寒冷地區高鐵站設計節能潛力分析
——以天津西站為例

王勁柳 王楠 劉立 劉叢紅 / WANG Jinliu, WANG Nan, LIU Li, LIU Conghong

1 引言

隨著資源與環境問題愈加嚴峻，節能減排成為當今世界重要趨勢。中國建筑能耗占社會總能耗的27.8%（仇保興，2011），其中大型公共建筑不足城鎮建筑總面積的4%，能耗卻占城鎮建筑總能耗的20%以上（李傳成，2011），節能潛力巨大。近年來我國高速鐵路總體規劃建設不斷深入，計劃到2020年，高速鐵路網覆蓋80%以上大城市（國家發展改革委，2016），且隨著區際、省會、地市、縣域覆蓋網絡的逐步擴大，高鐵站作為一類依托于高速鐵路運輸而形成的典型大型公共建筑在各地蓬勃建設，高鐵站房能耗及其作為重要建筑的導向作用越來越受到社會關注。

高鐵站房一般尺度宏大，候車空間單位面積耗能達160～180kWh/m2·yr（中國城市科學研究會，2015），遠高于其他公共建筑，因具有人員流動量大、停留時間短、使用頻率的時間差異大等特點，使其在節能潛力上具有自身的特殊性。作為地域門戶，若能立足于節能展開設計，不僅可以實現節能減排，而且利于引導大眾綠色審美，在新時代具有特殊的示范意義與帶動作用。本文以天津西站高鐵站房為例，探索寒冷地區高鐵站的節能設計潛力。

2 天津西站現狀

基于前期對鐵路車站設計資料與建成高鐵站房使用情況的文獻查閱，進行多次實地調研，以儀器測量、拍照攝像、個別訪談等方法獲取研究所需數據、信息，調研內容包括空間尺度與布局、建筑細部、運行特點、站前廣場現狀、節能措施應用等方面。

2.1 基本概況

天津西站坐落于天津市紅橋區，屬于寒冷地區，由德國gmp（馮·格康，瑪格及合伙人建筑師事務所）設計，總建筑面積18萬m2（曼哈德·馮·格康 等，2012），其中站房面積約10.4萬m2，站場總體規模達13臺26線，以高、普速車場分別在南、北側橫列布置（溫靜，2013）。西站采用構筑路網、架設連橋、復合換乘、延續景觀的設計構思，由中央主站房與四角輔樓構成整體（圖1）。主站房南北方向約380m，東西方向約145m，高達57m，以白色編織鋼架與通透玻璃幕墻圍合成拱狀形體。站房采用地下出站與換乘層、地面站臺層、高架候車層的功能布置方式以及上進下出的進出站模式（魏慶朝，2015）；共有南北兩個站前廣場，目前僅南廣場投入使用，不僅具有景觀效果，更結合區域交通規劃起著人流集散作用（圖2）。

2.2 站房布局與空間尺度

天津西站站房采用立體布局，主要空間如候車大廳位于高架層（圖3），進站區分層布置于地面層與高架層，售票空間緊鄰進站區，商業集中分布于地下層與高架層兩側。站房地下出站與換乘層、地面站臺層的層高均約10m，高架層為整體大空間形式，橫向跨度達145m，中部至兩側依次為中央通廊、檢票區、候車區、兩側通廊和商業。候車區空間尺度宏大，頂部為拱形屋面，室內空間凈高達47m，兩側商業高10m，上部拱頂空間無具體功能卻高達37m；中央通廊跨度達33m，調研發現旅客大多集中在候車區與商業區等候，通廊平日人流少且停留時間短。

圖1 天津西站鳥瞰（來源：720yun.com/t/724z7c2ziks?pano_id=33250）

圖2 天津西站平面（來源：www.gooood.hk/_d272467739.htm）

圖3 高架層布局與候車空間

圖4 大型采光屋面與立面

2.3 建筑細部

高架候車層因進深、跨度大，采用大型采光屋面。屋面為白色鋼框架玻璃幕墻結構，鋼結構拱梁由下至上逐漸增粗增厚，陽光通過穿插交織的菱形網格透入室內，提供給大空間室內明亮環境。立面設計上，主要以大面積玻璃幕墻圍護，僅下部四角輔樓采用實體與局部遮陽結合的形式（圖4）。室內候車廳的檢票空間以小型玻璃體量的形式置入大空間之中，最高點4.9m，與大廳頂部相距較遠。

2.4 運行特點

圖5 候車廳人員密度對比

圖6 天津西站調研現狀

圖7 天津西站節能潛力分析

調研選取2016年11月20日為例，統計了天津西站全天發送列車的類型與時刻（表1），當日發送列車共計133班次，以高鐵列車居多，為97班次。發送時刻統計數據表明，當日6:00～21:00發送列車119班次；21:00～次日6:00發送列車僅14班次，其中高鐵列車班次更為稀少，為5班次。高鐵列車具有高密度、小編組的運行特點及旅客快進快出的候車行為，實地調研時發現，候車大廳內人員密度不高，但在平日與節假日人員密度相差較大（圖5）。目前北側進站廳尚未開通，而現階段站房規模足以滿足節假日高峰期客流的正常使用。

2.5 節能措施應用

天津西站從工程構造到技術設備均采用了較高標準的節能措施，體現了節能減排的理念：大型采光屋面結構與玻璃幕墻使室內白天無需電力照明；高架檢票區域設置特質玻璃地坪，以便下部站臺層獲得自然采光（圖6）；站臺雨篷敷設非晶硅薄膜電池組件，實現光伏發電與建筑一體化（汪洋 等，2015）；采用燃氣冷熱電三聯供系統，以能源梯級利用的方式提高能源利用效率（趙奕，2010）。西站采用的節能技術設備先進，若在建筑方案階段更加著力于空間設計的節能潛力，將會獲得更顯著的效果。

3 天津西站節能潛力分析

調研關注了天津西站在使用、運營過程中的能耗問題及其與建筑設計層面的聯系，分析歸納出天津西站在方案設計階段存在的節能潛力（圖7）。

（1）形體尺度

主站房為高大拱狀形體，特別是高架候車層尺度宏大，最高點距樓面約47m，上部拱頂空間達37m卻并未利用，因空間尺度過大帶來能耗負擔。

（2）空間布局

高架層以整體空間貫通站房跨度與進深方向，其間無熱邊界分隔，無法根據使用期間實際客流量變化進行空間的分區控制。同時，采用中間候車、兩側附屬空間的布局形式，候車空間的通風和采光狀況不理想，需要依靠設備系統輔助。

（3）表皮材料

主站房屋頂由網狀鋼架與通透玻璃組成，光線穿透的同時引入過多日光輻射，會增大夏季的制冷負荷；立面通透且基本無遮陽措施，圍護結構并未針對寒冷氣候區進行高效設計。

圖8 設計研究方案

（4）室內細部

高架層內的檢票等空間采用常規設計高度，與大空間候車廳頂部有較大距離且無法利用，建筑能耗負擔增加；中央通廊跨度大但客流量少，空間利用率低而增加能耗。

（5）建設規模和使用頻率

站房客流量較少、部分空間未投入使用，現階段建設規模過大而導致能耗水平較高；深夜或凌晨時段客流量稀少，而空調和照明設備仍正常運轉，帶來了不必要的能源消耗。

（6）站前廣場

廣場空曠且以硬質鋪裝為主，炎熱、寒冷、陰雨等不利天氣條件下廣場上的進出站和停留旅客數量少；能起到遮陽、庇護效果的綠化或構筑物較少，不利于分擔站房高峰期客流量或調節站場微氣候。

4 整合節能減排策略的設計研究

通過上文對天津西站的實地調研與節能潛力分析，探討高鐵站在建筑方案設計層面的節能減排策略，并結合西站現狀條件、規劃發展等情況提出整合節能減排設計策略的研究方案。

4.1 節能減排策略

（1）形體尺度

作為大跨建筑，高鐵站形體尺度可與結構選型緊密結合，從結構角度考慮，將結構、形態、空間相結合，設計合理的建筑高度，以避免空間與能耗的浪費（李琴波 等，2014）。

（2）空間布局

基于不同時期、不同時段的客流密度與運行狀況，結合建筑結構與使用特點，將候車層內部完整大空間切分為小空間以形成候車單元，以分區調控的方式控制單元開合，降低設備系統不必要的運行負荷；同時，依據人群使用頻率以及不同空間對環境因素的不同需求，調整主要空間如候車、商業等的相對位置。

（3）屋頂及立面細部

大跨度、大進深高架層可在屋面設置采光帶以滿足室內采光需求，同時輔助遮陽措施，避免自然光進入的同時增加過多的太陽輻射得熱；圍護結構可基于地域氣候，避免全部以玻璃幕墻圍合的形式并結合相應的遮陽或保溫設計（周正，2017）。

（4）室內細部

提高室內空間利用率，不同功能空間以獨立單元形式布置，以便分區、分塊控制；對于大跨度的中央候車通廊，可在使用率低的位置引入室外空間與綠植，促進大空間的自然采光通風。

（5）建設規模

基于高鐵列車運行特點與旅客候車行為的分析，站房以“通過空間”為主導，規模不宜過大，可依據高峰期客流量或聚集人數由鐵路旅客建筑相關規范確定現行建筑規模，同時考慮到本地區長遠交通規劃，著眼于建設時序進行分期建設，降低站房使用、運行中的能耗和碳排放。

（6）站前廣場

從不同時期的客流密度與現行的站房規模出發，增強站前廣場的人流集散功能，使其分擔高峰期客流量，可在廣場上建構筑物，平日用于遮蔭、售賣，高峰期可快速搭建為旅客臨時休息區，將部分客流引向室外，避免站房為容納大量客流而建設規模過大帶來的能耗問題。

4.2 設計研究方案

綜上節能設計策略，并結合功能流線要求和建筑美學，生成研究方案（圖8）。

4.2.1 空間尺度

研究方案以高架層檢票口為結構生成的出發點，無需溫度調節的檢票空間由“小盒子”改為樓面貫通至頂的立方體并向四周擴展，排除頂部無法利用的空間，削減了需進行溫度調節的空間體積而降低能耗。在方案研究的過程中不斷調整尺寸比例，保證結構高跨比等技術要求，檢票空間結構則由高架層向下延伸至底，并進行細化設計，形成整體結構的基本單元。結構單元在開間方向設置兩個以使用和技術需求，東西跨度為111m，南北進深為21.5m，高度降為22m（圖9）。

4.2.2 空間布局

以結構單元為基礎，跨度、進深方向各并置兩組組成一個候車單元，空間布局按不同功能對舒適度、自然采光通風需求的不同而布置（圖10）。調整主要使用空間與附屬空間的相對位置：候車空間向外移動，且特殊候車室位于東部最外側以便于自然采光通風；商業空間集中布置于西側，作緩沖空間減弱西曬對候車大廳的影響；中央通廊跨度、進深大，中庭設計促進自然采光與通風。候車單元之間設置隔熱邊界（圖10），使其在站房運營過程中根據車次與人流變化開啟或關閉，降低客流量稀少時設備系統的運行能耗。

4.2.3 屋頂及立面細部

方案從項目所處寒冷地區氣候特點出發，針對不同部位借助參數化設計工具生成建筑細部的形態。屋頂細部上，將結構單元采光面細分生成多個四棱錐網格（圖11）：南向布置太陽能電池板實現遮陽并收集太陽能。北向設置天窗以提供室內自然采光通風，形態的確定借助grasshopper算法，根據夏季正午太陽入射角度，控制網格中心頂點的移動高度與距離，實現太陽能收集量的最大化。

圖9 結構單元生成及尺度信息

圖10 候車單元布局及分區控制

立面設計將結構曲線投影其上，反映了內部結構特色，且對不同朝向立面基于氣候因素進行了特殊設計：南立面借助結構外檐出挑形成自遮陽，確保在本地區夏季最炎熱的月份為南立面提供有效遮陽；東西立面太陽入射高度角低，適宜垂直遮陽，考慮到屋頂與立面銜接的連貫性而采用扭轉豎板的遮陽構件（圖11），其上下邊緣與建筑水平相接而中部垂直于立面，自上而下產生180°的扭轉。

4.2.4 室內細部

大廳中部“通過性”強人流停留時間短，植入生態庭院并布置綠化景觀（圖12），改善大跨度、大進深中央通廊部位的采光通風，調節局部微氣候并收集屋面雨水。

圖11 細部及參數化生成（屋頂及立面）

4.2.5 建設規模

根據鐵路部門編制的京津冀地區城際鐵路網規劃（黃海蕾，2015），以遠期規劃時間節點2030年的高峰小時旅客發送量7400人次為依據（陳富昱，2014），由《鐵路旅客車站建筑設計規范（GB50226-2007）》計算得到一期站房主要功能（候車廳、集散廳、商業）空間使用面積（中華人民共和國鐵道部，2012），與既有站房對比（表2），方案一期面積遠小于既有站房。研究方案采用上進下出與下進下出結合的進出站模式，一期地下空間貫穿南北且北側提供旅客地下進站空間，地上體量位于南側，于南、東、西三側設置進出站入口；為降低擴建施工對站房正常使用的影響，北側預建結構，保證后期快速擴建的可能性（圖13）。

圖12 室內細部

表2 天津西站2030年預測與既有面積對比（以候車廳、集散廳、商業為例）

圖13 方案分期示意

4.2.6 站前廣場

方案將時間因素考慮在內，基于現階段站房規模與高峰期劇增客流情況，提升站前廣場的人流集散功能：站房結構單元形式沿用至廣場，以人的尺度進行比例調整后作為廣場構筑物，平日用于遮蔭、售賣，高峰時期作為旅客臨時休息區（圖14）——不僅避免了站房規模過大帶來的能耗問題，也使站前廣場成為“城市客廳”，增強建筑與城市一體化。

5 節能效果模擬分析

以研究方案與既有站房為對象，進行能耗與碳排放的模擬計算與節能評價，以對比分析的方式驗證整合節能策略后的效果。根據《民用建筑設計通則》（GB50352-2005），天津西站作為大型重要公共建筑，建筑壽命為100年，故本文能耗和碳排放計算以100年為運行期，并以2030年為時間節點將其分為一期（2030前）和二期（2030后）。

5.1 建筑能耗模擬

5.1.1 建立模型與參數設置

能耗模擬借助Designbuilder軟件，經過模型簡化、參數設置等過程，得到最終模擬結果。簡化后的模型如圖15所示，參數的設置如人員活動狀況、圍護結構材料構造、照明與暖通空調系統等根據實地調研與施工圖紙所得的數據信息輸入，研究方案與既有站房各項參數設定一致，以驗證建筑設計層面帶來的能耗差異。

5.1.2 模擬結果與對比分析

模擬分析了研究方案與既有站房的候車廳室內溫度波動，包括空氣溫度、輻射溫度和體感溫度3類指標，結果表明，既有站房候車廳室內存在嚴重的夏季過熱、冬季過冷現象，而在研究方案中得到了明顯緩解（圖16）。

能耗計算范圍包含采暖、制冷和照明3項主要能耗，采用等效電法進行不同種類能耗之間的換算。運行能耗強度方面，研究方案一期總能耗強度約100kWh/m2·a，與既有站房約160kWh/m2·a的總能耗強度相比，節能率達到37.5%；方案二期是在一期的基礎上主要增加北側集散廳、高架候車層的空間，二期完成后整體方案的能耗強度約116kWh/m2·a，遠小于既有站房能耗強度；對比運行期100年總能耗，研究方案比既有站房降低約50%，實現節能量952 634 020kWh（圖17）。

圖14 站前廣場構筑物

圖15 Designbuilder軟件模擬模型

圖16 夏季和冬季典型日候車廳室內溫度波動

圖17 模擬結果與能耗對比

圖18 生命周期碳排放量對比

5.2 建筑生命周期碳排放量計算

此部分使用《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》（政府間氣候變化專門委員會，2007）所提供的計量方程：溫室氣體排放=AD×EF（AD為人類活動發生程度的信息，EF為量化單位活動的排放量或清除量的系數）來估算溫室氣體排放量。碳排放計量范圍包含建材生產及運輸、建筑施工、建筑運行、建筑拆除各階段的完整生命周期。

對比生命周期碳排放總量，研究方案比既有站房減少63.4%的碳排放，共計減少CO2排放量874 059t。數據表明，通過采取節能措施與控制建材用量，研究方案在運行能耗碳排放和建材生產碳排放兩個分項上減排效果最為明顯（圖18）。

6 結語

本文以寒冷地區天津西站高鐵站房方案設計，在建筑方案設計層面基于節能減排視角探討適于高鐵站房本身特點的節能設計策略，并進行能耗與碳排放模擬評價，以期為寒冷地區大型、特大型高鐵站的節能方案設計提供參考，并對其他地區不同規模高鐵站房設計提供借鑒。高鐵站房作為城市門戶，彰顯了一種設計中的文化訴求，以節能減排為目標的高鐵站設計不僅可以有效減少建筑全生命周期的能耗和碳排放，對于引導綠色低碳美學觀，推動其他類型的城市公共建筑實現節能減排也具有現實意義。