京張高鐵清河站站房綠色設計研究

歐 寧

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 清河站設計概況

京張高鐵不僅是2022年冬奧會的交通保障線、京津冀一體化發展的經濟服務線，也是京張鐵路百年歷史的文化線、展示中國高鐵建設成果的示范線。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、非付費區及設備用房等。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 鐵路站房綠色設計現狀及研究

2.1 鐵路站房綠色設計發展現狀

車站是服務于鐵路旅客的重要設施，也是城市綜合交通最重要的節點[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、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)，具有鮮明的行業特性。因此，在綠色建筑設計方面亦應區別于普通民用建筑。在鐵路客運站的建筑設計中，如何根據建筑使用特征和區域氣候特征進行有效的綠色設計，實現建筑的高舒適、低能耗，是需要考慮的重要問題[3]。

為了實現鐵路客站的綠色設計，鐵道部經濟規劃研究院會同有關單位，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年相繼發布了GB 50189—2015《公共建筑節能標準》和北京市DB11/687—2015《公共建筑節能設計標準》，標準的更迭也極大地影響著綠色鐵路客站的建設和評價。

京張高鐵是國內首次按照綠建標準建設的高鐵項目，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、并獲得三星級設計標識的鐵路客站項目。目前已獲得了由中國城市科學研究會頒發的綠色鐵路客站三星級設計標識證書以及由美國綠色建筑委員會頒發的LEED金級預認證證書。

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《公共建筑節能設計標準》有機銜接，創建一個技術先進、內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計與國際接軌也是應該考慮的問題。在世界各國的各類建筑環保評估、綠色建筑評估以及建筑可持續性評估標準中，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用[4-5]。在工程預算有限的情況下，如何將LEED認證要求與清河站的功能設計有機結合，在低增量甚至無增量成本的條件下去創建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金級預認證的首個鐵路站房，通過對清河站在綠色設計方面的研究，總結出鐵路站房綠色設計關鍵技術也非常重要。

3 清河站綠色設計及創新點

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

3.1 清河站房綠色設計創新技術

(1)土地集約化利用

清河站西側緊鄰運營中的城鐵13號線以及運營中的京新高速公路，東側緊鄰城市現狀辦公用房及住宅，用地條件極為局促。如何在有限的用地空間內實現國鐵、地鐵、公交、出租等的高效換乘，是設計思考的重點和難點。且現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狀(見圖2)。

圖2 清河站割裂的城市空間現狀

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。

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

最后，在有限的建設用地上，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，在地下一層實現了國鐵、地鐵的“零換乘”。并且在地下一層實現了東西兩側居民的自由通行，“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

清河站公共區室內裝修及外立面裝修中處處秉承著“重結構、輕裝修、簡裝飾”的設計理念。

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

(3)建筑造型設計與環境相呼應

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

圖5 清河站南立面

(4)清河站智能百葉遮陽技術應用

清河站主立面朝向西側(即175 m面寬的高架候車廳朝向西側)，優點是候車廳有良好的視線景觀，能夠看到西山的優美景色，缺點是西曬帶來的弊端。如何實現西曬與視線景觀的平衡，是設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)設計了智控翼簾型百葉建筑遮陽系統(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)。抗風橫梁及豎向抗風桿件設置在幕墻外側，利用百葉系統進行遮擋，使清河站室內為完整的玻璃面。

智能百葉遮陽系統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。百葉的翻轉角度可以根據需要調節，夏季可以遮擋陽光，防止室內溫度上升；冬季可以阻擋外流的熱量，兼具一定的保溫效能[7]。

(5)清河站光導照明技術應用

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

光導照明系統利用自然光照明，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，由導光管進行傳輸，通過漫射器將自然光灑向室內[8]。

光導照明系統將自然光引入站臺區域，提供日間照明，與LED光源結合使用，可提供恒定舒適的照明效果。另外，清河站光導管采光罩采用了平頂式和球形相結合的形式，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為站臺空間光導管照明實景。

圖8 站臺空間光導管照明實景

3.2 清河站房計算機模擬分析技術的應用

在綠色設計方面，借助計算機對圍護結構的節能率、自然采光及大空間氣流組織進行了模擬研究[9]。

(1)清河站圍護結構節能率模擬研究

在外維護方面，采用清華大學自主研發的能耗模擬計算軟件DeST-C進行三維建模，重點研究了圍護結構不同熱工性能參數對于空調冷熱負荷的影響[10]，分析了外墻傳熱系數、外窗太陽得熱系數、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，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、內遮陽、百葉間距、鋁板與幕墻結合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，并根據太陽高度角變化給出外遮陽范圍建議(見圖10)，實現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

根據清河站的設計條件，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設置如下。玻璃可見光透過率：0.2，0.3，0.4；光氣候區：Ⅲ區；室外天然光設計照度：15 000 lx。由采光模擬分析可知，主要功能區均可滿足采光要求。圖11為典型空間候車廳室內采光模擬結果。

圖11 候車廳室內采光模擬結果

(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風環境進行預測、分析及評價。FLUENT是專業的人工環境系統分析軟件，可以精確地研究流體的流動、傳熱和污染等物理現象，準確地模擬通風系統的空氣流動、空氣品質、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 ℃，接近設計溫度(18 ℃)，室內平均風速為0.16 m/s，滿足設計參數要求。在夏季工況下，1.5 m人行平面的平均溫度為27.3 ℃，接近設計溫度(27 ℃)，室內平均風速為0.22 m/s，滿足設計參數要求。

候車廳：在冬季工況下，1.5 m人行平面的平均溫度為18.1 ℃，接近設計溫度(18 ℃)，室內平均風速為0.21 m/s，滿足設計參數要求。在夏季工況下，1.5 m人行平面的平均溫度26.1 ℃，接近設計溫度(26 ℃)，室內平均風速為0.23 m/s，滿足設計參數要求。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計評價

結合清河站的設計經驗，梳理《綠色鐵路客站評價標準》和LEED評估標準的技術要求，進一步總結鐵路車站星級綠色設計評價關鍵技術，以期指導其他站房的星級評價。

4.1 鐵路站房設計特點

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、設備、商業等)，其顯著特點是空間開敞性較大且大小空間并存。候車廳大空間占據主導地位，小空間多位于大空間下部或邊界處，內部的候車廳、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]。

寒冷氣候區火車站常采用連續屋面，呈中高側低狀。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，由于穩定性、經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 鐵路站房綠色設計優劣分析

技術優勢：公共交通體系發達，交通流線及標識設計合理，自然采光和自然通風良好，節能照明燈具普及率高，可再生能源利用條件較好，節水器具及用水計量普及率高，鋼結構及預制構件利用率高，智能化系統普及率高，土建與精裝一體化程度高。

技術劣勢：室外綠化率低，硬質鋪裝面積大，不利于降低熱島效應和控制雨水徑流總量；室外廣場空曠，冬季室外風環境較為惡劣；廣場照明設計滯后，不利于嚴格控制夜間光污染；窗墻比大，不利于圍護結構節能；采用規則形體存在一定困難；室內噪聲控制存在一定難度。

4.3 綠色鐵路站房星級關鍵技術

(1)節地與室外環境方面

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

②鐵路客站的建筑布局應結合地形條件，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遵循公共交通優先的原則：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)節能與能源系統方面

①優化客站的體形系數和圍護結構的熱工性能，提高客站建筑圍護結構節能率。應考慮建筑窗墻比、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玻璃幕墻設計應符合GB/T18091—2015《玻璃幕墻光學性能》，避免產生光污染；客站廣場照明設計與燈具選用合理，其眩光限值應符合JGJ/T163—2008《城市夜景照明設計規范》的規定。

③結合當地氣候和自然資源條件，合理利用可再生能源，如太陽能光伏發電、地源熱泵等。

④根據當地的氣候特點和能源狀況，合理選擇空調和供暖系統的形式，提高設備和系統效率；優化控制策略，提高空調供暖系統的節能率。

⑤根據客站的負荷特點和空間使用特性，合理劃分空調分區；合理選配空調冷熱源機組臺數與容量，根據客站負荷特性，指定空調系統控制策略，達到節能效果[15]。

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

⑦候車廳配備CO2實時監測系統，并與送排風設備聯動；地下車庫應設計CO濃度監測系統。

⑧應根據各個區域的照明需求，進行鐵路客站照明的分區智能控制，并充分利用自然采光和背景照明。

(3)節水與水資源利用

①應采用用水效率等級較高的衛生器具。

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

5 結束語

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