,玻璃幕墙常常做成封闭状,可开启面积受限㊂为确保旅客方便㊁快捷㊁无障碍地通过和疏散,火车站的售票厅大门和进站大门必须长时间开启[18]㊂
4.2　铁路站房绿色设计优劣分析
技术优势:公共交通体系发达,交通流线及标识设
计合理,自然采光和自然通风良好,节能照明灯具普及率高,可再生能源利用条件较好,节水器具及用水计量普及率高,钢结构及预制构件利用率高,智能化系统普及率高,土建与精装一体化程度高㊂
技术劣势:室外绿化率低,硬质铺装面积大,不利于降低热岛效应和控制雨水径流总量;室外广场空旷,冬季室外风环境较为恶劣;广场照明设计滞后,不利于严格控制夜间光污染;窗墙比大,不利于围护结构节能;采用规则形体存在一定困难;室内噪声控制存在一定难度㊂
4.3　绿色铁路站房星级关键技术
(1)节地与室外环境方面
①站房选址应尽量遵循以下设计原则:新建铁路选线应尽量减少对城市的分割;新建车站选址尽可能在中心城区或靠近城市建成区[14]㊂
②铁路客站的建筑布局应结合地形条件,减少对原有地貌的破坏㊂
③铁路客站广场的交通组织方案应遵循公共交通优先的原则:交通站点布局合理,进出站旅客分流,旅客㊁车辆㊁行包流线没有交叉干扰㊂
(2)节能与能源系统方面
①优化客站的体形系数和围护结构的热工性能,提高客站建筑围护结构节能率㊂应考虑建筑窗墙比㊁可见光透过率等因素,尽可能使建筑拥有良好的自然采光效果㊂
②玻璃幕墙设计应符合GB/T18091 2015‘玻璃幕墙光学性能“,避免产生光污染;客站广场照明设计与灯具选用合理,其眩光限值应符合JGJ/T163 2008‘城市夜景照明设计规范“的规定㊂
③结合当地气候和自然资源条件,合理利用可再生能源,如太阳能光伏发电㊁地源热泵等㊂
④根据当地的气候特点和能源状况,合理选择空调和供暖系统的形式,提高设备和系统效率;优化控制策略,提高空调供暖系统的节能率㊂
⑤根据客站的负荷特点和空间使用特性,合理划分空调分区;合理选配空调冷热源机组台数与容量,根据客站负荷特性,指定空调系统控制策略,达到节能效果[15]㊂⑥铁路客站冷热源㊁输配系统和照明等各项能耗应分项计量;供暖通风和空调系统应具备完善的全年运行控制策略[16]㊂
⑦候车厅配备CO2实时监测系统,并与送排风设备联动;地下车库应设计CO浓度监测系统㊂
⑧应根据各个区域的照明需求,进行铁路客站照明的分区智能控制,并充分利用自然采光和背景照明㊂(3)节水与水资源利用
①应采用用水效率等级较高的卫生器具㊂
②站台及卫生间等杂用水采用再生水㊁雨水等非传统水源,其用水量比例大于50%;非传统水源利用率大于30%㊂
5摇结束语
详细介绍了清河站在绿色设计方面的创新点㊁主要采用的绿色节能技术及方式,总结了大型铁路站房的星级绿色设计评价关键技术,希望对其他铁路站房的星级认证工作有所借鉴㊂
参考文献
[1]　郑健.中国高铁客站的创新与实践[J].铁道经济研究,2010(6):
1-3.
[2]　李琴波,王立雄,党睿,等.基于热舒适度的火车站候车厅节能设
计与改造方法[J].建筑节能,2014,42(3):97-102.
[3]　王芳,王力.太原高铁客运站站房建筑[J].工业建筑,2014,44
(4):171-173.
[4]　赵敬源,黄志勇.LEED V4与‘绿色建筑评价标准“的对比研究
[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2017,49(3): 408-415.
[5]　李婉斌,刘伊生.美国‘能源与环境设计先导“(LEED)评价标准
对中国‘绿色建筑评价标准“的启示[J].铁道标准设计,2015, 59(8):173-178.
[6]　滕佳颖,吴贤国,张立茂,等.我国绿色认证项目技术的应用现状
及发展建议[J].建筑技术,2014,45(12):1111-1114.
[7]　黄永.智能百叶与建筑遮阳[J].华中建筑,2003,21(5):77-78.
[8]　马卫武,孙政,周谦,等.夏热冬冷地区客运站候车室夏季热舒适
性[J].土木建筑与环境工程,2009,31(5):100-105.
[9]　黄旭.浅析光导照明的应用[J].能源与节能,2013(10):51-53.
[10]林波荣.绿色建筑性能模拟优化方法[M].北京:中国建筑工业出
版社,2016.
[11]曹志鹏,王瑾,殷文华.地铁车站与交通枢纽结合方案研究[J].铁
道标准设计,2018,62(11):97-102.
[12]邓琴琴,杨旭东,高鹏.建筑热环境和室内空气质量综合模拟软件
介绍[J].建筑科学,2009,25(10):1-5.
[13]盛晖,李传成.绿色铁路旅客站建筑设计探讨[J].铁道经济研究,
2010(1):24-30.
[14]杜晓辉,李晓波.国内外铁路客站室内环境热舒适性研究进展综
述[J].创意设计源,2018(1):47-51.
[15]严芬.绿色铁路旅客站建筑设计空间策略研究[D].武汉:武汉理
工大学,2012.
[16]马卫武.铁路客运站候车环境与能耗研究[D].长沙:中南大
学,2009.
[17]周皓华,杨坤丽.我国大型铁路客站能耗特点及其影响因素研究
[J].四川建筑,2012,32(3):43-44.
[18]唐雅男,刘俊山.基于地域性和文化性的城市交通枢纽建筑设计
[J].铁道工程学报,2017,34(10):78-82.。