重庆地区建筑中雨水处理设计研究——以重庆大学城树人幼儿园再设计为例 3页

重庆地区建筑中雨水处理设计研究——以重庆大学城树人幼儿园再设计为例孙启豹，李颖，夏长春(重庆大学，重庆400030)摘要：雨水作为自然资源，在传统的城市雨水处理中是通过市政管网直接排放到城市之外的，城市区域内的土地无法得到有效的雨水补偿，地下水下降，热岛效应明显，易生洪涝。将雨水处理融入到城市设计的建筑与场地中，采用降低地表径流、储存、再利用等方式将雨水使用到建筑运行周期和场地维护中，达到此时、此地的利用，实现小环境雨水自然性循环，通过绿植、生态表皮、人工湿地等方式降低热岛效应，降低建筑运行能源和资源的消耗。关键词：雨水；海绵城市；生态表皮；人工湿地中图分类号：7I'【J991．57文献标志码：B文章编号：1672—4011(2016)03—0272—03DOI：10．3969／j．issn．1672—4011．2016．03．142O前言随着能源和资源的逐渐枯竭，能源逐渐影响到人们的生活。建筑建设会消耗大量资源和能源，大约占社会能源总消耗的30％，建筑运行对能源和资源再次形成高消耗。从建筑的整个使用周期分析，面对资源和能源的日趋短缺，如何在建筑中减少非可再生资源的消耗，提高可再生资源的利用水平，成为建筑设计中日趋重要的内容。建筑设计开始从粗犷的建设模式转向“建筑·环境·设计”，将建筑与环境的关系作为重要点结合于设计中。我国淡水资源丰富，但人均占有量仅为世界人均占有量的1／4左右，耕地占有量仅为设计占有量的3／4。雨水作为除中水、海水之外的另一类大量性非传统水资源，其自身的净化成本相对于中水和海水，具有一定的经济优势。但我国雨量分布的不均衡导致雨量大的地方雨水直接排走，缺水地方无雨水可用。如何充分发挥雨水的使用价值，成为节约资源的一大问题。重庆地处我国西南地区，属亚热带季风性湿润气候，常年降水量l000～1450mm，大部分降雨集中在夏季。重庆城区建筑密度大，尤其老城区，大部分降水建筑屋顶或道路路面收集后的雨水直接通过市政管道排出城市。这样存在的问题是，该地区的降水一是没能被有效利用，二是雨水的直接排放导致该区域地表水无法补充，形成热岛效应，三是容易在城市形成洪涝灾害。面对这几个问题，本文以重庆大学城树人幼儿园为例，结合“海绵城市”理论对重庆市雨水的利用进行新的尝试和可行性分析。重庆大学城树人幼儿园紧邻树人小学，建筑用地面积8284m2，建筑面积6122．23m2。建筑占地面积2552．20m2，作者简介：孙启豹(1990一)，男，山东枣庄人。在读硕士研究生，研究方向：建筑设计。·272·道路及硬化面积30r75m2，其余部分为绿植。该幼儿园有15个教学班级，使用人数多，对用水量上具有较高的要求。树人幼儿园已经建设完成，且基本符合当时的节能要求。但为了增加幼儿园绿色节能率，提高教室使用的舒适度，进行了节能概念性设计(见图1)，并通过软件进行了部分模拟对比。在建筑的节水方面，现状是建筑中虽有部分对雨水的使用设计，但没有系统和深入研究，因此，本次以雨水利用设计为专题，深入研究该幼儿园在雨水节能设计方面的可行性。一图l幼儿固再设计效果图1雨水的收集与储存设计雨水利用成为全球普遍重视的课题，国外在城市的雨水利用较早，且已形成一定规模。目前德国新建小区中，如果没有设计雨水利用设施，政府将会收取雨洪排放设施费和雨水排放费。发达国家的雨水利用设计为我国雨水系统提供好的参考与示范作用。结合目前技术和重庆本地的地理、气候等条件对树人幼儿园的雨水收集和利用进行新的设计，雨水利用系统如图2所示。树人幼儿园以年降雨量l200mm计算，幼儿园用地范围降水量为9940．8m3，日均27．23m3，数量可观。经过粗略处理后可以用于绿化灌溉、卫生间冲刷等方面。因此做好雨水收集是设计的第一步。1)屋顶雨水收集。屋顶的雨水收集分为平屋面的雨水收集和屋顶构架的雨水收集。屋面雨水收集利用比道路雨水回收利用复杂，主要包括雨水收集系统、过滤系统、贮存系统、回用系统等。屋面的雨水收集在节能改造后并没有增加难度。屋顶增设的种植屋面部分可以在蓄水种植屋面中通过溢水口排到檐沟，进而通过落水管排进地下设备区，经过过滤池过滤后存到蓄水池中待用。上人的屋面通\n过铺装的落雨设施经过汇水后排到落水管。屋顶构架和阳光间玻璃屋面的雨水收集则采用屋顶收集、处理、储存全部流程，便于利用重力势能为局部提供供水。为了不影响屋顶造型，屋顶构架中间的挖空部分放置太阳能电池板和板式集热器，图2中，倾斜太阳板从水平投影上可以看出，太阳板可以全截面接收雨水，再通过水槽收集到卫生间上部的过滤池和储水箱中。而阳光间顶面的双坡玻璃顶将雨水分流到两侧后，经过水管同样送到屋顶蓄水池中。2)地面雨水集蓄。针对直接降落到绿地的雨水，除植物正常生长需求外的过量水通过下渗作用渗入地下。从设计角度，绿地略低于地面，形成下凹式绿地。周边高程高于绿地高程时，雨水通过重力作用汇聚到绿地中。过量雨水进入绿地后，通过滞蓄入渗作用，将过量的雨水收集，并透过土壤的渗透作用下渗，补充土壤层水量。植物通过根系再利用下渗雨水，可以减少灌溉用水和延长灌溉周期。降落到硬质地面的雨水一部分通过透水砖的下渗作用渗透到土地中，维持土壤的含水量稳定。部分雨水通过表面径流有组织的排到绿地中。暴雨降雨量超过绿地可容纳极限时．可将雨水排到人工水池中进行蓄洪，调节微气候。一／R$翼】|1／／／／<闰]冈]<／16]而圈2雨水利用系统设计2雨水的再利用途径设计由于雨水在降落过程中与空气中的悬浮物及溶解性气体接触，并在形成径流过程中受到屋面材料、道路路面等因素的影响而影响水质。在地面和屋顶上收集的雨水，质量上略有区别。而使用目的不同，对雨水的洁净程度要求也不同，因此，可以区别对待，减少复杂性设备的投入，降低成本。在幼儿园节水设计中，雨水的收集主要是屋顶部分。屋顶雨水水质相对于地面，受到更少的人为污染。同时屋顶的雨水收集后可以利用雨水的重力作用进行输送，减少动力能源的消耗。考虑到屋顶集水面积较大，对屋面荷载要求高，因此，屋顶收集的雨水除部分留在卫生间顶部，大部分雨水需输送到地面蓄水池中。屋面雨水收集作为主要存储来源，本次设计主要有四种利用方式：绿化灌溉、渗水陶管构筑的生态表皮、冲洗用水、人工水池和人工湿地调节等。使用功能的不同，对水质的要求也不同，渗水陶管对水质要求最高。1)绿化灌溉。绿化灌溉分为屋顶绿化灌溉、墙体绿化和地面绿地灌溉。屋顶绿化为屋顶附加，从结构层上设计有蓄水层，蓄水层水量充足后，会通过泄水口将过量的雨水通过落水管输到地下蓄水池中，以备枯水期使用。地面绿地在地面雨水集蓄上具有较高的保水能力，通过根系对土壤中存储水量的吸收可以基本维持，在降水较少时期同样可以通过地下蓄水池进行灌溉。在墙体垂直绿化上的灌溉对供水的要求较高。在东西墙体的垂直绿化中采用与垂直方向100夹角的方式减少绿植与结构的固定难度，绿植以3．0m×2．6m尺寸板块，并采用0．2m×0．2m作为格构网将绿植分块固定，而结构层内部采用滴灌技术和高保水土质层，保持一定的水分。滴灌技术的供水管道对水质要求较高，且供水频率较高，因此，采用屋顶蓄水池供水可以减少供水能耗。东西墙体的绿化，除避免太阳直射到建筑墙体起到遮挡作用外，绿植的蒸腾作用以及种植土中水的蒸发都将带走热量。东西墙体绿化与建筑墙体之间有300一的间隙，夏季因墙体上下之间的热压差形成气流，带走墙体表面的热量。2)渗水陶管构筑的生态表皮。渗水陶管类似于植物的蒸腾作用，植物通过根系吸收地表水，经过树叶，以蒸腾作用来降低树叶周围环境的温度，保持自身较好的光合作用活性。树叶周边低于室外干球温度，实现本身周边的纳凉。同时，树叶本身吸收周围的热辐射，释放冷辐射。在降温的作用方面，水的降温分为显热和潜热两种，水不通过相变产生的吸热或散热称为显热，通过水的蒸发或溶解等产生的吸热或散热称为潜热。lmL水通过显热大约只能控制最多1cal里的热量变化，而潜热的话，同样lInL水大概能控制594cal热量，二者相差约600倍。日本索尼大厦采用渗水陶管技术，利用水的蒸发在建筑表皮带走热量，产生冷辐射。建筑表皮降温4～10℃。在幼儿园的阳光间和卫生间的墙体部分安装渗水陶管，降低建筑表皮温度，同时冷辐射能够降低教室内和室外的温度。渗水陶管通过屋顶水箱提供供水，考虑到渗水陶管对水质要求高，因此屋顶收集的雨水需要过滤和膜技术系统净化。该系统用水为持续性，自重供水成为最佳无能耗策略。3)冲洗用水。冲洗用水分为幼儿园卫生间冲洗用水和普通清洁用水。幼儿园卫生间冲洗用水需要考虑水的洁净且无异味，收集的雨水经过过滤沉淀储存到存储池，虽然悬浮颗粒等可以过滤，但微生物和细菌很难过滤掉，因此，经过紫外线的杀菌处理后输送到卫生问作为冲洗用水。而卫生间冲洗用水经过中水管道进行二次过滤后，粪便可制沼气，提供厨房作燃料，污水经过净化输送到西侧的人工湿地净化。硬质地面的冲洗等保洁用水可以使用地下蓄水池水，对硬质地面的冲洗可再次将雨水渗透到地面以下。4)人工水池和人工湿地调节。人工水池和人工湿地不同，人工水池可以直接接受降雨，储存在水池中，并种植荷花等观赏性植物提高环境质量。人工水池因水分蒸发水位降低时，可以通过地下蓄水池提供水源补给。而人工湿地主要来自卫生间污水和盥洗用水，经过过滤和沉淀后排至人工湿地，人工湿地种植的植物以净化能力强的植物为主，通过植物的净化，改善水质后可以直接排放到学校紧邻的河道中，补充河水，参与水的地表流动循环。而在净化过程中，人工湿地中的水分通过水的汽化循环到大自然中，这与现在正在提倡的“海绵城市”理念相符合，雨水以最大的可能性在所降区域实现利用后返还，提高该区域水环境的稳定性，在蓄洪和避免热岛效应作用方面效果明显。·273·\nV01．42，No．3apIIJ遣材第42卷第3期June，2016s汹加肌曰Hfza疬磊^亿胞，f口厶2016年6月[2]车伍，周晓兵．城市风景园林设计中的新型雨洪控制利用[J]．3总结中国园林，2008，24(11)：52—56．建筑作为环境中的固定元素，其自身的非可移动性决定其运行周期中会对环境产生影响。在重庆大学城树人幼儿园再设计中，从水的角度可以看出，除自来水的供应之外，雨水作为该区域的第二主要水来源，其资源的丰富性和清洁性决定雨水利用的可行性。从城市角度分析，对雨水的节流和截留能够实现与野外的雨水循环相似的模式，通过地表植物和设备共同作用，实现雨水多次利用，能最大可能维持原始生态模式。雨水的利用在我国城市发展中仍处于初级阶段，与德国、日本相比，还有很大的差距，本次设计的目的是通过个别建筑的实验形成成熟的适用技术，为雨水利用的探索和发展做出可行性模拟，为其地域性雨水利用设计提供理论支持。[ID：002972]参考文献：[1]程江，杨凯，徐启新．高度城市化区域汇水域尺度Lucc的降雨径流调蓄效应[J]．生态学报，2008，28(7)：30一38．[3]刘颂，章亭亭．西方国家可持续雨水系统设计的技术进展及启示[J]．中国园林。20lo，26(8)：44—48．[4]聂蕊．城市空间对洪涝灾害的影响、风险评估及减灾应对策略[J]．城市规划学刊，2012，56(6)：79—85．[5]李保明．湿垫蒸发降温对上海地区气候条件的适应性[J]．北京农业工程大学学报，1990，lO(2)：66—70．[6]黄锦楼，陈琴，许连煌．人工湿地在应用中存在的问题及解决措施[J]．环境科学，2013，38(1)：40l一加8．[7]刘艳峰，陈迎亚，王登甲，等．垂直绿化对室内热环境影响测试研究[J]．西安建筑科技大学学报：自然科学版，2015，59(3)：119一122．[8]崔朔阳，唐锂，周舟，等．夏热冬冷地区城市社区人工湿地处理雨水模式研究[J]．建筑技术，2015，46(10)：62—66．[9]邬尚霖，孙一民．城市设计要素对热岛效应的影响分析[J]．建筑学报，2015，62(10)：79—82．[10]日建设计2013年末专辑[J]．建筑创作，2013，25(z6)：4—5．型髫：雹亩诼渐加樟席棵加稿隈枇Qd一阜计至、5结论度提高，施工速度逐渐加快，底部加强区按9d一层计，至。媚比一半楼层高度按8d一层计，一半以上楼层按7d一层计，本文以某2柏m超高层项目为研究对象，对钢筋混凝合计施工工期约389d。两者施工工期对比见表4～5。混合土结构体系和钢一混凝土混合结构体系这两种最常用的结结构体系并没有表现出施工速度上的优势。构方案进行了对比研究，可以得到以下结论。图2混合结构施工图3钢筋混凝土结构施工寰4混合结构体系施工工期d寰5钢筋混凝土结构体系施工工期d·274·1)两方案整体指标相差不大，周期比、最大层间位移角、剪重比等指标均满足规范要求。2)混合结构单位面积重量约1．46L／m2，钢筋混凝土结构单位面积自重约1．60∥m2，混合结构比钢筋混凝土结构自重减少约8．8％。3)混合结构的混凝土、钢筋和模板的单方用量均低于钢筋混凝土结构，但是其钢材用量远大于钢筋混凝土结构，且多了压型钢板的费用。混合结构体系的结构单方造价约923元／m2，钢筋混凝土结构体系的结构单方造价约585元／m2，混合结构比钢筋混凝土结构成本节约3718万元。4)混合结构施工工期约387d，钢筋混凝土结构施工工期约389d，两种结构体系的施工工期相差不多。5)从综合经济成本考虑，250m级超高层建筑宜优先选择钢筋混凝土结构体系。[ID：002995]参考文献：[1]汪大绥，周建龙．我国高层建筑钢一混凝土混合结构发展与展望[J]．建筑结构学报，20lO，31(6)：3l一36．[2]李国强，张洁．上海地区高层建筑采用钢结构与混凝土结构的综合经济比较分析[J]．建筑结构学报，2000，21(21)：75—79．[3]Bah姗M．shahr∞z，Bimi粕GolIg，G0k}m1．吼e锄dJe删nyT．De踟．AnOven唷ewofReiIlfbrcedConc陀teCo陀wall—steelFm眦Hy¨dStrIIctlIr髓[J]．Pmg．Stnlct．En因|IgMuter，AscE．2∞l(3)：149一150．[4]黄海，阎兴华，张艳霞．钢一混凝土混合结构在我国超高层建筑中的应用与研究[J]．北京建筑工程学院学报，2002，18(12)：53—57．[5]王翠坤，田春丽。肖从真．高层建筑中钢一混凝土混合结构的研究及应用进展[J]．建筑结构，20ll，4l(11)：28—33．