基于數值模擬的高鐵站房頂部開窗形式的采光優化研究

金海魁 [同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司， 上海 200092]

在建筑物的設計階段，其室內光環境是設計師重要的考量指標。光環境對人類的工作生活都產生重要的影響。隨著國家經濟的發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、工作效率、舒適度和節能水平都具有重要的意義[1-3]。

借助相關軟件對建筑物的采光進行前期模擬優化已成為建筑設計中的重要組成部分。相關文獻對此有相關介紹，多數文獻只針對綠色建筑評價標準和建筑采光設計標準得分和達標進行設計[4-7]。本文基于自然采光模擬分析軟件 IES（簡稱 VE）建筑環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行多工況優化模擬[8]，對頂部開窗形式給出具體指導建議，并總結開窗形狀和面積對采光系數和照明系統節能效率的影響，以達到指導前期建筑采光設計的目的。

1 項目概況

安徽省合肥高鐵站房項目約 8 萬 m2，站房四周側面開窗面積為 5374 m2，分為換乘大廳、廣廳和部分商業夾層等。合肥屬于 IV 類中國光氣候區，光氣候系數K值為 1.1。由于合肥高鐵站房既有側面采光也有頂部采光，按照最不利工況，交通建筑進站廳和候機（車）廳采光系數標準值取 3.0%，根據 GB 50033—2013《建筑采光設計標準》規定，所在地區的采光系數標準值應乘以相應地區的光氣候系數K值，因此高鐵站房距地面 0.75 m 平面上的采光系數標準值取 3.3%，室內天然光照度標準值為 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 模擬結果分析

2.1 方案介紹

合肥高鐵站房項目采光設計方案采用側面開窗和頂部開窗結合的方式，為達到理想采光效果，共計設計 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構復雜、體量龐大的緣故，具體的頂部開窗面積無法通過理論或經驗來設計，因此建筑整體設計方案在保證建筑物外觀、結構安全性等方面合理的基礎上設計側窗，在保證側窗位置大小不變的情況下根據模擬結果確定頂部開窗形狀和面積。其中方案一設計方案為基礎模型，即側窗＋頂部未開窗模型，頂部開窗面積為 0 m2；方案二為側窗＋格子狀開窗模型，頂部開窗面積為 1708 m2；方案三為側窗＋多橫條狀天窗模型，頂部開窗面積為 2002 m2；方案四為側窗＋多豎條狀天窗模型，頂部開窗面積為 2441 m2；方案五為側窗＋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 結果分析

2.2.1 模擬結果

根據上述 5 種頂部開窗模型分別進行優化模擬，其中第一種基礎模型（頂部未開天窗）未達到標準，其余 4 種頂部開窗的模型均達到標準要求，模擬結果如表 1 和圖 3 所示。

表1 5 種模型采光系數及平均照度值的模擬結果

圖3 方案模擬結果

2.2.2 分析計算

根據上述模擬結果，本文主要從 3 個方面開展分析計算。第一點主要分析計算頂部開窗面積對采光系數的影響，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計提出指導性意見。第二點主要分析建筑設計階段采光節能效果。第三點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的影響。通過上述指標和模擬結果顯示，高鐵站房頂部開窗面積對采光系數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行量化分析計算。表 2 為 5 種方案模擬結果及對應面積表。

表2 5 種方案模擬結果及對應面積表

根據 表 2 數據，對采光系數和頂部開窗面積增長比例進行非線性擬合。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增長比例和面積增長比例如圖 4 所示。

圖4 采光系數和面積增長比例

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

圖5 采光系數與頂部開窗面積擬合曲線

根據 GB 50033—2013 中 3.03 條規定，采光標準的上限值不宜高于上一采光等級的級差，采光系數值不宜高于 7%，主要原因是考慮到夏季太陽輻射對室內產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準制定依據有詳細的數據實測結果，其中結果顯示如表 3 所示。

表3 進站大廳、候機（車）大廳實測結果

根據 GB 50033—2013 中的規定和交通建筑的采光標準制定依據，可將合肥高鐵站房采光系數最大確定為 7.0%，最小確定為 3.3%，以此達到良好的采光效果評價，并由采光系數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。

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

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

式中：We—可節省的年照明用電量，kWh/(m2·a)；

Pn—房間或區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 GB 50034—2013 中規定的交通建筑照明功率密度限值中的目標值＜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，h，按標準取 3055 h；

t'D—部分利用天然采光的時數，h，按標準取 802 h；

FD—全部利用天然采光時的采光依附系數，取 1；

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

根據上述數據可知，高鐵站房具有良好的自然采光時，年節約照明用電量可達到 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果顯示可知，采用方案二側窗＋格子狀開窗模型的采光分布最好，采光系數最大值為 10%，采光分布均勻，頂部開窗垂直觀察面的采光系數平均值為 7.5% 左右；采用方案三側窗＋多橫條狀天窗模型時采光分布相對方案 1 次之，采光系數最大值為 10.5%，頂部開窗垂直觀察面周邊采光系數平均值在 9.5% 左右，相對較高；采用方案四側窗＋多豎條狀天窗模型時采光分布相對方案三次之，采光系數最大值為 14%，頂部開窗垂直觀察面周邊采光系數平均值在 12.5% 左右，容易產生眩光，對室內環境和工作生活產生影響；采用方案五側窗＋單矩形狀模型時采光分布很不均勻，采光系數最大值為 24%，頂部開窗垂直觀察面中心區域采光系數平均值在 23% 左右，極大影響室內環境和人員的生產生活。

根據上述分析，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 中采光系數要求的前提下，在頂部開窗盡量避免方案五單個大面積獨立開窗，優先采用格子狀開窗模型。

3 結語

根據上述對高鐵站房多方案優化模擬，得到如下結論。

（1）通過對合肥高鐵站房頂部開窗方案的優化計算可知，站房采光系數與頂部開窗面積具有很好的線性關系。依據兩者的線性關系，對具有頂部開窗需求的大型交通建筑可以高效指導前期采光設計中的頂部開窗面積大小。

（2）通過模擬優化，本項目合肥高鐵站房可具有良好的自然采光效果。根據相關分析計算項目建筑物年節約照明用電量預期可達到 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，頂部開窗不應選取方案五中單個大面積獨立開窗模型，優先采用方案二中格子狀開窗模型。