張曉林，張 彥

（北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100045）

1 研究背景

1.1 國內外綠色建筑發(fā)展狀況

發(fā)展節(jié)能、綠色和智能建筑，是國際建筑領域的大趨勢[1]。圍繞推廣和規(guī)范綠色建筑發(fā)展的目標，近年來許多國家和地區(qū)制定了各自的綠色建筑評估體系，比較成熟的有：英國的BREEAM、美國的LEED、挪威的EcoProfile、加拿大的GBTool、日本的CASBEE、法國的ESCALE、澳大利亞的NABERS、德國的DGNB、荷蘭的GreenCalc、新加坡的Green Mark等，各個國家的綠色建筑評價和認證也在評價體系的指導下如火如荼地開展。

中國資源總量和人均資源量都嚴重不足，同時中國的消費增長速度驚人，資源再生利用率也遠低于發(fā)達國家。中國正處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化快速發(fā)展時期，與發(fā)達國家相比，在氣候、地理環(huán)境、自然資源、經(jīng)濟社會發(fā)展水平與民俗文化等方面都存在巨大差異，對于綠色建筑技術有迫切的需求。至今，中國綠色建筑全面發(fā)展已經(jīng)過10多年[2]，在法規(guī)、政策、標準三管齊下的指引下，中國綠色建筑評價工作發(fā)展十分迅速。2006年，《綠色建筑評價標準》(GB/T 50378)發(fā)布，并于2014年和2019年完成了兩次修訂，綠色建筑的性能也從最初的“四節(jié)(節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材)一環(huán)?！卑l(fā)展為“五大性能(安全耐久、健康舒適、生活便利、資源節(jié)約、環(huán)境宜居)”[3]，并形成安全、宜居、生態(tài)可持續(xù)這一構建綠色建筑體系的“鐵三角”[2]。截至2019年底，全國共評出綠色建筑標識項目近2萬個，建筑面積大約14億m2[4]。實踐過程中，中國還有眾多綠色專項標準、地方標準相繼出臺，國家和地方的綠色建筑相關產品和產業(yè)也得到了迅速發(fā)展。

近10年來，在城市軌道交通領域，國內各地方的軌道交通公司也陸續(xù)開展了區(qū)域性的綠色軌道交通標準的編制工作。2013年深圳地鐵公司和中國鐵道科學研究院聯(lián)合編制了《深圳市綠色城市軌道交通工程建設與運營評價標準》，同年《長沙市綠色城市軌道交通評價標準》和《長沙市城市軌道交通綠色車站設計導則》[5]相繼發(fā)布。2019年，中國建筑節(jié)能協(xié)會和中國城市軌道交通協(xié)會的團體標準《綠色城市軌道交通車站評價標準》[6]也頒布實施，城市軌道交通車站的綠色評價工作也相繼展開。

1.2 國內軌道交通高架車站存在問題和解決方案

2010年以前，中國還沒有綠色城軌高架車站的設計實踐。所以，從2010年5月至2013年5月的3年時間，在張郭莊站設計之初和設計過程中，項目組織了多次針對軌道交通高架車站和綠色公共建筑的調研活動，發(fā)現(xiàn)當時的既有高架車站存在一些普遍問題：

1) 夏季通風不利：由于考慮冬季擋風等因素，車站過于封閉，導致在夏季不能很好地自然通風。

2) 二次裝修過重：現(xiàn)有車站裝修基本在原有結構基礎上進行全覆蓋式裝修，二次裝修過重。

3) 屋頂隔熱不利：在夏季，站臺層明顯比下部的站廳層溫度高，這主要在于屋頂直接受到輻射熱的侵襲，按常規(guī)的屋頂體系來設計不采暖但又封閉的車站空間是不合適的。

4) 可再生能源利用：中國的軌道交通高架車站當時還沒有使用可再生能源。

5) 設備優(yōu)化：設備體系從綠色建筑技術的角度來看，集成度不高。

6) 車站建筑、結構、設備一體化設計協(xié)調不夠。

針對以上問題，在張郭莊站各階段設計中予以逐步完善。

1.3 張郭莊站概況

北京軌道交通14號線被定位為大運量等級的軌道交通線路，服務于中心城區(qū)及邊緣集團，兼有交通疏解和引導發(fā)展的功能，在2015年線網(wǎng)規(guī)劃中，是一條連接東北、西南方向，中間為圍繞中心城區(qū)的半環(huán)狀的軌道交通干線。線路全長47.3 km，共有37座車站，張郭莊站為本線西端的起點站，與第2個車站園博園站為全線僅有的兩座高架站。車站位于規(guī)劃的梅市口路路中隔離帶，車站為東西走向，北側規(guī)劃為大面積的交通接駁用地，包括P+R停車場、公交總站及自行車停車場等。梅市口路為城市主干道，規(guī)劃紅線60 m寬，車站部分可局部拓寬至80 m。車站總長174.7 m，總寬30 m。車站總建筑面積為10 542.72 m2，其中主體建筑面積為9 703 m2，附屬建筑面積為839.72 m2。

2 張郭莊站綠色建筑設計

2.1 車站建筑形式

車站位于梅市口路路中隔離帶內。傳統(tǒng)站型為路中高架3層側式車站，1層為橫向雙柱內縮的架空層，2層為底部懸挑的站廳層，3層為站臺層，車站設置4個出入口，乘客通過天橋進出車站(見圖1)。車站的雙柱設置在橫向8 m寬的路中隔離帶內，地面市政道路從2層懸挑站廳的下部地面通過。傳統(tǒng)站型的優(yōu)點是保持了車站兩側地面市政道路的直接通行條件，是目前國內軌道交通高架車站的主流形式。

圖1 常規(guī)高架車站方案Figure 1 Regular elevated station scheme

而筆者與美國L·A·S建筑設計集團的建筑師經(jīng)過現(xiàn)場踏勘和研究分析，提出的概念設計方案則是：將路中隔離帶加寬、高架車站完全落地成為簡單的兩層普通框架車站(后改為3層車站)，1層為站廳和設備層，2層為站臺層，市政道路平面繞行并且高架通過車站兩側，高架道路只留有乘客從地面穿過其橋下進出車站的通道(圖2～4)。車站完全落地出于如下考慮：

圖2 3層車站方案平面圖(從1層進站)Figure 2 Plan of the three-storey station scheme(incoming from the first floor)

1) 車站為14號線端頭樞紐站，且位于東西向的梅市口路與南北向的郭莊路和蘆井路的交叉口之間，兩路口相距較遠，樞紐區(qū)域有高架車站完全落地、而兩側市政道路平面繞行且起坡和落地的交通條件。經(jīng)詳細交通分析，方案設計可以解決車站落地對周邊地塊的分隔和區(qū)域交通功能問題；

2) 方案設計以服務乘客為首要考慮因素，乘客從1層平面通道直接進、出同層站廳，再上、下到2層站臺，與常規(guī)建筑方案相比，進站乘客的提升高度和出站乘客的落降高度均減少1層，體現(xiàn)了“以人為本、公眾優(yōu)先”的核心思想；

圖3 3層車站方案立體效果圖(從1層進站)Figure 3 Three-dimensional rendering of the three-storey station scheme (incoming from the first floor)

圖4 3層車站方案橫剖面(從1層進站)Figure 4 Cross-section of the three-storey station scheme (incoming from the first floor)

3) 設計方案使原先屈從于現(xiàn)狀道路的懸挑架空式的建筑類型，回歸到了完全落地式的沉穩(wěn)的建筑形體，車站本體和周邊樞紐區(qū)域更為集約高效，體現(xiàn)了綠色建筑的核心思想。

2011年車站規(guī)劃方案評審時，專家組同意了設計方案。但由于方案對于以棋盤格道路網(wǎng)為思維主導的傳統(tǒng)規(guī)劃思想的沖擊和挑戰(zhàn)過于強烈，最終審查批復時只同意中央隔離帶加寬、站房落地、市政道路平面繞行的方案。批復意見對于兩側道路高架的設置方案沒有給予支持，所以后來實施的車站方案為3層落地的方案：1層為設備用房并預留有軌電車T1線換乘站臺，2層為站廳，3層為站臺，乘客從上跨道路的2層天橋進出車站(見圖5)。

圖5 3層車站方案立體效果(從2層進站)Figure 5 Three-dimensional rendering of the third-storey station scheme (incoming from the second floor)

全新的創(chuàng)作思想對于今后軌道交通端頭站或樞紐站設計是創(chuàng)新的啟示，有助于實現(xiàn)車站及周邊一體化發(fā)展[7]。

2.2 車站綠色建筑設計[8]

2.2.1 人文方面

1) 乘客從地面進出車站，僅通過一跑樓扶梯上下站臺，換乘更為便捷舒適，體現(xiàn)了“以人為本”思想。

2) 高低錯落、層次分明的建筑空間布局、開闊的站內視野、立體和曲線的花壇、藤蔓綠墻、大片的綠化及行道樹、遠處廣場動感的太陽能光電柱，提供了舒適宜人的候車環(huán)境(見圖6～7)。

圖6 車站的人文理念Figure 6 Humanistic concept of the station

圖7 車站的建筑效果Figure 7 Building effects of the station

2.2.2 科技方面

1) 以科學的研究、分析和設計手法，使車站建筑在朝向、布局、造型等各方面充分利用自然采光(見圖8～11)。

圖8 夏季(左)、冬季(右)中午太陽位置分析Figure 8 Sun position analysis diagram in summer and winter at noon

圖9 夏季(左)、冬季(右)早晨太陽光影分析Figure 9 Morning sunlight and shadow in summer (left)and winter (right)

圖10 夏季(左)、冬季(右)正午太陽光影分析Figure 10 Noon sunlight and shadow in summer (left)and winter (right)

圖11 春季和夏季站臺太陽光影分析——屋頂自然采光Figure 11 Sunlight and shadow at the platform with roof natural lighting in spring and summer

2) 以先進的科學手段，為建筑盡量提供自然采暖通風能力。

3) 以普通的建筑材料、簡易的施工方法、便捷而耐久的使用維護方式，設計出不同尋常的、引人關注的建筑外觀和造型。

4) 綠色建筑科技的直觀展示具有重大的科普意義。

5) 以特殊的科技方法表達諸如磚、混凝土、鋼鐵、玻璃等傳統(tǒng)建筑材料。

6) 智能控制的能耗計量和分析，直觀展現(xiàn)節(jié)能效果。

2.2.3 綠色方面

建筑設計充分考慮了供電系統(tǒng)再生制動能量、太陽能、風能、水的利用以及土地的利用。

1) 節(jié)地

①合理布置車站用房和交通接駁設施，使得車站樞紐功能集成度更高，減少總體占地面積。

②采用自生系統(tǒng)的設計方法，增加車站周邊開放空間、擴大綠化面積、保持綠化間距、設置綠化隔離帶。采用側式站臺方案可加強與周圍自然景觀的聯(lián)系，植被與車站建筑的結合則極大地優(yōu)化乘客對環(huán)境的視覺感受。

③屋面雨水經(jīng)排水管流入雨水溝，匯入車站兩端的雨水處理池中，經(jīng)沉淀過濾流入地下的存儲罐中，供旱季使用。站前廣場使用的透水磚、雨水回收系統(tǒng)和人工花臺，可以減少雨水的地面沖刷并幫助雨水利用。

④反射屋頂?shù)氖褂每梢詼p少城市熱島效應的影響，并有助于在夏季獲得更舒適的小氣候環(huán)境。

2) 節(jié)能

①充分利用天然能源：恰當?shù)慕ㄖ蛴兄谧钃跸募狙谉岬墓庹?，又能在冬季獲得最多的太陽熱量。

②可再生能源的利用：太陽能與再生制動逆變分別并網(wǎng)至0.4 kV的兩段母線，為車站用電提供補充；站前廣場照明采用具有雕塑作用的精巧的風光互補照明燈具，具有強烈的雕塑作用，并讓乘客直觀了解獲取綠色能源的方法，兼具科普意義。

③利用自然通風散熱，亦可最大限度地提高乘客的舒適度。

④盡量使用自然采光，可在白天大量減少人工照明的能耗。

⑤采用具有自控功能的高效照明和采暖通風系統(tǒng)，以進一步減少能耗。暖通設備均使用有利環(huán)保的制冷劑。

3) 節(jié)水

①雨水回收和利用：結合本地植物和易成活植物的景觀設計，雨水回收系統(tǒng)的使用可完全避免使用城市用水灌溉植物。

②節(jié)水的器具：使用低流量的衛(wèi)生器具，包括雙套沖水系統(tǒng)、超高效潔具、無水小便器和低流量水龍頭等節(jié)水措施。

4) 節(jié)材

①采用整體清水混凝土結構，盡量減少二次裝修，降低運營維護成本。

②使用生物成分材料和本地材料：使用有利回收、以生物成分為主的建材，并盡量選用本地制造商及供應商生產和組裝的材料及產品。

③使用可回收材料：使用回收鋼材、水泥替代物及回收骨料混凝土等方法從建筑結構方面達到節(jié)材的目的。使用煉鋼廠高爐、鼓風爐礦渣或火力發(fā)電廠煤灰可有效代替40%以上的純水泥。

④施工廢料的回收：在傳統(tǒng)廢料處理基礎上，至少達到50%的回收率。

5) 環(huán)境

①自然采光：將室內空間按功能分區(qū)布置，以充分利用自然采光。將辦公空間沿外墻設置，并在車站的屋頂上設置天窗，從而獲得最大化的日光照明。

②自然通風：車站站臺為半開敞形式，通過對風速、風向的基本分析，采用以玻璃幕墻形成避風港的設計方法改善冬季候車條件；玻璃幕墻附設可開啟窗戶，在夏季可形成涼爽穿堂風。

③室內裝修和家具均使用專門的低排放材料，并使用二氧化碳傳感器控制系統(tǒng)，以優(yōu)化通風質量和提高溫度舒適度。

④改善乘客視野景觀質量。

車站整體的綠色建筑概念示意如圖12。

圖12 綠色車站概念示意Figure 12 Schematic of the green station concept

3 張郭莊站綠色建筑實施效果

3.1 實施的困難、問題及解決方案[8-9]

3.1.1 車站主體的屋頂鋼結構造型和屋面板構造

屋頂造型原為較復雜的雙曲菠蘿面空間造型的預制清水混凝土屋面板構造，實施階段工期較緊，感覺以國內的施工水平短時間內完成屋頂主體結構施工和太陽能光電板安裝有一定困難，難以實現(xiàn)建筑屋面和屋蓋結構之間的有效連接，此外在板件制作、建筑防水等方面也存在工程難題。

最終方案采用結構和建筑分層設計的概念予以結構簡化，將復雜的建筑曲面由屋蓋的次結構體系完成，屋蓋主結構體系主要完成合理的內部空間布局和安全需求，屋面板構造改為國內常規(guī)的金屬屋面板構造(見圖13～14)。

圖13 屋頂鋼結構方案的簡化和屋蓋結構模型Figure 13 Simplification of roof steel structure scheme and roof structural model

圖14 站臺屋蓋結構安裝完成后的內景Figure 14 Indoor scene after the installation of the platform roof structure

3.1.2 雨水回收系統(tǒng)

實施設計方案，考慮雨水回用用途對水質的要求，將屋面雨水通過雨水收集系統(tǒng)進行收集，再經(jīng)過初期棄流后進入PP模塊組合水池進行儲存，經(jīng)雨水過濾器過濾后即可回用。一次降雨可供回用的總雨水量為128 m3?？紤]到雨水的保質周期及北京地區(qū)兩場降雨間隔時間，本次設計用水周期為5 d，則每天的雨水回用量為Qd=25.6 m3/d。收集的雨水用于澆灑綠地，澆灑綠地用水定額為3 L/m2·d，故一次降雨可滿足約8 500 m2的綠地5 d的澆灑用水量。施工階段，由于車站兩側的市政道路標高因地下管線布置與車站地面標高發(fā)生矛盾，設計項目組臨時取消了車站兩側的集水溝設施，這為將來的雨水收集利用留下了遺憾。

3.1.3 出入口通道的屋頂綠化

原設計方案的車站出入口通道采用了屋頂綠化，以適當提高通道內行人的舒適度，提高站區(qū)的建筑景觀，并適度降低城市小區(qū)域的熱島效應，但實施過程中因維護成本提高而取消。

3.2 實施方案綠色建筑技術措施[9-10]

3.2.1 被動式太陽能獲取

通過分析地域的氣候條件、車站內部物理環(huán)境分析以及軟件的計量分析對比，對建筑朝向、圍護結構、屋頂采光方式和太陽能利用系統(tǒng)，進行建筑光伏技術一體化設計，形成一座具有被動式太陽能利用特點的節(jié)能車站，以實現(xiàn)天然能源的合理利用(見圖15～16)。

圖15 被動式太陽能獲取Figure 15 Passive solar energy acquisition

圖16 站臺屋蓋結構安裝完成后的外景Figure 16 Outdoor scene after the installation of platform roof structure

3.2.2 自然采光、自然通風

方案實現(xiàn)了夏季自然通風、冬季擋風和適度保暖的建筑效果。每塊屋面板有韻律的高低傾斜，在形成屋面特殊造型的同時，也提供了建筑最佳朝向及站臺屋頂天窗最佳采光角度。恰當?shù)慕ㄖ蚣扔欣谡趽跸募狙谉岬墓庹?，又能在冬季獲得更多的太陽熱量，同時盡量多地利用自然采光，也可降低車站的綜合能耗(見圖17～18)。

圖17 車站的自然采光外景Figure 17 Natural lighting outside the station

圖18 車站的自然采光內景Figure 18 Natural lighting inside the station

站臺層雖然采取了全封閉，但側墻屋面與鋼柱之間約2 m高的固定百葉窗提供良好的夏季通風換氣條件；站臺層采用2.5 m的全高安全門，與側邊的玻璃幕墻共同形成了“玻璃擋風墻”，為乘客冬季擋風；玻璃幕墻上設置可開啟窗戶，在夏季可形成涼爽的穿堂風。通過對風速、風向的基本分析等間接設計策略，為乘客提供相對舒適的候車環(huán)境(見圖19～20)。

圖19 車站自然通風方案Figure 19 Natural ventilation scheme of the station

3.2.3 太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)

車站設置60 kW太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置，其發(fā)電直接并網(wǎng)至車站變電所0.4 kV低壓柜I段母線。當裝置正常工作發(fā)電時站內低壓負荷優(yōu)先使用太陽能電源(見圖21)。

圖21 太陽能光伏并網(wǎng)邏輯Figure 21 Logic diagram of solar photovoltaic grid

3.2.4 接近自然的生態(tài)理念

為了保持生態(tài)和人文理念的一致，在場地設計中使用了自生系統(tǒng)的設計方法。車站周邊增加開放空間，擴大綠化面積，保持綠化間距，設置綠化隔離帶，并將綠化帶一直延伸到園博園區(qū)；側站臺的設計也可加強與周圍自然景觀的聯(lián)系；植被與車站建筑的結合可極大優(yōu)化乘客對環(huán)境的視覺感受。

3.2.5 綠色建筑材料

主體結構采用輕裝修工藝，盡量減少站廳和站臺的二次裝修，節(jié)省用材，降低運營維護成本；精心選擇本地制造商及供應商生產和組裝的材料和產品，以及低能耗材料，使用利于回收的材料，以減少對環(huán)境的影響。

3.2.6 地埋式污水處理設備

車站所處位置無現(xiàn)狀市政污水管網(wǎng)，按照環(huán)評報告要求應實現(xiàn)零排放，因此設置地埋式污水處理設備，將車站的生活污廢水處理成中水回用，多余的中水溢流至市政雨水管網(wǎng)；設計采用膜生物反應器(MBR)作為核心處理工藝，整個工藝流程包括：格柵去除雜質、調節(jié)池調節(jié)平衡水量、MBR生物氧化處理、消毒。消毒后的出水可以達到中水水質標準，排入中水池。中水池起調節(jié)水量作用。采用回用水泵將中水輸送至車站室外用以澆灑道路和綠化。

3.2.7 自限溫式電保溫系統(tǒng)

車站的消防及生活水管采用自限溫式電保溫系統(tǒng)代替恒功率電保溫系統(tǒng)，自限溫發(fā)熱電纜的發(fā)熱功率可隨所處環(huán)境溫度的變化而發(fā)生變化。其所處環(huán)境溫度升高時，其發(fā)熱功率減小，反之，其發(fā)熱功率升高。自限溫發(fā)熱電纜可以自由裁切，也可自由纏繞搭接，管線更換少；自限溫發(fā)熱電纜不會引起局部溫度過高而損傷電纜本身，當發(fā)熱電纜接近設定的溫度時，功率會自動降低，管道閥門等處局部不再過度發(fā)熱，達到節(jié)能省錢的效果。該系統(tǒng)能夠快速啟動，運行成本低，溫度相對均勻，安裝簡單，維護方便。

3.2.8 智能照明控制系統(tǒng)

附屬房間照明采用智能照明控制，即當工作人員進入后，紅外感應器自動開啟室內的燈光，當工作人員離開后，感應器延時關閉燈光。此種工作方式可以有效避免浪費，節(jié)約能源。

3.2.9 能源管控系統(tǒng)

為評估車站運營后能耗構成及節(jié)能效果，車站預留了車站級能源管控系統(tǒng)實施條件。對車站內用電設備能耗分類計量，并將計量結果上傳至能源管控平臺以供能耗分析及節(jié)能方案評測。系統(tǒng)由智能電度表、管線、上位機及管控平臺構成。系統(tǒng)目前對用電設備進行分類計量，設置了智能電度表，并將管線敷設至配電室處，待需要時將上位機及管控平臺安裝到位即可正常運行。

4 結語

張郭莊車站于2011年4月中旬開工建設，并于2013年5月豐臺園博園開園前建成通車。2014年該項目入選北京市規(guī)劃和自然資源委員會推介的北京市首批10個綠色建筑示范單體之一。2015年項目獲得北京市第十八屆優(yōu)秀工程設計獎三等獎，同年獲得中國土木學會城市軌道交通工作委員會頒發(fā)的“城市軌道交通創(chuàng)新技術推廣項目”獎牌。

張郭莊站是國內首次在城市軌道交通領域進行系統(tǒng)性綠色技術嘗試的高架車站。實施過程中有對新技術的深入學習和研討，也有觀念的碰撞和沖突，也留下一些工程遺憾，這都成為我們項目的寶貴經(jīng)驗。