中國城市軌道交通的光、氣、聲優化思路

徐瑞

[摘 要]改革開放以來，中國交通的高速、高架、地鐵、快軌等立體交通的大規模建設，極大地促進了社會經濟發展。作為一種特殊地下空間建設項目，城市軌道交通建設已經成為改革開放前三十年中國從首都到各一線城市國際化的符號性標志。隨著新一輪改革的深入推進，作為緩解現代城市公共交通擁堵的重要手段，城市軌道交通也將繼續成為與今后中國新城鎮化建設配套的拓展性方向。在慶賀建設成績的同時，應該看到，中國的城市軌道交通設計與建設實踐，雖然取得了大量專業提升，但主要部分是發達國家城市軌道交通建設經驗、技術、設備的繼承，中國的城市軌道交通建設自有技術創新，仍處于局部摸索與調整過程中。尤其對城市軌道交通建成后的運行、維護缺乏深度提升，對交通樞紐車站的空間設計和乘車舒適度和安全隱患缺乏深度研究。其中，光、氣、聲三個環節是比較大的薄弱點。文章擬就此問題提出相關建設性思路。

[關鍵詞]軌道交通；光環境；氣環境；聲環境；優化定位

[DOI]10. 13939/j. cnki. zgsc. 2016. 06. 121

1 問題的提出

十八大以來，在肯定改革開放總成績的基礎上，黨中央正著力糾正追求短期效應，糾正急功近利政績觀，糾正城鎮化過程的浮躁之風。基于這種可持續的科學建設理念，我們可以直面中國城市軌道交通高速建設過程中被忽略的薄弱點，探尋進一步優化提升之道。光、氣、聲作為建筑環境學的核心內容，是城市軌道交通最直觀的呈現，是城市居民最容易感受的空間要素，其合理性的高低，直接影響城市軌道交通運維環境優劣與乘車舒適度。據觀察，中國大多數城市軌道交通在此三個環節的具體實踐，尚存在以下方面亟待優化的問題。

1. 1 光環境問題

1. 1. 1 光環境影響

光是太陽能量的直接體現，是人眼可觀察到的一種輻射電磁波。人類古老的宗教故事大多含有科學的基因，《圣經》第一章創世紀描述，“上帝創造世界的第一天是造光”。這個描述間接反映了光是地球生命的來源之一，反映了所有地球生物的趨光性本能。光是人類生活的依據，是建筑空間信息的最重要傳播媒質。

1. 1. 2 地鐵光環境薄弱表現

地下城市軌道交通環境二十四小時不見自然光，“造光”也是地鐵建設的第一要素。與地面太陽平行光照不同，地鐵空間內的人工光源會產生更多偏振和變化。因此燈光環境照明系統的設計布局直接影響著列車駕駛員和乘客在地鐵運維環境中的情緒、健康、安全以及車站整體裝飾效果。由于受比較落后的地面光環境設計理念影響，國內地鐵對光環境的關注仍然停留在功能性照明層面，多數布局為吊頂式的功能性照明，對地鐵照明的特殊性研究不夠，空間照明形式與地面同樣粗放雷同，再加上國內建筑環境不如西方傳統性的重視一定比例的地光、側光以及藝術照明，由此造成地鐵照明環境的眩光、頂部高光壓力以及明暗對比失調等現象，直接加大了乘客視覺壓力、添加了煩躁情緒，渲染了地鐵的非自然建筑氛圍；降低了地鐵環境科技氣氛以及傳達地域文化等方面的作用；相比發達國家地鐵，對地光和側光的忽略降低了乘車溫馨指數。隧道內行車信號燈不注意調節照明方向，常造成駕駛員視覺疲勞、犯困。不合理的各色廣告燈箱造成的眩光，不符合綠色照明理念，同時也影響了地鐵空間商業價值的提升。

1. 2 氣環境問題

1. 2. 1 氣環境影響

新鮮空氣是人類賴以生存的“后天之本”，無論在豪華或普通的環境，無論營養供給有多高，只要停止供給人類呼吸空氣，大腦在3、5分鐘內立刻缺氧死亡，生命即告消失。因此地鐵空間作為相對封閉的特殊環境，必須把調節新鮮空氣作為光照之外的第二運營要素。在法國科學家拉瓦錫通過實驗首先得出空氣是由氧氣和氮氣組成的結論之前，人們普遍視空氣為單一物質，認為只要不存在呼吸系統障礙，對空氣質量和成分的變化不用太敏感，這種意識也影響到了現代城市建設和建筑的多種弊端。城市軌道交通相對封閉的特殊環境，自然通風不足，通過空調系統調節溫濕度，不利于空氣污染物稀釋，又因缺乏日光照射，人群密集、流動性大，易引起疾病傳播。地鐵運行產生的金屬粉塵鉻、錳、鐵是重要污染源；地鐵系統地表之下土壤可釋放氡氣，存在一定程度的氡污染；隧道內空氣主要通過隧道通風設備攝取地面空氣，在通風過程中可能出現二次污染。

1. 2. 2 地鐵氣環境薄弱表現

目前國內建筑也對空氣質量的重視程度和處理措施設計，處于一般“不缺氧”層面。很多地鐵車站和車廂內忽略了對空氣設備的關鍵投資和設計優化研究，并未考慮到中國人口眾多，車廂擁擠的實際情況。沿用國外理想乘客人數呼吸空氣量設計，而在實際運行中，尤其上下班高峰時段的超量擁擠乘客，不僅通風量明顯不足，熱量遞增，還導致車廂和站臺空氣混濁，溫度升高。同時因鼓風系統設計不周全，空氣凈化設備不夠先進，新風流向設計不合理，整個地鐵空間成了影響健康和情緒的負面氣場。根據實際檢測，地鐵內PM2. 5濃度大大高于地面空氣中PM2. 5濃度。還有一些城市將衛生間建在車站內，又未安裝強力抽風設備，衛生間污穢分子運動、微生物污染輕易即進入地鐵整體空氣循環系統，加重了空氣質量污染。

1. 3 聲環境問題

1. 3. 1 聲環境影響

聲環境是指人們生活的聽覺環境，聲環境的品質優良與否直接關系到我們的生活的品質。地鐵隧道空間較小，主要噪聲來源包括列車在高速運行中和鐵軌之間產生摩擦產生的噪聲、列車主體振動產生的噪聲、列車運行對周圍建筑結構振動產生的噪聲、列車的鳴笛聲、人群發出的噪聲和設備運轉的噪聲等，這些噪聲在狹小的隧道空間內混響，造成人們“習以為常”的聲波污染。聲波環境是室內建筑品質高低的一個重要區別標志，公共建筑通常應極其重視消聲吸音的處理，以創造靜謐溫馨的氛圍。地鐵交通系統整體位于地下，其聲環境的質量對從業人員和乘客的身心健康尤為重要。

1. 3. 2 地鐵聲環境薄弱表現

深入研究傳遞聲波的建筑空間和材料介質，有效降低噪聲，優化運營過程的聲環境質量是地鐵建設必需的一個特殊環節，但因為國人素質以及文化差別等歷史原因和認識原因，創造和諧聲場的工作往往容易被一般化處理。一種觀念認為，地鐵列車高速運行所產生的環境噪聲是無法避免的要素，無須尋找解決辦法，唯有忍受；還有一種觀點認為，中國人喜歡熱鬧，對地鐵內其他噪聲源，如車站廣播通知音量、音樂背景音量以及廣告音量等因素的控制消減無須特別重視。諸如此類認識誤區，導致目前很多國內地鐵的乘車及候車環境噪聲擾人；車站和車廂裝修材質普遍偏硬，更反射各類次聲波和高頻噪聲刺激乘客聽覺，使處于高速運行環境中本來就具有無意識煩躁情緒的乘客更加不安。設計和建設人員面對車輛運行及設備產生的工作噪聲和人流噪聲，熟“聽”無聞、聽而不聞，缺乏有效弱化處理。優化改善地鐵空間的聲環境成為亟待解決的重要課題。

上述光、氣、聲要素的薄弱問題，目前在工程和學界雖有零星關注，但尚無系統化的研究，更無整體關聯的專題化研究。由于缺乏有效處理措施，加之中國地鐵軌道交通流量超常巨大，乘客容易因光污染而情緒煩躁激動，容易因空氣混濁而呼吸不暢情緒不爽，容易因噪聲刺激引起莫名緊張。這些被忽略的薄弱環節經常以負面形式提示我們：地鐵乘客之間煩悶口角、亂扔垃圾、動作粗野、擠破屏蔽門、動輒投訴運維質量等現象成為常態，甚至有人選擇地鐵空間自殺、擅自拉動緊急制動閘……簡言之，對光、氣、聲的忽略，不僅會造成工程、運營隱患，也容易成為模糊安全隱患，有必要盡快優化相關環節。

2 優化定位

2. 1 基于歷史的優化定位

從世界上第一條地鐵于1863年在倫敦建成至今，全球城市快速軌道交通的發展已積累了152年歷史，但作為特定的城市建筑空間類型，相比居住、商業、辦公等建筑類型，其建筑發展史非常短暫，其建筑空間特征并未形成一種較為穩定的公認的“形制”，這給我們提供了梳理與提煉的巨大空間和優化自信。

2. 2 基于人體與環境關系的優化定位

目前的地下交通環境在物理條件（光線、空氣、聲音、溫度、材料）和心理條件（視線、行為、溝通）等方面尚不夠理想。人們在封閉的地鐵空間環境中，容易產生安全顧慮和煩躁心理。對軌道交通的優化，需要環境心理學和人體工程學的思考。

2. 3 基于符號學的優化定位

符號是以某種物質信息承載的社會文化的集合。符號的使用是人類文明走向成熟的標志。地鐵不僅僅象征一個單純的交通建設項目，而是要通過冰冷的鋼筋水泥和設備體現火熱的經濟發展指向，是溫馨中國夢在城鎮化過程中的象征體現。軌道交通的優化，需要符號學參與標識性引導。

3 優化方向

3. 1 地鐵光環境優化

深入分析技術指標在營造光環境中的具體運用與細微差別，其中是地鐵光環境優化的前提：

（1）色溫：色溫是反映照明環境顏色的技術參數。低于3000K為暖光環境，高于5000K為冷光環境。色溫對空間大基調的影響很大。這就要求地鐵設計需要精心選擇光源，才能消除地下空間壓抑閉塞感，并營造不同功能區的氛圍。

（2）顯色性：反映人工光接近自然光的程度。顯色性越高，越近于自然舒適。重點空間如售票區和站臺區，以及地鐵工作人員長時間身處的管理控制用房，光源的顯色性都應認真分析比選。適當點綴穿插顯色性好的光源，對光的優化作用巨大。

（3）照度：特指單位面積內入射光的量（lux，LX），反映明亮程度，直接影響人的交通心理。應根據功能設計不同區域的照度，如站臺大部分空間照度應控制在150～200LX。票務室、信號控制室等管理控制空間的設計照度為300LX，以滿足運營管理。出入口照度應定為350LX左右，消除地面與地下過渡的視覺差距。

（4）均勻度：指照明均勻程度。光照均勻的空間，效果明快，公共性強；光照不均勻的設計則感覺含蓄、神秘。如在無須人流停留部分可將照度有意降低為150lx以下，并通過不均勻度造成照明感覺不適，使人流盡快向照度較好的區域移動，等等。這就是光環境的引導作用。

（5）眩光：指光源直射時，通過不同物體不同角度形成折射面，光線匯集成不規則強光，直射到入眼，使人的視覺產生強烈的不適反應。地鐵照明設計應考慮信號燈與人眼平行的后果、濫用廣告燈箱等眩光的影響。

（6）其他：除了一般通用緊急疏散應急照明，為適應地鐵特殊性，應增加獨立的安全通道指示等系統，在緊急時期照度驟然降低時產生引導效果。此外，車站光環境設計還應考慮白天、夜晚、停運清潔等不同時段，分區布光，滿足不同需要，節省能耗。再適當設置紫外線燈，嚴格管理，定期在地鐵停運時間使用，可有效避免因通風不良和潮濕而滋生病菌。

（7）前瞻：將自然陽光導入地下空間的拓展技術，日、德、美國等已有先例，技術簡單可行。用導光纖維將室外日光導入地下空間的環保照明，具有顯色性高、減少能、視覺舒適等優點。

3. 2 地鐵氣環境優化

3. 2. 1 與空氣質量有關的溫度控制

地鐵中的中央空調微環境問題普遍存在夏季與冬季的“熱”“冷”差異。提供冷量過小，難以滿足舒適性要求；過大幅度增加冷負荷，又會因溫度過低而偏離人體舒適區，也使人難以接受。夏季地鐵空間微氣候調控的過冷和過熱問題，乘客不滿率比冬季更高。必須實時監控地鐵空間和運營列車的微氣候環境，利用智能自動化系統調節。

3. 2. 2 與空氣質量有關的相對濕度

地下空間內水蒸氣含量高，相對濕度大、熱濕比高，不利于營造良好的微氣候環境。過于低溫潮濕，乘客容易著涼，發生支氣管炎及風濕性疾病。而高溫潮濕的微氣候環境會妨礙散熱，使體溫調節出現障礙。冬季地鐵相對濕度很低，非常干燥。夏季地鐵相對濕度比較適中，基本在ISO 7730規定的30%～80%的舒適區間之內，不易使人產生潮濕的不適感。通風減濕、升溫減濕即利用地面干燥空氣置換地下空間潮濕空氣或提升溫度，其他還有采用固體、液體吸濕等方法；加濕手段則相對簡單。

3. 2. 3 與空氣質量有關的通風

從嚴格的地下空間空氣品質要求出發，必須將污染物直接從污染源排除，使新鮮潔凈的空氣直接輸入地下。這就需要在以下幾個方面優化：

一是整體置換空氣：將新鮮空氣直接下送，使新鮮空氣以較小的擾動通過工作區，卷吸室內部分熱量和污穢空氣，在后續送風推動下，定向升至排風口排出。置換通風方式使污染物最快排除，最大限度地向工作區提供清潔空氣，以清潔空氣置換污染空氣，以最節能的方式使工作區溫濕度及舒適性得到滿足。

二是污染源頭控制：室內裝飾裝修材料是公認的最大污染源，應嚴格控制建筑材料品質，盡量使用無污染或低污染材料。必須使用含污染物的建筑材料時，必須進行預處理，盡力減輕污染物揮發濃度。

三是必須隔離產生污染物的空間（如柴油發電機室、蓄電池室、衛生間等），防止污染空氣在建筑物內產生交叉污染。應定期在空氣污染嚴重的區域強化換氣。

3. 3 聲環境優化

地鐵站內聲場分布為非擴散聲場，區間內聲源為線型聲源，地鐵車輛同行尤其是到站，以及環控設備運轉都會產生較大噪聲，且噪聲以低、中頻噪聲為主。

地鐵噪聲污染的防治和控制，有一個基本標準，即站臺聲壓級LP（A）<60dB，混響時間T60<1. 5秒。達不到此標準，將使站內人員產生不良生理反應，無法保證清晰的對話溝通。因此，采用隔聲構造設計，投資必要的吸聲、隔聲設備，是控制噪聲的重要手段。

3. 3. 1 聲場空間優化

站臺設置屏蔽門，將車輛通行區與站臺分隔；提高設備管理區和公共區之間隔斷墻的厚度和密實性；提高設備管理區和公共區之間門窗的氣密性，門內加設隔音材料，玻璃采用防火的中空玻璃；通過必要的構造做法減少設備管理區噪聲源和公共區之間的“聲橋”；構造搭接、連接的部分，以軟性連接為主。以上設備和構造措施因各種客觀原因不一定能夠采用和實施，而選用適當的材料進行吸聲和隔聲是切實可行的手段。

3. 3. 2 吸聲涂料優化

地鐵建筑主材是鋼結構和混凝土，以及各種硬質裝修材料，這些材料吸聲力弱。可行的優化方式，是在隧道頂棚、墻面等較大面積聲音反射部位，采用帶吸聲紙的穿孔金屬板吊頂和吸聲涂料進行吸聲處理。由于吸聲涂料本身的結構特點，涂覆與建筑結構表面的吸聲涂料可以對列車運行振動噪聲起到有效的阻尼吸聲作用。需要指出的是，地鐵吸聲涂料應避免使用目前市場銷售的一般吸聲材料，必須專門設計和特殊組配，集多種吸、消性能于一身。其性能必須符合環保要求；在-20℃～40℃溫度范圍內均能保持良好黏彈性，能在很寬的溫度范圍內對很寬音頻的聲波進行有效吸收。

3. 3. 3 穿孔金屬板吊頂優化

吊頂系統涉及聲學功能，尤其是“聲吸收”和“聲反射”這兩個特性。借助于吸聲孔和放置在板背面的吸聲材料使每一塊金屬面板非常容易地轉換成高度吸聲的聲學吊頂。金屬板后吸聲填充材料，有吸聲礦棉材料、纖維吸聲紙、密胺樹脂泡沫材料、吸聲羊毛和棉纖維等幾種。目前在地鐵車站等裝飾工程采用的一般是前兩種。吸聲礦棉材料是在穿孔金屬板后，填一層一定厚度內含良好聲學性能的薄膜礦棉板，再在礦棉板背面（可見面）粘貼黑色或白色纖維紙，通過復合方式達到吸聲減噪的目的。纖維吸聲紙也稱無紡吸聲布，標準顏色為黑色，業界多采用德國產產品，直接粘貼在穿孔板背面，以纖維紙的良好聲學性能產生吸聲減噪作用。穿孔的大小和穿孔率對金屬板的聲學性能有所影響，過大過小將影響或失去吸聲減噪作用，并影響到裝飾效果的表達。

4 結 論

城市軌道交通是一個巨系統，涵蓋多種學科，涉及多元功能要求。因此這種優化必須基于軌道交通系統與城市、生活、社會、經濟的整體關系思路，以舒適、節能、環保可持續優化架構，積極引入前沿智能化、數字化技術，融合環境學、統計學、心理學、符號學、社會學等多元理論，才能創造更為舒適宜人的中國城市軌道交通運維環境。

從觀念革新出發，應當把城市軌道交通的建設與運維作為一種文化，作為一種健康綠色舒適的出行方式與生活空間來對待。本文的思考價值，在于及時提高工程設計與施工的品質，指導今后的一系列的優化設計與施工；更重要的是，希望通過對薄弱環節的反思，通過對工程細節不斷優化的強烈意識，促進整體規劃、設計、施工的優化、創新，從而使中國的城市軌道交通發揮出智慧城市、文化城市、科技城市、綠色城市、生活型城市建設的示范作用。