夏熱冬暖地區大型鐵路客站建筑條形單元式屋頂形態得熱機理研究

何恩杰 范征宇

摘要：目的：近年來，條形單元作為典型的大型客站建筑屋頂造型設計手法，被建筑師廣泛選用。鐵路客站相對扁闊的空間形體大面積屋面成為建筑內部主要的熱量來源，可顯著影響其室內熱環境與能耗，在夏熱冬暖地區，這一現象尤甚。然而，在當前我國建筑設計運行全面低碳化的背景下，鮮有研究探究此類大型客站建筑的屋頂條形單元形態與得熱屬性間的關系。方法：文章基于案例調研法，梳理鐵路客站條形單元式屋頂典型原型，通過Rhino&Grasshoper結合Ladybug+Honeybee平臺，圍繞屋頂頂峰點相對高度、頂峰點相對位置等條形單元式屋頂關鍵形態變量，進行以屋面為媒介的室內凈得熱量仿真模擬。結果：文章集中探究了夏熱冬暖地區條形單元式屋頂形態與得熱性能間的關聯機理，認為改變屋面頂峰點相對高度和位置，會顯著影響夏熱冬暖地區條形單元式屋面夏季得熱。結論：模擬結果中屋頂形態變量的定量化數據變化規律，可為大型客站的條形單元式屋頂得熱與低碳優化設計提供有效的技術支撐與策略依據。

關鍵詞：夏熱冬暖地區；鐵路客站；建筑條形單元式屋頂；得熱；室內凈得熱量

中圖分類號：TU248.1 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2024）09-00-03

1 研究目的

傳統建筑元素轉譯與重構，并與結構單元結合應用于鐵路客站屋頂造型，是建筑設計領域重要創作主題之一［1］。從結構設計角度，單元體排列有序、受力明確、關系清晰。建筑的內部空間和外部形態，充分反映了這種清晰的結構邏輯關系，體現了結構的真實性和合理性［2］。李晉等人［3］則以廣州為例，通過仿真模擬手段探究雙坡、四坡、拱頂、穹頂和平屋頂挑檐五種體育館基礎屋頂形態與總體太陽輻射接受量間的關系。

2 研究方法與模擬實驗

本研究使用Energyplus引擎插件平臺，開展了雙坡條形單元式鐵路客站在太陽輻射下屋面室內凈得熱量的仿真模擬。

2.1 模型建立

依據調研結果，選取矩形平面方案建立典型實驗原型，如圖1中Model 0所示。原型平面尺寸為長（L）×寬（W）=360 m×170 m，高（H）為30 m（不含屋頂高度），屋面形式為條形單元雙坡式，選取40 m為每個屋面條形單元跨度（S），共形成9個條形單元。

2.2 關鍵設計參數提取

2.2.1 頂峰點豎向相對高度

頂峰點豎向相對高度是指豎直方向由屋頂最高點到檐口的高度。結合前期案例調研結果，如圖1所示。本文以5 m為步長，在0～25 m范圍內分別計算頂峰點豎向相對高度（RH）。

2.2.2 頂峰點平面相對位置

頂峰點平面相對位置是指在相同屋頂高度設置下，雙坡形式屋面的條形單元屋脊線于水平面內，在條形單元跨度內，沿屋脊線垂直方向的位置變化。如圖1中的Model 4、Model 7～10所示，以跨中為原點（0 m）位置，且以10 m為步長，分別測算頂峰點在屋脊線垂直方向（RP）-20～+20 m位置范圍內的變化。

2.3 邊界條件設置

2.3.1 氣候條件

根據《中國國家地理地圖》中中國年太陽總輻射量分布，選取年太陽總輻射量在4500～6000（兆·焦耳/平方米·年）的深圳市與三亞市作為典型城市。采集來自清華大學和中國氣象局的數據，選取6月作為典型極端季進行得熱分析。6月總輻射量，深圳為152.17（kWh·㎡），三亞為160.15（kWh·㎡）；6月散輻射量，深圳為61.18（kWh·㎡），三亞為59.89（kWh·㎡）；6月平均干球溫度，深圳為28.10 ℃，三亞為28.26 ℃。

2.3.2 其他模擬參數設置

根據《公共建筑節能設計標準》中夏熱冬暖地區甲類公共建筑圍護結構熱工性能的限值要求，將屋面材料長波輻射吸收系數設置為0.95，太陽輻射吸收系數設置為0.96。同時，本次實驗的目的為比較單一屋頂形態變量對得熱量的影響，關閉采暖與制冷系統，側窗窗墻面積比設置為20%。

2.3.3 天窗屋面面積比

《公共建筑節能設計標準》規定，甲類大型公共建筑的屋頂透光部分面積不應大于屋頂總面積的20%。結合前期案例調研結果，本研究確定天窗屋面面積比為10%。

2.3.4 朝向

考慮鐵路客站建設須順應鐵軌方向，而我國大部分鐵路軌道沿東西向或南北向鋪設，因此研究選取正南北向典型朝向。

2.4 以屋面為媒介進行熱交換的室內凈得熱量評價指標

分析大型鐵路客站建筑屋頂得熱過程可知，以屋面為媒介進行熱交換的室內凈得熱量包括四種。

第一，室內外溫差導致的屋面傳入/傳出室內的導熱量。

第二，太陽輻射通過天窗進入室內被屋面所吸收的短波輻射熱量。

第三，屋頂與室內其他表面的長波輻射熱量交換。

第四，屋面內表面附近區域的空氣對流熱交換量。其中，天窗部分進行熱交換的室內凈得熱量包括三種：一是天窗玻璃與窗框內外表面溫差形成的導熱傳熱，二是太陽輻射透過天窗玻璃傳入室內的熱量（可見光透射），三是天窗與室內長波輻射與短波輻射二次傳熱等。

3 結果與分析

3.1 頂峰點相對高度對得熱量的影響

由圖2可知，從總得熱量構成來看，導熱、天窗得熱以及與長波輻射熱交換占主導地位，與室內屋面附近空氣的對流換熱只占較小的比例，而短波輻射對總得熱量則呈負增益效果。從變量影響來看，隨著屋頂（即頂峰點）高度的增加，各代表性城市客站室內凈得熱量明顯增長。從室內凈得熱量變化率來看，兩地的變化率曲線均體現為頂峰點高度在0～10 m時，變化率緩慢增長，在10～20 m時，變化率顯著增長，說明在夏熱冬暖氣候區，較小的頂峰點高度變化不能引起明顯的總得熱量變化，但當高度突破一定閾值（10 m）時，室內凈得熱量對頂峰點高度的變化更為敏感。結合朝向變化可看出，在0～15 m，三亞始終保持更高的變化率。這說明相對較低的頂峰點高度對輻射資源更豐富的地域更為敏感。但在15～25 m，南北向屋頂隨著高度增加，在15～20 m，兩地均呈現出更顯著的變化率，在20～25 m，兩地則均呈現出明顯的增長停滯。這說明南北坡設置的條形單元式屋頂主要考慮南向得熱面，且當頂峰點高度在15～20 m時，屋面整體可取得最佳的總體得熱效果。而高度在20～25 m時，變化率增長緩慢，可能是較高的高度使南坡面形成了一定程度的自遮擋，其南向坡面得熱增益并不能蓋過因南向坡面自遮擋產生的得熱損益。

3.2 頂峰點相對位置對得熱量的影響

頂峰點即屋頂相對高度保持恒定為15 m，在實際應用合理范圍內按-20～20 m表示自南向北均勻變化屋頂頂峰點相對位置。由圖3可知，總得熱量構成與3.1中表現一致，在此不加贅述。從變量影響來看，針對南北坡設置，隨著頂峰點位置的移動，兩城市的客站室內凈得熱量呈現先減少再增加的趨勢，表明頂峰點相對位置在偏北側位置狀態（+10 m）時最有利于減少得熱。從室內凈得熱量變化率來看，與頂峰點高度變化效果類似，在頂峰點相對位置由跨中位置（0 m）偏移變化至極端位置（-20/20 m）的過程中，兩地的變化率曲線均體現為頂峰點高度為0～±10 m時變化較緩，而在±10～±20 m時，變化率顯著增長。這說明在夏熱冬暖氣候區，較小的頂峰點位置變化同樣不能引起明顯的總得熱量變化，但當其突破一定閾值（±10 m）后，室內凈得熱量對頂峰點位置的變化十分敏感。在南北坡設置時，無論是0～-20 m還是0～+20 m，深圳與三亞的室內凈得熱量變化率、變化趨勢均展現出明顯的不同，即頂峰點相對位置向南移動的變化率明顯高于向北移動的變化率。

4 結語

通過研究可以發現，夏熱冬暖地區條形單元式屋面頂峰點高度增加能提升大型客站建筑的屋面總體得熱。當基礎頂峰點高度較小時，高度增加對總得熱量的影響不顯著；但當突破關鍵閾值（10 m）后，會對室內凈得熱量產生明顯影響，且相對較高的頂峰點高度對輻射資源更豐富的地域更為敏感。改變屋面頂峰點相對位置，同樣可以影響夏熱冬暖地區條形單元式屋面夏季得熱。針對南北坡，頂峰點在最北側位置（南向單坡）狀態時最有利于控制得熱，在較低緯度地區，南北坡形式更適宜采用坡形變化的方法來控制其輻射得熱效果。同時，在夏熱冬暖氣候區，基于跨中基準位置，較小的頂峰點位置變化對總得熱量影響有限；但當突破關鍵閾值（±10 m）后，其增減會對室內凈得熱量產生明顯影響。

參考文獻：

［1］ 田宇.應用傳統建筑元素的鐵路客站設計方法研究［D］.大連：大連理工大學，2020.

［2］ 王力，李春舫.結構即空間，結構即建筑：以結構邏輯為主線的鐵路旅客車站空間塑造［J］.建筑技藝，2018（9）：58-65.

［3］ 李晉，張威，游媛.濕熱地區體育館被動形態與太陽輻射關系研究［J］.南方建筑，2011（1）：90-93.

基金項目：本論文為2017年度科技部重點研發計劃課題“地域氣候適應型綠色公共建筑設計技術體系”研究成果，項目編號：2017YFC0702303（科技部）

作者簡介：何恩杰 （1998—），男，研究方向：綠色建筑設計及技術；范征宇 （1985—），男，博士，副教授，研究方向：綠色建筑技術。