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.pdf

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4 0 0 0 3 0 ) 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：7 I 【J 9 9 1 5 7文献标志码：B 文章编号：1 6 7 2 4 0 1 1 ( 2 0 1 6 ) 0 3 0 2 7 2 0 3 D O I ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 2 4 0 1 1 2 0 1 6 0 3 1 4 2 O 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3 0 ，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l0 0 0 14 5 0m m ，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8 2 8 4m 2 ，建筑面积61 2 2 2 3m 2 。建筑占地面积25 5 2 2 0m 2 ， 作者简介：孙启豹( 1 9 9 0 一) ，男，山东枣庄人。在读硕士研究生，研究 方向：建筑设计。 2 7 2 道路及硬化面积30 r 7 5m 2 ，其余部分为绿植。该幼儿园有 1 5 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l2 0 0m m 计算，幼儿园用地范 围降水量为99 4 0 8m 3 ，日均2 7 2 3m 3 ，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 万方数据 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1 0 0 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3 0 0 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。lm L 水通过显热大约只能 控制最多1c a l 里的热量变化，而潜热的话，同样lI n L 水 大概能控制5 9 4c a l 热量，二者相差约6 0 0 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 1 0 。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。 2 7 3 万方数据 V 0 1 4 2 ，N o 3 a pI IJ 遣材 第4 2 卷第3 期 J u n e ，2 0 1 6 s 汹加肌曰H f z a 疬磊 亿胞，f 口厶 2 0 1 6 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，2 0 0 8 ，2 4 ( 1 1 ) ：5 2 5 6 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。 I D ：0 0 2 9 7 2 参考文献： 1 程江，杨凯，徐启新高度城市化区域汇水域尺度L u c c 的降雨 径流调蓄效应 J 生态学报，2 0 0 8 ，2 8 ( 7 ) ：3 0 一3 8 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。2 0 l o ，2 6 ( 8 ) ：4 4 4 8 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，2 0 1 2 ，5 6 ( 6 ) ：7 9 8 5 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，1 9 9 0 ，l O ( 2 ) ：6 6 7 0 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，2 0 1 3 ，3 8 ( 1 ) ：4 0 l 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，2 0 1 5 ，5 9 ( 3 ) ： 1 1 9 一1 2 2 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，2 0 1 5 ，4 6 ( 1 0 ) ：6 2 6 6 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，2 0 1 5 ，6 2 ( 1 0 ) ：7 9 8 2 1 0 日建设计2 0 1 3 年末专辑 J 建筑创作，2 0 1 3 ，2 5 ( z 6 ) ：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3 8 9d 。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 2 7 4 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 4 6L m 2 ，钢筋混凝土 结构单位面积自重约1 6 0 m 2 ，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 9 2 3 元m 2 ，钢筋混凝土结构体系的结构单方造价约5 8 5 元 m 2 ，混合结构比钢筋混凝土结构成本节约37 1 8 万元。 4 ) 混合结构施工工期约3 8 7