建筑外环境经济型低影响开发...研究——以南阳一中校园为例_陈泓宇.pdf

54 Industrial Construction Vol.53,No.4,2023工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期 建筑外环境经济型低影响开发设计模式研究 以南阳一中校园为例 陈泓宇1董宇翔2李雄1刘志成1林辰松1(1.北京林业大学园林学院,北京100083;2.同济大学建筑与城市规划学院,上海200092)摘要:建筑外环境低影响开发(LID)是实现城市高效径流控制与雨水资源利用的重要途径,但目前在LID 设施布局时存在设施规模过大、径流利用效率低等建设浪费问题。基于建筑外环境径流特点,依据不同LID 设施功能特征,耦合了 SWMM 模型与 NSGA-II 算法,构建兼顾径流控制、雨水资源利用率及 LID 设施成本的建筑外环境经济型低影响开发设计模式,以南阳一中校园为试验对象,运用该设计模式,获取其 LID 设施优化布局方案,并以 2021 年降雨模拟验证其径流控制与节水效果。模拟结果表明,在 2021 年降雨情景中实验对象 LID 设施优化布局方案的年径流控制率达 82.0%,年可节约用水成本 5.19 万元。研究结果细化了LID 设施布局应用场景,弥补了传统低影响开发设计方法对雨水资源利用、LID 设施成本量化的缺失,有助于优化 LID 设施建设投资,推进我国“海绵城市”的高绩效、高质量建设。关键词:低影响开发;节约型园林;风景园林;建筑外环境 DOI:10.13204/j.gyjzG22010419Research on Economical Design Pattern of Low Impact Development in ExternalEnvironment of Building:A Case Study of Nanyang No.1 High School CHEN Hongyu1DONG Yuxiang2LI Xiong1LIU Zhicheng1LIN Chensong1(1.School of Landscape Architecture,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China;2.College of Architecture and Urban Planning,Tongji University,Shanghai 200092,China)Abstract:Low-impact development(LID)in the external environment of buildings is an important way to achieve efficient urban runoff control and rainwater resource utilization,however,there are some problems in the distribution of LID controls,such as excessive facility scale and low runoff utilization efficiency,which cause construction waste.Based on the runoff characteristics of the external environment of the building and the functional guidance characteristics of different LID controls,an economical design pattern of low-impact development in external environment of building was formed with SWMM model and NSGA-II algorithm,which took into account runoff control,rainwater resource utilization and cost of LID controls.Taking the campus of Nanyang No.1 High School as the experimental object,the optimal distribution of LID controls was obtained by the design pattern,and its effect was quantified by simulation based on 2021 daily precipitation.The results showed that the annual runoff control ratio of the experimental object was 82.0%,and 51 900 yuan of water could be saved in 2021.The research results refined the application scenario of LID controls distribution,made up for the lack of traditional low-impact development that ignored quantification of rainwater utilization and LID controls cost,improved the optimization of the investment in LID controls construction,and promoted the high-performance and high-quality construction of“Sponge City”.Keywords:low-impact development;economical garden;landscape architecture;external environment of building 第一作者:陈泓宇,男,1994 年出生,博士研究生。通信作者:刘志成,780256337 。收稿日期:2022-01-041研究背景建筑是城市主要的下垫面类型之一,同时也是城市径流与雨洪问题主要的“源”空间。建筑外环境指建筑室外一定范围内的道路、绿地、水体等1,以单位、园区、校园为径流控制单元,通过建筑外环境的 低 影 响 开 发 设 计(Low Impact Development,LID),将雨水径流控制在建筑及建筑群周边一定的空间范围内,能够有效地减轻管网运行压力,削减城市径流危害2,提升雨水资源利用率,是实现“海绵城市”建设与城市可持续发展的重要途径。建筑外环境经济型低影响开发设计模式研究 以南阳一中校园为例 陈泓宇,等55 自我国开展“海绵城市”建设以来,已经形成了较为普适的低影响开发方法与设计流程3,并积累了一定的针对建筑外环境低影响开发设计的研究与成果4-5,然而相关研究在开展建筑外环境 LID 设施布局时,多套用一般性绿地的设计方法,特别是在量化 LID 设施规模时多依据水量平衡法,基于下垫面类型与降雨量计算理论地表径流产值并转换为LID 设施规模值6,但由于忽视了下垫面其他属性以及径流汇流过程的水文效应,以此方法得到的LID 设施规模往往过大、设施空置率高7-8,造成建设浪费。为合理量化 LID 设施规模以实现节约化建设,已有相关研究通过构建数学模型,协同考虑 LID设施的生态因素与经济因素,借助计算机辅助设计软件优选 LID 设施规模9,如邵明、李沐寒等运用SUSTAIN 模型优选了绿地 LID 设施建设的成本最优方案10-11,刘家琳等针对山地环境空间提出了水文-成本综合效益的雨洪管理设计方法12。然而在研究对象层面,针对建筑外环境的有关研究相对较少。建筑屋顶径流水量大,水质良好,收集于建筑外环境的雨水径流不仅能够用于绿地日常养护,还可就近回馈建筑用水,且依托于较高的管理精度,雨水资源化的实现度更高,因此建筑外环境相对于其他城市环境具有更广泛的径流利用途径和更强的雨水资源化潜力。然而,目前有关研究大多仅在数学层面考虑了 LID 设施雨洪效能与建设经济成本的平衡,且未能分类量化 LID 设施,从而导致如雨水罐等以高质量径流为目标、以存蓄利用为主导功能的设施,因建设成本较高而被排除在优化方案之外13,且可能导致建设后多类型径流混合收集,径流水质难以满足回用需求而造成 LID 设施无效建设等问题。因此在研究内容和结果层面,现有节约式低影响开发设计并不能完全匹配建筑外环境雨水利用特征,限制了建筑外环境通过雨水资源化产生长期经济效益的优势与潜力,造成了实际上的浪费,亟待对现有方法进行细化以匹配建筑外环境的低影响开发场景。此 外,在 国 外 景 观 绩 效 系 列(Landscape Performance Series,LPS)、场地可持续性设计行动计划(Sustainable SITES Initiative,SITES)等绩效评价体系中,雨水资源利用率均被作为雨洪绩效评估的重点14-15,而我国住建部所印发的海绵城市建设绩效评价与考核办法(试行)中,同样将雨水资源利用率作为重要考核指标。所以,协同建筑外环境低影响开发建设成本控制与间接经济效益优化不仅是实现优化 LID 设施建设性价比的重要途径,更是落实我国“海绵城市”建设理念的关键命题。综上,本研究将针对建筑外环境,基于 LID 设施目标收集径流和功能导向的差异性,细化建筑外环境 LID 设施规模的量化和空间分配过程,构建一套满足径流控制目标,同时有效控制 LID 设施建设成本,且能保证雨水资源利用率的经济型低影响开发设计模式。选择南阳一中校园为试验对象,运用该方法优选 LID 设施布局方案,以验证方法的可行性,以期为建筑外环境高绩效低影响开发设计与我国“海绵城市”的高质量建设提供范例与参考。2建筑外环境经济型低影响开发设计方法2.1基本流程LID 设施一般可分为渗透、传输、存储利用、截污净化等类型16。本研究拟通过最节约的 LID 设施规模,同步达到目标径流控制率与最优雨水资源利用率,实现绿地低影响开发的节约化建设,因此重点选择渗透型、传输 型设施(称为渗 透滞缓型设施),以及存蓄利用型设施进行研究,截污净化装置不在本研究讨论范围内。因存蓄利用设施同样可发挥一定的径流调控功能,为避免重复量化可能产生的干扰,故首先对存蓄利用设施进行独立量化优选,之后将确定的存蓄利用设施规模作为前置性条件,纳入渗透滞缓型设施的规模量化流程,以针对特定径流控制目标优选渗透滞缓型设施的规模,从而准确控制 LID 设施规模。2.2存蓄利用设施布局方法2.2.1设施规模量化因绿地可利用径流量有限,当存蓄利用设施规模过大时,超出可利用径流量的部分将无法发挥设施功能,从而发生无效建设而产生浪费;同时,绿地用水需求也并非无限制的,当用水需求满足时,尽管能够进一步收集径流,但如果无法实质性利用,也将产生建设浪费。所以,在布局存蓄利用设施时,应优先量化、对比绿地可利用径流量与用水需求量,为存蓄利用设施规模的确定提供依据。绿地用水分为浇灌水,如湖面、水体等非接触景观水,如喷泉等可接触景观水,以及用于洗地、冲厕的杂用水17,其中可接触景观水、杂用水的水质要求相对其他用水较高,实际雨水资源化操作中主要依靠收集相对洁净的屋顶径流用以补充,特别是绿色屋顶排放径流,此外未利用完的高质量径流还可用于补充浇灌水、非接触景观水等水质要求较低的用水。因此,本研究基于用水需求差异,将存续利用设施规模量化进一步分为高质量径流收集设施规模、一般水质径流收集设施规模。56 工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期因雨水资源利用率以年为单位计算,故本研究以年为一个完整量化周期,并考虑实际运营中对存蓄利用设施的周期性使用情况,将一年划分为若干个子周期,基于降雨量、蒸发量等多年平均气象