天津火車站候車廳天然采光研究

李雯雯 王愛英 連志強

(1.天津大學建筑學院，天津 300072;2.威海職業學院，威海 264210)

1 引言

天津站是天津市內最重要的交通集散地，是集普通鐵路和京津城際交通為一體的交通中轉站。目前的天津站是2010年6月底完工的改擴建之后的新天津站。平面東西方向呈單方面內凹啞鈴狀，首層為進站中央大廳，二層直通高架候車室;屋面結構采用大跨鋼網架，外檐裝修采用新型石材和玻璃幕墻;總建筑面積2.67萬平方米。新天津站的建筑整體通透流暢，充分體現了現代鐵路建筑高效、便捷、智能化的品質。

在天津站的設計過程中充分考慮了天然采光的運用，二層候車大廳白天完全不用使用人工光照明，這不但能節約大量電能，還能為密集的候車人群提供健康和高效的建筑光環境。另外天然光的運用使建筑內部空間充滿生氣，美國建筑師路易斯·康曾經說過“自然光是使建筑之所以成為建筑的唯一光”。太陽光的出現除了提供關于氣候的狀況外，還能給予人們關于三維形體和定向、定時的重要線索。［1］

2 候車廳采光方式解析

二層候車廳是人流火車站最密集的區域，也是人流的集散地，所以這個空間要求較高的照明質量，以保障安全和有序人員流動。大跨度鋼網架屋面結構使得大面積的頂部采光成為可能，高側窗的使用增加了室內照度的均勻度，透過玻璃幕墻進入的天然光對室內照度形成了有益的補充。

2.1 頂部采光

頂部采光是所有大型公共建筑都應首先考慮的，其窗口朝向可以與建筑朝向無關。天津站也不例外，候車大廳頂部中央區域有一巨大的橢圓形采光窗，它作為白天整個建筑空間的主要采光源，給候車大廳帶來充足的光線。如果不是夏季，當陽光照進候車大廳時，人們會更愿意坐在陽光下享受太陽的恩賜。在此候車的人們，通過明亮的玻璃天窗可以非常直接的觀察到外部天空的變化。經測試無論是在晴天還是陰天，天窗下的照度在非陽光直射下都能保持在400lx以上，這對于候車廳來說是非常難得的。在頂部為防止過強的太陽直射光線，天窗下用了一排擋光板 (如圖1)。當陽光直射到擋光板時，可以將一部分光線反射到室內，形成一種較為舒適的視覺效果。雖然在非工作區域直射的陽光是無害的，可是在夏季正午時段候車廳內還是會出現刺眼的太陽直射光，這部分光照射在光滑的大理石地面上，形成不舒適的反射眩光。

圖1 候車廳天窗透視圖

2.2 高側窗采光

高側窗一般位于側墻的上部，能將光線引入到室內的深處，進入室內的天然光一般會隨著窗戶的升高而增加，很適于空間跨度比較大的建筑。天津站室內空間東西跨度約有60米，僅靠位于核心區域的頂部采光無法完全滿足廳內采光的需要，高側窗采光的應用是對天窗采光的補充。高側窗采用了“浮式”遮光隔板結構 (如圖3)，這種結構使得太陽直射光在某些時刻通過反射照進建筑室內，增加了室內的亮度，正是有了側窗的光線補充，在東西兩側的乘車口環境亮度才得以保障 (如圖2)。這種采光方式與建筑結構結合，是在設計之初就考慮到。既然光線是從多個方面進入空間的，它顯然是柔和的，引起更少的陰影和剪影效果，并且能更多的照亮各表面［2］。候車廳就是這樣一個空間，可是天津站的側窗位于東西兩側，窗子上面遮陽措施不到位，當早晨和傍晚時，陽光會通過兩側的高窗直射進來，這種情況多少有些令人不愉快。

圖2 候車廳高側窗

圖3 高側窗遮光隔板結構

2.3 玻璃幕墻

玻璃幕墻在天然采光方面有很好的作用，但并不是每個方向的玻璃幕墻都能取得很好的效果，只有位于北側玻璃幕墻才具有比較穩定、舒服的光線。天津站候車廳中位于北側的玻璃幕墻擁有比較好的采光效果，照度的衰減比較小。在北側的玻璃幕墻造型上，設計者還考慮了視覺和整個空間的效果，采用了方格分割玻璃幕墻，使得很大的一個玻璃幕墻不至于產生功能上的眩光。雖然整個玻璃幕墻很大，但是它仍不足以滿足100多米建筑進深的采光，不能作為建筑的主采光源，在空間和采光的主次上，北側的玻璃幕墻的采光服從于頂部采光，是頂部采光的效果的一個補充，這在空間的營造上也符合“只有從一個方面得到強烈的照明，同時還要有較大的光線強弱差異，才能取得造型的表現力。”［3］

在對空間的引導方面，北側的玻璃幕墻也是從屬地位，天津站的主入口是在南邊，當人們從南入口乘電梯進入二樓候車廳時，天窗照下來的光線是空間的主角，北側玻璃幕墻進入空間的自然光線只能作為配角出現，因為主要的乘車口都在天窗周圍分布。進入這個空間人們會選擇比較亮的方向走過，然后張望，這時如果北側玻璃幕墻比較亮，那么會傳達給人們錯誤的引導信息。這種光線的一亮一暗、一主一從很好的演繹了交通建筑的功能性。

3 現場實測

天津站在白天是全部采用的天然光照明的，沒有任何人工光的參與，在現場測出的數據是候車廳內實際天然光應用的情況。

在候車廳內將大廳分為9個區域 (如圖4)，每個區域在中心點進行測試，測試儀器為:Testo545照度計和柱面照度計，采用定點測量取平均值 (地面水平照度測試時間為2010年5月18日，天氣晴朗;柱面照度測試時間為2010年10月13日，室外天氣為多云，測試高度為160cm)，通過8:00～18:00這個時段內九個點的測試，發現在候車廳內水平照度和柱面照度是在很高的一個水平上變化的，從數據中我們即可得知，這種照度水平遠遠高于交通建筑的照度要求 (150lx～200lx)。為在此候車的旅客提供了一個非常明亮、安全的環境。可是通過圖表分析和軟件處理后的圖形，我們還可以發現，整個空間的照度均勻度不是很好，影響整個候車廳空間光環境的質量。

圖5是一天的地面水平照度平均值分布圖，從圖中我們可以看到，候車廳總體上照度還是很高的，一般都在300lx以上，但是均勻度并不理想，照度值最高處達到1200lx，最低處300lx左右，對比度高達4∶1。分析其原因有兩個方面:其一，是因為南側的實體墻幾乎占據了全部面積，天然光只能主要由天窗來給予，但由于室內墻體和屋頂材料的不能很好地起到漫反射作用，造成候車廳一側的區域不能獲得良好的照度:其二，位于天窗下的區域，照度遠遠高于其周圍的區域，造成整個空間照度均勻度較低，雖然天窗使用了擋光板，但是結果并不理想，天窗進入室內的光線沒能更好的漫反射到整個室內空間，透過高側窗進入室內的光線，由于天花板材料的反射比較低，也不能很好地反射到室內。

圖4 火車站候車廳平面圖

圖5 候車大廳平面照度分布圖(2010年5月18日，天氣晴朗)

圖6顯示了一天中各測點柱面照度的變化情況。可以看到，候車廳在有晴天和有云的中間天空狀態下，大廳內所測試點其柱面照度都能保證在200 lx以上，有的點在中午的時間短達到1000 lx，從而營造了大廳內部空間環境明亮的效果，可視性相當之高;而在全陰天狀態下，天窗下的區域依然有一個比較好的可視度，柱面照度能在100 lx波動，但在大廳內有些區域 (例如所測 J和I點)其可視性就非常低，需要借助人工光來輔助照明。如果在這種天氣下，把天窗進入室內的光線也借助一些手段更多的到達這個區域就更加理想了。

圖6 柱面照度曲線圖 (2010年10月13日，室外天氣為多云，測試高度為160cm)

但是從圖表中也可以看到，同一時間，每個點柱面照度有很大的差別，在中間天空狀態下柱面照度最低點I與最高點E的對比度D＞10，這個數值體現室內大廳的柱面照度均勻度也是不夠理想，光線不夠均勻，影響大廳內部的可視性。在室外天氣不理想的狀態下，給乘客帶來很大的不便。

4 改造措施和建議

4.1 天窗

在夏季，直射進入大廳的陽光會帶來一些眩光和紫外線，也會增加制冷能耗，從而影響了室內環境的舒適性和功能性。在這個建筑中，光的直射造成的不舒適感覺可以減小甚至避免，經研究分析天窗的遮光板沒有很好的發揮遮陽作用，豎直吊放的遮光板首先表面漫反射不夠，不能很好的反射直射的太陽光，造成候車廳內光線不夠均勻;在遮陽板的擺放中，距離和角度不夠合理。如果采用動態采光策略，天窗的采光效果會更好 (如圖7)，經過遮陽板的反射和漫反射，整個室內將會呈現出更為柔和的光照效果。這種自然采光方式使人不能完全看到天空，但室內采光質量經過二次漫反射會有一個比較理想的照度均勻度，在夏季也不至于室內會出現局部溫度過高，需要借助于人工制冷設備來降低溫度，雖然“就提供相同的照度而言，天然光帶來的熱量仍少于大多數人工光源的發熱量”［4］這樣的結果，但是能將兩者完美的結合是我們在綠色建筑中更高的追求，所出現的結果也將使天津站采光效果更加的舒服宜人。

圖7 動態采光系統 (RETROFlexTherm)

4.2 高側窗

在早晨或者下午，陽光會通過高側窗直射到室內，特別是夏天的西曬，面對這種情況就又必須考慮遮陽，這里可以采用以下方法來考慮:

圖8 動態遮陽板細部

1.采用遮光裝置來遮擋，在側窗上部安裝一個或一組反射裝置，使窗口附近的直射陽光經過一次或多次的反射進入室內，既遮擋了不需要的直射光線，又提高房間內部照度均勻度。在東西向兩側的遮光中可使用可控制百葉窗，它更為方便且無須對建筑結構做任何變動，是所有遮陽措施中應該首先考慮的。

圖9 安裝遮光設置前后室內照度對比

2.采用導光棱鏡窗。導光棱鏡窗的一面是平的，一面帶有平行的棱鏡，它可以有效減少窗戶附近有直射光而引起的眩光，并且大大提高了室內照度的均勻度。雖然人們通過導光棱鏡窗向外看時，窗外的一切都是模糊和變形的，可是對于天津站這種高側窗且室外沒有什么風景可以欣賞的前提下是非常合適的。

圖10 導光棱鏡窗采光示意圖

5 結束語

天然光不僅使建筑內部空間環境更加舒適，更加適于人的生活和工作，同時能夠節約能源消耗，為人們帶來的經濟效益和環境效益。天津站僅是眾多交通建筑中采用自然光照明的一例，在采光方式和空間營造上有很多值得借鑒的地方，但是在一些技術和細節上仍顯不足。隨著技術的不斷提高，新技術與中國傳統采光方式相結合，不但能提高室內的均勻照度，更能創造節能和健康的環境。

［1］楊公俠．視覺與視覺環境 上海:同濟大學出版社，2000．

［2］M·得瓦羅夫斯基．陽光與建筑．北京:中國建筑工業出版社，1983．

［3］瑪麗古左夫斯基著．可持續建筑的自然光運用 (M)．北京:中國建筑工業出版社，2000．

［4］王愛英，時剛．天然采光技術新進展．建筑學報，2003(03):64～66．

［5］建筑照明設計標準．GB 50034—2004．

圖片來源:

圖3根據M·戴維·埃甘 (美)等．建筑照明 繪制．中國建筑工業出版社．2006:P119;

圖7引自赫爾穆特·考斯特 (德)．王宏偉譯．動態自然采光建筑原理與應用．2007 05:P70

圖9引自 http://faculty．scu．ac．jp/msaito/LSCOR04slides．pdf

圖10引自赫爾穆特·考斯特 (德)．王宏偉譯．動態自然采光建筑原理與應用．2007 05:P223

其余照片和圖表均為作者拍攝和繪制