雨水管理下办公建筑屋顶景观花园设计研究

2024-05-21范晓炜

中国建筑金属结构 2024年4期

范晓炜

（福州市建筑设计院有限责任公司，福建福州 350011）

0 引言

随着城市化步伐的不断加快，办公建筑作为现代都市的标志性建筑，其屋顶景观花园设计日益受到人们的瞩目。这些设计不仅为城市的天际线增添了绿意和活力，还在生态、节能和减排等方面发挥了至关重要的作用。近年来，随着生态理念的逐渐深入人心，办公建筑屋顶景观花园设计正朝着多元化、复合化的方向发展，设计手法和技术手段日新月异，旨在达到建筑与环境的和谐统一。时至今日，景观花园设计已成为我国建筑学、园林学、生态学等多个学科交叉融合的研究热点。许多学者围绕这一主题进行了深入的研究，并取得了丰硕的成果。文献[1]作者何疏悦等分别从平面、色彩以及立体构成角度，对城市屋顶生产性景观设计展开着重分析，推进生产性景观种植设计的可持续性发展；文献[2]作者刘建宏等在屋顶花园的景观设计中引入耗能减震特性较高的粉土，在满足屋顶花园环境绿化的同时达到减轻地震灾害目的；文献[3]作者陈超淼将形态、材质、色彩等视觉元素融入园林景观设计中，可促使园林景观达到更加美好的审美诉求和精神体验。尽管我国学者现有研究已经取得了显著的进展，但在应对城市化带来的雨洪问题方面，仍显得捉襟见肘。因此，本文引入雨水管理概念，旨在探索办公建筑屋顶景观花园设计在雨水利用与排放方面的创新策略，有望为未来的城市建设提供更加绿色、可持续的解决方案。

1 办公建筑屋顶景观花园设计

1.1 透水铺装

在办公建筑屋顶景观花园的设计过程中，构建基础设施的首要环节在于硬质铺装的选择与应用，这不仅直接关系到整体景观效果，而且是雨水管理策略中的核心组成部分[4]。如混凝土和石材等传统硬质铺装材料，尽管坚固耐用，但缺乏雨水渗透性，这导致了雨水径流的增加，加剧了城市洪涝风险。因此，在雨水管理概念下，本文选用了透水材料作为景观花园的硬质铺装设计原材料[5]。具体而言，在广场区域，本文采用了透水混凝土铺装，透水混凝土是一种特殊的混凝土材料，由粗骨料、水泥、水和添加剂组成，其内部含有大量连通孔隙，使得雨水能够迅速渗透，通过精心设计孔隙率和骨料级配，透水混凝土在承受行人和轻型车辆通行的同时，有效减少了地表径流；在道路铺装方面，本文选用了透水砖，透水砖是一种具有特殊结构的多孔砖体，表面多孔，内部存在相互连通的孔道，透水砖的铺装不仅提升了景观效果，还能有效增加地表渗水面积，促进雨水下渗；在游憩场地的铺装设计中，本文采用了透水型橡胶材料，透水型橡胶材料是一种由废旧轮胎等橡胶制品经破碎、加工后制成的环保型铺装材料，内部含有大量空隙，具有良好的透水性和防滑性，透水型橡胶铺装为游憩活动提供了安全舒适的场地，同时其透水性能有效减少了游憩场地因雨水积聚而造成的使用不便[6]。综上所述，通过透水混凝土、透水砖和透水型橡胶等透水性材料的科学应用，不仅可以提升景观花园的生态功能和美学价值，而且能够达到雨水的高效渗透、减少径流目的。

1.2 植物配置

在办公建筑屋顶景观花园的设计过程中，植物配置占据了至关重要的地位，深刻影响着花园的视觉美感和生态功能的实现。鉴于屋顶环境的独特性质，如覆土深度有限、光照条件强烈以及承重能力限制等，在选择办公建筑屋顶景观花园植物时，必须综合考虑多种因素，以确保植物的顺利生长[7]。这里本文选择小乔木、灌木和地被植物等那些喜光、耐旱且根系较浅的植被来营造花园的植物景观。这些植物不仅能够很好地适应屋顶的生长环境，还能有效减轻屋顶的荷载压力，同时提供丰富的视觉体验和生态功能。具体植物配置情况如表1 所示。

表1 建筑屋顶花园植物配置表

与此同时，为确保办公建筑屋顶景观花园的稳定性，需要根据屋顶花园允许的荷载重量来确定种植层的厚度[8]。一般来说，种植层厚度的计算是一个复杂的过程，其涉及土壤重量、植物重量、硬质铺装重量以及雨水管理系统重量等多个因素，具体计算公式如下式所示：

式中，H表示办公建筑屋顶景观花园的植物种植厚度；G1表示景观花园土壤的重量；G2表示景观花园植物的重量；G3表示景观花园硬质铺装的重量；G4表示景观花园雨水管理系统的重量；F表示建筑屋顶允许荷载重量。根据式（1），本文可以在确保不超过屋顶承重能力的前提下，为植物提供一个良好的生长环境。最后，在实际的办公建筑屋顶景观花园的设计过程中，根据设计厚度将选择的植物合理地配置在屋顶景观花园中[9]，通过合理布局实现植物配置与屋顶花园的整体设计风格相协调，以营造出和谐、美观的景观效果。

1.3 雨水管理

在办公建筑屋顶景观花园设计中，雨水管理的作用至关重要。作为城市绿色基础设施的重要组成部分，办公建筑屋顶景观花园的雨水管理策略不仅关系到建筑本身的可持续性，而且直接影响到城市的生态环境以及居民的生活质量[10]。在雨水管理概念下，本文通过集成运用雨水收集、储存、净化和利用等技术手段，有效地实现对雨水的科学管理，进而推动雨水的循环利用，并降低城市洪涝灾害的发生概率。具体而言，本文采用雨水收集系统、雨水存储箱、排水管道、净化设施等设备进行雨水管理[11]，示意图如图1 所示。

图1 建筑屋顶景观花园雨水管理系统示意图

如图1 所示，在整个办公建筑屋顶景观花园的雨水管理系统运行过程中，屋顶花园内设置的雨水收集系统是起始装置，合理设计雨水收集系统的结构和容量，并综合考虑雨水的均匀分布和防止堵塞等问题，可以有效地将雨水从屋顶景观花园中汇集起来，并引导至地下储存设施中，这种设计不仅减少了雨水径流，缓解了城市排水系统的压力，而且有助于缓解建筑屋顶的雨水存储压力。其次，为确保存储的雨水可以从屋顶顺利传输到地表中，本文设置了排水管道，合理设计排水管道的直径、坡度、连接方式等参数，并综合考虑防止渗漏和堵塞的问题后，将屋顶雨水收集系统和建筑地下雨水收集系统连接在一起，即可将景观花园内部雨水顺利引导至地下存储设施中。最后，雨水净化环节是保证雨水质量和提升其利用价值的关键环节[12]。在地下雨水存储箱中，本文采用了先进的雨水净化装置和技术，例如过滤、消毒等，其中过滤装置可以去除雨水中的大颗粒物质和悬浮物，而消毒装置则能够杀灭雨水中的细菌和病毒等微生物，确保雨水的安全性。经过净化的雨水其水质得到显著提升，不仅可以用于冲厕、洗车等非饮用水用途，还可以用于植物灌溉和景观用水，从而实现了雨水的多元化高效利用。总而言之，在雨水管理概念下，雨水的循环利用是办公建筑屋顶景观花园设计核心目标，本文通过综合运用雨水收集装置、存储装置、转移装置以及净化等装置，实现雨水的合理收集，并将收集雨水转移至地表下进行净化，将净化后的雨水合理地用于植物灌溉、景观用水等方面，可以实现雨水的科学管理和利用，减少对传统水资源的依赖。应用了雨水管理系统的办公建筑屋顶景观花园不仅有助于节约水资源，还可以改善景观花园内部土壤质量、促进植物生长，进而提升屋顶景观花园的生态功能和美学价值。

2 实例分析

2.1 项目背景

本章选取某办公建筑屋顶景观花园设计工程作为研究对象，该建筑楼层较高，屋顶面积大，具备屋顶花园实施条件。通过查找资料分析，工程所处城市属于海洋性亚热带季风气候，雨水充沛、阳光充足、温暖湿润、夏长冬短，具体年降水量数据如图2 所示。

图2 实例工程2023 年平均降水量变化趋势

如图2 所示，该区域年降水量较多，鉴于城市中心区域人口密度大、建筑密集的特点，该区域面临着严重的城市热岛效应和雨水径流问题。在夏季高温时，城市热岛效应导致该区域的气温远高于周边地区，给居民生活和工作带来诸多不便。同时，由于屋顶硬质铺装面积广泛，缺乏有效的雨水管理措施，使得雨水径流量大，加重了城市排水系统的负担，容易诱发城市洪涝灾害。为了改善这一状况，本研究决定引入雨水管理概念，对该办公建筑的屋顶景观花园进行改造设计。

2.2 模拟分析

根据文中研究内容完成实例办公建筑屋顶景观花园的设计后，为评价本次设计效果，构建屋顶景观花园的SWMM 模型进行模拟分析。SWMM 模型也就是暴雨洪水管理模型，可以对城市降水过程进行动态模拟，且模拟结果较为直观，适用于本次办公建筑屋顶景观花园设计效果评价中。首先，确定实例办公建筑屋顶景观花园设计工程的研究区域，并将其相关数据导入SWMM 软件中，构建出初始SWMM 模型；然后，在SWMM 模型中设定本次降雨事件，具体参数如表2 所示。

表2 建筑屋顶景观花园SWMM 模型参数设置

最后，基于上述SWMM 模型分别对未引入雨水管理概念和引入了雨水管理概念下办公建筑屋顶景观花园降雨事件进行模拟，并统计降雨事件下景观花园产生的地表径流深度数据作为模拟结果，具体结果如图3 所示。

图3 建筑屋顶景观花园SWMM 模型模拟结果

从图3 所示建筑屋顶景观花园SWMM 模型模拟结果中可以看出，当SWMM 模型的降雨事件设定为年降雨量为2 409.8mm情景时，在未引入雨水管理概念下，办公建筑屋顶景观花园在降雨事件中产生的年地表径流深度为1 628.6mm，年径流总量控制率为32.42%；在引入了雨水管理概念下，办公建筑屋顶景观花园在降雨事件中产生的年地表径流深度为911.1mm，年径流总量控制率为62.19%，达到了实例工程建设标准。由此可以说明，本文引入雨水管理概念进行办公建筑屋顶景观花园设计，可以显著降低地表径流深度，通过有效收集和储存雨水来提高雨水利用效率，从而减轻城市洪涝压力。