太子城站鈦鋅板屋面反光特性研究

蔣潔菲，孫逸夫，李恒興，張 騫，蔡建國

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055；2.東南大學國家預應力工程技術研究中心，江蘇 南京 210096)

引言

鈦鋅板是一種高級金屬合金板，目前鈦鋅板以其優越的性能和良好的性價比得到廣泛的應用。新加坡Woodland海關、挪威奧斯陸高德莫恩機場、羅馬藝術中心小歌劇院、杜塞爾多國際機場酒店以及鄭州國際會展中心等建筑物的屋面都采用鈦鋅板系統。雖然鈦鋅板在歐洲已得到廣泛的應用，但在我國仍處于發展階段，鈦鋅金屬屋面板作為一種新型的金屬屋面方案尚未得到充分肯定。鈦鋅面板為金屬面板，具有良好的反光性能，太陽光經過鈦鋅面板的反射形成反射光，周邊行人車輛受到強烈反射光的影響會干擾正常活動，嚴重的甚至會造成交通事故。隨著人們對生活水平要求的提高，建筑光污染問題越來越受到重視。

目前國內外的相關研究主要集中在玻璃幕墻對周圍環境的影響上。Wong[1]利用MATLAB軟件對香港國際商業中心(ICC)進行建模分析，研究了高層建筑的太陽反射光對周圍環境的影響。閻冰等[2]利用彩色CCD相機進行光亮度采集進行眩光分析。也有通過軟件模擬進行光污染分析[3-5]。還有通過理論分析研究光污染評價體系[6-9]，但分析對象都是針對規則的平面結構，對曲面結構的研究較為缺乏。本文在前人的研究基礎上，以反射光影響范圍為主要研究對象，對雙曲屋面結構進行建模分析，并基于不同光照條件，對模擬結果進行進一步的分析說明。

1 反射光影響因素

1.1 反射材料

對反射材料而言，其主要反光特性包括以下三個方面：①吸收率。吸收率介于0與1之間，表示材料吸收的入射能量占總入射能量的百分比，以80%為例，表示能吸入80%的入射能量。②反射比。反射比表示材料反射的入射能量占總入射能量的百分比。以20%為例，表示能反射20%的入射能量。③發射率。發射率是具有較高能量的物體向具有較低能量的物體傳遞能量的能力。

其中反射比是衡量屋面材料反射能力的重要指標，反射比越大，表示材料在相同光照條件下會形成更強烈的反射光，反射光照度計算如下[10]：

(1)

式中：ER——反射光照度；ED——直射光照度；ES散射光照度；R——材料反射比。

基于上式，為降低因反射光形成的光污染，宜選用反射比較低的材料。表1為不同材料的反光特性。

表1 不同材料的反光特性

從表1中可以看出，對鈦鋅板進行預鈍化處理可以大大降低其反射比，且隨著時間的推移，預鈍化的鈦鋅板反射比還會繼續降低，減小其由于反射光帶來的光污染。

根據國家技術監督局頒布的《玻璃幕墻光熱性能》[11]，對玻璃幕墻進行了以下規定：為限制玻璃幕墻的有害光反射，玻璃幕墻應采用反射比不大于0.30的幕墻玻璃。而對于金屬屋面板，我國目前暫無相關規范。預鈍化處理的鈦鋅板，其反射比為0.313，并且隨著使用時間的增長，反射比不斷降低，基本符合《玻璃幕墻光熱性能》的要求。

1.2 建筑環境

影響建筑環境的主要因素為太陽光的入射角度以及入射光照強度，將其總結為緯度因素以及時間因素兩方面。

1.2.1 時間因素

在同一天內，太陽高度角與太陽輻射強度呈正態分布。太陽高度角從日出到日落呈先增大后減小，在正午12點達到最大值。太陽輻射強度取決于太陽高度角，隨太陽高度角的增大而增大。

在同一年內，不同時間太陽高度角所能達到的最大值與日期有關。以北京市為例，冬至日正午太陽高度角為26°34′，夏至日太陽高度角為73°26′，春分以及秋分太陽高度角為50°。太陽高度角的計算公式為：

sinh=sinδsinφ+cosδcosφcost

(2)

其中：h——太陽高度角；δ——太陽直射點緯度；φ——當地緯度；t——太陽時角。

1.2.2 緯度因素

由太陽高度角公式可知，除了與時間有關外，當地緯度也是影響太陽高度角的重要因素。以北京市為例，北京市處于北緯40°，在北回歸線以外，因此太陽全年不會直射北京。太陽直射點的緯度與當地緯度相差越大，太陽高度角越小。夏至日太陽直射點為北回歸線，此時北京市太陽高度角達到最大值；冬至日時太陽直射點為南回歸線，此時北京市太陽高度角為最小值。

1.3 建筑形態

目前國內建筑形式越來越多樣化，不同的建筑形態對光線的反射效果產生不同的影響，以下將建筑形態分為平面形態以及立面形態進行分析。

1.3.1 平面形態

建筑的平面形態表示為太陽光照射至建筑物時平面形狀，入射光會因為不同的平面形態產生不同的反射光線。如圖1所示，太陽光照射至平直的面板上，反射光將相互平行射出；太陽光照射至凹形圓平面上會將光線聚集；太陽光照射至凸形圓平面上會將光線分散。

圖1 不同平面形態下的反射光線Fig.1 Reflection light in different plane forms

1.3.2 立面形態

建筑的立面形態主要考慮面板與地面之間的夾角。由于目前建筑的多樣化，許多建筑的面板不與地面垂直，其反射光線也會受到影響。如圖2所示為同一入射光線下不同傾斜角度的面板堆反射光線的影響。

圖2 不同立面形態下的反射光線Fig.2 Reflected light in different elevation forms

2 案例概況

新建太子城站位于京張高鐵崇禮支線，位于張家口市崇禮縣太子城村，是2022年北京冬奧會的主賽場，距離張家口市50 km，距離崇禮縣城15 km，距離太子城村2 km。太子城站遠期高峰小時發送量為800人，奧運期間高峰小時發送量為6 000人，太子城站站房建筑面積按12 000 m2控制。周邊有國賓山莊、國際會議中心、冬奧會賽區場地、奧運村等公共建筑。車站鈦鋅板屋面采用雙曲弧線造型，曲線形式與周圍山勢相呼應，雙曲屋面直接落地。

太子城的效果圖如圖3所示。

圖3 太子城站效果圖Fig.3 Rendering of Taizicheng Railway Station

3 模擬分析

在建筑設計中，建筑的平面形態與立面形態對反射結果影響較大。本文采用太子城站作為研究對象，采用Autodesk Ecotect Analysis作為分析軟件對太子城站進行反射光影響模擬分析。

太子城站屋面采用雙曲屋面形式，站房面寬222 m，進深27 m，站房高度16.8 m,太子城站周邊較為空曠，除綠化外無其余建筑物，基于此在Rhino中進行建模并導入Ecotect中(圖4)。

圖4 分析模型圖Fig.4 Analysis model

在分析前，首先對面板材料進行定義，由于所有鈦鋅板均為反射面，將面板定義為“窗”，并在其下新建一個名為“Titanium-zinc”的材料，將所測預鈍化鈦鋅板的吸收率(0.687)、反射比(0.313)和發射率(0.23)進行數值賦予。在模型中，將所有面板指定為陽光反射體，而因為太子城站周圍較為空曠，周圍無其他建筑模型，無需指定受影面。其后導入張家口的地理及氣候數據進行模擬分析。

3.1 影響范圍分析

鑒于太子城站的特殊地理位置以及作為冬奧會重要交通樞紐，需對冬奧會使用期間反射光影響范圍進行分析。為了確保模擬結果的準確性，根據張家口當地的氣候條件對反射光在全天內影響范圍進行數據整理，以15 min為時間節點截取數據，得到春秋分、夏至日、冬至日和冬奧會期間(2月4日)四個時間點的全天影響范圍效果圖(圖5)，圖中根據反射光累積形成的區域反映反射光的影響時間，顏色越深代表影響時間越久。

圖5 影響范圍效果圖Fig.5 Schematic diagram of influence scope

從圖5中可以看出，采用雙曲屋面結構，反射光呈現出多層級影響范圍，而非平面結構的連續性影響范圍，說明采用雙曲屋面形式可以有效分散反射光。

從春秋分到夏至日，反射光在近車站位置的影響時間逐漸增加，這是由于夏至日有更高的太陽高度角，在反射面形式不變的情況下，反射光不斷向車站靠攏。從春秋分到冬至日，反射光影響范圍縮小且影響時間明顯縮短，一方面由于冬至日照時間的縮短，另一方面隨著太陽高度角的減小，地面上的反射光距車站更遠。夏至日太陽輻射強烈，反射光影響范圍較廣且時間較長，需要對反射光產生的光污染進行著重控制。冬至日太陽輻射較弱，反射光影響范圍較小，對周圍環境影響較小。冬奧會舉辦持續時間為2月4日至2月20日，該時間段位于春分以及冬至日之間，此時的反射光主要集中在車站正前方，對較遠周邊影響較小，期間舉辦的奧運活動應盡量遠離車站附近以避免反射光的影響。

3.2 幾何參數影響分析

本文所研究的太子城站采用雙曲弧線造型設計，站房的每一個切面均可有理化定位，通過參數方程可以得到曲面上所有點位的位置坐標。如圖6所示為屋面弧線示意圖，控制雙曲線模型的主要參數包括圓弧N1對應的半徑R1、圓弧N2對應的半徑R2和圓弧N3對應的半徑R3。采用Rhino軟件進行建模，并利用軟件中的Grasshopper插件用參數和程序為主導進行參數化建模。

圖6 屋面弧線示意圖Fig.6 The arches of the roof

采用Grasshopper控制參數建立不同參數下的模型，各個模型采用的參數見表2。R1控制橫向寬度，橫向寬度隨R1的增大而減小；R2控制凈高，凈高隨R2的增大而減小；R3控制凈空，凈空隨R3的增大而減小。橫線寬度通常通過使用面積進行確定，增大橫向寬度會使建筑面積增加從而增大成本。凈高由使用需求以及施工技術確定，增大凈高會增大設計難度以及成本。凈空則決定了建筑內人員的舒適感。將建立好的模型導入至ECOTECT中進行反光分析，選取冬奧會期間(2月4日)作為測量時間，導出不同參數下模型的全天內影響范圍(圖7)。

表2 模型參數

圖7 不同模型反射效果圖Fig.7 Reflection effects of different models

由圖7可知，減小R1和增大R2均會導致反射光影響范圍減小，影響范圍向模型方向集中，這是由于在結構其他參數不變的情況下橫向寬度的增大改變了組成雙曲結構面板的立面形態，使得反射光更加分散，反射光集中影響的范圍隨之縮小；減小R3增大了凈空會導致反射光影響范圍擴大，雖然較大的凈空使站內旅客有更好的空間感，但會增強反射光對周邊環境的影響。

4 結論

本文分析了影響反射光的主要因素：反射材料、建筑環境、建筑形態。本文采用的鈦鋅板經預鈍化處理，大大降低其反射比，且隨使用時間的增加反射比逐年降低，減小反射光對周圍環境的影響，有效降低金屬屋面板的光污染。

通過建立雙曲面模型，對太子城站反光特性進行模擬分析，對不同時期以及不同幾何參數下的模型進行反光分析。為減小反射光對周圍環境的影響，可根據車站實際需求以及周邊環境反光要求，結合車站設計對雙曲屋面進行增大橫向寬度，減小凈高以及凈空的處理，對優化太子城站的建設具有指導意義。