論城市河湖水環(huán)境工程設(shè)計中功能與形式的辯證統(tǒng)一

井 向 陽

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，成都 610072；2.四川省城市水環(huán)境工程治理技術(shù)研究中心，成都 610072)

建設(shè)生態(tài)文明，是關(guān)系人民福祉、關(guān)乎民族未來的長遠(yuǎn)大計；面對資源約束趨緊、環(huán)境污染嚴(yán)重、生態(tài)系統(tǒng)退化的嚴(yán)峻形勢，必須樹立尊重自然、順應(yīng)自然、保護(hù)自然的生態(tài)文明理念，走可持續(xù)發(fā)展道路[1]。

城市水環(huán)境工程是生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分。近年來，我國實(shí)施了一大批城市河湖水環(huán)境項(xiàng)目，如貴陽南明河水環(huán)境綜合整治工程、北京六海清淤工程、東太湖綜合整治工程、成都興隆湖綜合治理工程、西昌東西海三河水環(huán)境綜合整治工程、深圳茅洲河流域水環(huán)境綜合整治工程等。然而，在當(dāng)前的城市水環(huán)境工程建設(shè)中，傳統(tǒng)的以水工結(jié)構(gòu)為核心的工程設(shè)計思想和方法，正在遭受著日益強(qiáng)烈的質(zhì)疑和挑戰(zhàn)，表現(xiàn)出了諸多的不適應(yīng)性[2,3]。

本文從涉水工程建筑物的功能與形式的關(guān)系出發(fā)，融入治水新思想，系統(tǒng)地研究了現(xiàn)狀工程設(shè)計中存在的問題，進(jìn)而探索出了一種新的河湖水環(huán)境工程設(shè)計思想與方法，并規(guī)劃、設(shè)計了相應(yīng)的技術(shù)路線與措施。

1 城市河湖水環(huán)境工程的起源與發(fā)展

城市河湖水環(huán)境工程起源于傳統(tǒng)水利工程，是水利工程在新時期的表現(xiàn)形式之一?？偨Y(jié)我國水利工程的發(fā)展過程，可以分為4個階段。

1.1 傳統(tǒng)水利工程時期

在原始社會時期和封建社會時期，水利工程的目的主要有3個：①解決最基本的人類生存問題，如上古時期的“大禹治水”、封建社會時期的“治黃”工程等[4]；②解決農(nóng)耕用水問題，如春秋戰(zhàn)國時期的都江堰、鄭國渠等[5]；③解決航運(yùn)問題，如京杭大運(yùn)河、靈渠等[6]。

1.2 近代水利工程時期

清朝末年至民國時期，隨著西方的一些科學(xué)技術(shù)傳入中國，其中包括一些先進(jìn)的水利工程技術(shù)、測繪技術(shù)、地勘技術(shù)等，再加上新型建筑材料如水泥、鋼筋的運(yùn)用，我國水利工程的建設(shè)水平達(dá)到了一個新的層次。在此期間，我國水利工程的目的主要是解決防洪、排澇、灌溉、供水、航運(yùn)等問題，如關(guān)中八惠渠、內(nèi)蒙古河套渠、永定河屈家店閘、珠江蘆苞閘、蘇北運(yùn)河船閘等[7,8]。

1.3 現(xiàn)代水利工程時期

新中國成立初期，百廢待興，水利建設(shè)位居重要地位，我國先后開展了對海河、黃河、長江的治理，主要包括上游區(qū)域的水土保持工程、長江荊江分洪工程、治淮工程、官廳水庫工程、三門峽水利樞紐工程等。我國的水利建設(shè)方針也逐漸由防洪、排澇、減災(zāi)擴(kuò)大為在此基礎(chǔ)上大力擴(kuò)展農(nóng)業(yè)灌溉，同時兼顧航運(yùn)、發(fā)電、養(yǎng)殖等方面。

改革開放以來，經(jīng)濟(jì)社會高速發(fā)展，防洪、調(diào)蓄、發(fā)電、水資源綜合利用逐漸成為水利建設(shè)的重點(diǎn)，一大批舉世矚目的水利工程相繼建成，如長江三峽水利樞紐、南水北調(diào)工程、黃河小浪底水電站、雅礱江二灘水電站、金沙江溪洛渡水電站、瀾滄江小灣水電站等。

1.4 治水工程新時期

進(jìn)入21世紀(jì)以來，經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長與資源環(huán)境約束的矛盾呈逐步增加的趨勢。河流是水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水景觀、水文化的重要載體，是生態(tài)文明建設(shè)的重點(diǎn)之一。國內(nèi)近年來對治水的思路逐漸發(fā)生了變化，開始關(guān)注河湖的自然屬性、尊重自然所具有的生物多樣性[3]。目前對河道治理的觀念已經(jīng)逐漸由傳統(tǒng)的以滿足防洪、排澇的要求逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸Ｕ稀胺篮榕艥嘲踩?、水質(zhì)潔凈優(yōu)良、生態(tài)系統(tǒng)健康、環(huán)境整潔優(yōu)美”，使河道由“單一功能”向“綜合功能”轉(zhuǎn)變，由“工程水利”向“生態(tài)水利”轉(zhuǎn)變，由“傳統(tǒng)水利”向“河湖水環(huán)境”轉(zhuǎn)變。

2 涉水工程建筑物的功能與形式解析

工程設(shè)計的本質(zhì)是“為人造物”，指明了工程設(shè)計必須是人工創(chuàng)造的產(chǎn)物，不僅要具備實(shí)用功能，同時應(yīng)當(dāng)具有一定的形式。所謂“看不見的是功能”、“看得見的是形式”，“功能”主要是指事物所發(fā)揮的有利的作用、效能，“形式”主要是指事物的形狀、色彩、材料等。

2.1 功 能

在水環(huán)境工程中，常見的涉水工程建筑物有壩、堰、閘、渠、堤、管、岸坡、護(hù)底、棧橋、堤帶路等，按照作用的不同，將其功能分為效用功能和結(jié)構(gòu)功能(見表1)。

表1 常見涉水工程建筑物的功能解析表Tab.1 Parsing table of the function of common water engineering buildings

2.2 形 式

2.2.1 形 狀

工程建筑物的形狀主要通過幾何圖形來呈現(xiàn)，包括單一形狀和復(fù)合形狀。單一形狀主要包括直線、折線、曲線等；復(fù)合形狀是由正方形、圓形、三角形等基本圖形組合而成，常用的組合方法有分離、嵌套、減缺、穿插、相接、發(fā)射、漸變、重復(fù)等[9]。

2.2.2 色 彩

工程建筑物的色彩包括裸露結(jié)構(gòu)的原狀色彩、鋪裝材料的色彩、表面涂料或鍍層的色彩等。色彩不僅是材料自身的特性，還是一種文化信息的傳遞媒介，它含有人類附加在其上的內(nèi)涵(見表2)。

圖1 復(fù)合形狀的構(gòu)圖方式Fig.1 Composition methods of composite shapes

表2 色彩的聯(lián)想及象征意義[10]Tab.2 Symbolic meanings and associations of colours

2.2.3 材 料

工程建筑物的材料可分為結(jié)構(gòu)材料、裝飾材料和其他專用材料(見表3)。

表3 常見涉水工程建筑物的材料Tab.3 Materials of common water engineering buildings

2.3 功能與形式的呈現(xiàn)方式

(1)功能依從規(guī)范。遵循“功能至上”理念，在河湖水環(huán)境工程設(shè)計中，以滿足行業(yè)所要求的技術(shù)規(guī)程、規(guī)范為依據(jù)，僅考慮建筑物的效用功能、結(jié)構(gòu)功能，忽略建筑物的形式。

(2)形式追隨文化。水是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，人類的古老文明伴水而生，因水而興。我國幾千年的燦爛文化史，很多都與水有關(guān)。因此，在治水工程項(xiàng)目的設(shè)計過程中，會特別注重文化理念的植入，主要從建筑物形式和附屬結(jié)構(gòu)的造型上予以體現(xiàn)。

(3)功能造就形式。美國建筑師路易斯·沙利文曾提出“形式追隨功能”，而后又被推到另一個高度，即：好的功能就是美的形式，無需再對形式做進(jìn)一步的探討[11]。在這種理念下，功能是設(shè)計之本，僅從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)兩方面入手，通過對功能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，自然就對應(yīng)了一種形式，即“功能造就形式”。

(4)形式引領(lǐng)功能。隨著景觀元素及生態(tài)理念的引入，涉水工程建筑物的形式呈現(xiàn)多樣化，一種“先有形式、后有結(jié)構(gòu)”的設(shè)計思想正在形成，即：先擬定建筑物的形式，然后做結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后進(jìn)行功能驗(yàn)證。

3 功能與形式的沖突

3.1 功能的內(nèi)部約束與外部排斥

新的治水理念下，涉水工程建筑物的功能出現(xiàn)了“異常”，表現(xiàn)為：來自功能內(nèi)部的“約束”、對外部新加功能的“排斥”。

(1)內(nèi)部約束。功能的內(nèi)部約束包括：①效用功能的增強(qiáng)，如防洪標(biāo)準(zhǔn)的提升、跌水樣式的復(fù)雜多樣化等；②結(jié)構(gòu)功能的指標(biāo)水平變化，如水工建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算標(biāo)準(zhǔn)的提升、混凝土及地基材料的分項(xiàng)作用系數(shù)的變化、快速施工條件帶來的應(yīng)力變形控制水平的變化等。

(2)外部排斥。功能的外部排斥包括：①海綿城市的建設(shè)，要求實(shí)現(xiàn)水體的自然滲透，對岸坡的防滲是不利的；②生態(tài)宜居水岸工程要求增加親水設(shè)施，變相減小了行洪斷面，對河道的防洪是不利的；③一些新材料和新工藝的引入，縮小了斷面尺寸，對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是不利的；④在消落帶和河灘地范圍內(nèi)種植了大量的挺水植物，對河道的防洪是不利的。

3.2 形式的環(huán)境要求與材料選擇

新的治水理念下，涉水工程建筑物的形式出現(xiàn)了“異常”，表現(xiàn)為：來自外部環(huán)境的“苛刻要求”、犯了“材料選擇困難癥”。

(1)環(huán)境要求。“外部環(huán)境”對“形式”的要求越來越嚴(yán)苛，導(dǎo)致形狀不再是幾何形狀的簡單疊加，形式不再是單方面的追隨文化、追隨景觀、追隨生態(tài)，更多的是講究“人水和諧”[12]。

(2)材料選擇。形式的材料選擇包括兩個層次：①常規(guī)材料的重新組合；②新材料的選擇與應(yīng)用。隨著建筑材料技術(shù)的迅速發(fā)展，在水環(huán)境工程設(shè)計過程中，經(jīng)常會面臨同一結(jié)構(gòu)有多種可選用的材料，且各有優(yōu)勢，難以“選擇”。

4 功能與形式的辯證統(tǒng)一設(shè)計方法

4.1 功能的“否定之否定”

(1)功能的肯定與發(fā)展。河湖水環(huán)境工程中的涉水工程建筑物大多都是從傳統(tǒng)的水利工程演化而來，其基本的效用功能和結(jié)構(gòu)功能依然可以發(fā)揮重要作用。因此，在工程設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)首先予以肯定；其次，在設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合現(xiàn)代城市的發(fā)展需要，考慮新增加一些功能，如親水功能、“海綿城市”功能等(見表4)。

表4 新增功能解析表Tab.4 Parsing table of the newly increased functions

(2)功能的否定與改進(jìn)。根據(jù)效用功能和結(jié)構(gòu)功能的控制指標(biāo)水平的變化，重新復(fù)核各工程建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程，需回答兩個問題：①在當(dāng)前的城市水環(huán)境條件下，原有的效用功能和結(jié)構(gòu)功能是否依然有存在的必要？如果沒有必要，需要改進(jìn)設(shè)計；②在當(dāng)前的城市水環(huán)境條件下，原有的斷面結(jié)構(gòu)是否依然適用？如果不適用，需要改進(jìn)設(shè)計。

(3)功能的再次肯定。將改進(jìn)的功能應(yīng)用于具體的工程項(xiàng)目中，通過工程實(shí)踐驗(yàn)證所設(shè)計的功能的正確性。

4.2 形式的“多元互變”

(1)形狀的“直”與“曲”。在平面布局上，根據(jù)河勢及地形的特點(diǎn)，因地制宜地考慮將跨河(湖)建筑物由“直線型”變?yōu)椤扒€型”，或者由“曲線型”變成“直線型”，體現(xiàn)形狀之美(見圖2)。

圖2 形狀的“直”與“曲”示意圖Fig.2 Sketch map of the straight and the crooked of shapes

(2)體型的“胖”與“瘦”。在體型上，根據(jù)結(jié)構(gòu)功能的變化、建筑材料的特點(diǎn)，考慮對涉水工程建筑物的體型進(jìn)行優(yōu)化，主要采用兩種思路：①由傳統(tǒng)的“以保證結(jié)構(gòu)安全為第一要務(wù)”的“胖型”優(yōu)化為“同時兼顧結(jié)構(gòu)安全、視覺效果、空間布局”的“瘦型”，體現(xiàn)形態(tài)之巧，即為由“胖”到“瘦”(見圖3)；②由常規(guī)的“僅考慮結(jié)構(gòu)功能”的“瘦型”優(yōu)化為“同時兼顧結(jié)構(gòu)功能與親水功能”的“胖型”，體現(xiàn)形態(tài)之靈，即為由“瘦”到“胖”(見圖4)。

圖3 體型由“胖”到“瘦”示意圖Fig.3 Sketch map of the shapes from fat to slim

圖4 體型由“瘦”到“胖”示意圖Fig.4 Sketch map of the shapes from slim to fat

(3)流態(tài)的“勢”與“靈”。在對水流的控制上，根據(jù)涉水工程建筑物的規(guī)模大小以及水邊環(huán)境要求，考慮將水流的流態(tài)由“勢”向“靈”轉(zhuǎn)變，即通過對過流建筑物的結(jié)構(gòu)樣式進(jìn)行改進(jìn)，將傳統(tǒng)的“溢流”改為“跌水”、“疊水”、“瀑布”等形式，體現(xiàn)水的流態(tài)之美。

圖5 流態(tài)的“勢”與“靈”示意圖Fig.5 Sketch map of the power and the cleverness of the flow state

(4)色彩的“單”與“多”。在建筑材料的選擇上，根據(jù)城市的總體布局要求和建材的特點(diǎn)，考慮將工程建筑物的色彩由“單一色彩”擴(kuò)展為“多元色彩”，實(shí)現(xiàn)工程與環(huán)境的視覺融合統(tǒng)一，體現(xiàn)城市之美、人文之美。

4.3 時間與空間的結(jié)合

(1)雨洪綜合管控設(shè)計。雨洪綜合管控是城市河湖水環(huán)境工程的重要任務(wù)之一，應(yīng)當(dāng)從時間與空間相結(jié)合的角度出發(fā)，從兩個方面進(jìn)行綜合規(guī)劃設(shè)計(見圖6)：①特征水位設(shè)計，即需要滿足同一水文頻率條件下各建筑物區(qū)域的水位銜接問題，同時還需滿足偶然頻率條件下的水邊環(huán)境安全問題，主要通過涉水工程建筑物的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計來實(shí)現(xiàn)；②雨洪滯蓄結(jié)構(gòu)設(shè)計，即通過在壩前后、堰前后、閘前后、渠內(nèi)外側(cè)、河灘地等部位設(shè)置一些滯蓄結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雨洪的滯流，同時可用于臨時調(diào)蓄。

圖6 雨洪綜合管控設(shè)計示意圖Fig.6 Sketch map of the integrated control design of the stormwater

(2)水體流速與過水?dāng)嗝娉叽绲膮f(xié)調(diào)統(tǒng)一。水體流速與過水?dāng)嗝娉叽缡窍嗷リP(guān)聯(lián)、相互影響的兩個要素。同一流量條件下，流速越大，所需過水?dāng)嗝嬖叫?；同一過水?dāng)嗝鏃l件下，流速越大，過流能力越強(qiáng)。因此，在對涉水工程建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)周邊環(huán)境的要求和地形特點(diǎn)，從時間和空間結(jié)合的角度，對水體流速和過水?dāng)嗝娉叽邕M(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，即需要同時滿足防洪安全、戲水安全、景觀安全、流態(tài)穩(wěn)定等目標(biāo)。

4.4 總體與局部的結(jié)合

(1)總體布局中的局部外觀設(shè)計。在進(jìn)行壩、堰、閘等跨河(湖)建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以依據(jù)“從簡”原則，在結(jié)構(gòu)尺寸及形狀上只需滿足基本功能即可，然后再進(jìn)行外觀鋪裝設(shè)計。在進(jìn)行堤、橋、路等濱水建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，依據(jù)“從嚴(yán)”原則，需要對結(jié)構(gòu)的斷面形式及尺寸進(jìn)行精確設(shè)計，然后再采用涂料進(jìn)行粉刷裝飾。

(2)宏觀擋水結(jié)構(gòu)中的內(nèi)部透水設(shè)計。按照“自然積存、自然滲流、自然凈化”的原則，在對水邊建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)部的透水性。對于渠道兩側(cè)邊坡以及湖泊的岸坡，可采用生態(tài)化的透水結(jié)構(gòu)，如植草護(hù)岸、堆石護(hù)岸等。對于堤帶路，可采用透水混凝土路面或石材鋪裝路面。對于跨河(湖)的跌水堰，為了減緩雨洪的影響、增加過流能力，可以考慮在堰體中間增設(shè)透水孔，增加水的靈動性。對于跨河(湖)的人行棧橋，應(yīng)當(dāng)具備透水功能或者及時排水功能，確保棧橋被河(湖)水的波浪或者突發(fā)洪水淹沒以后，可以快速恢復(fù)至正常狀態(tài)。

(3)大體積建筑物的“掩蓋”設(shè)計。為了更好地達(dá)到“人水和諧”效果，可以降低工程建筑物的曝光比例，因此需要對一些大體積建筑物進(jìn)行“掩蓋”設(shè)計，可通過采用植物、景觀小品或者鋪裝等方式進(jìn)行“掩蓋”。例如，在對河道堤防進(jìn)行設(shè)計時，需要將混凝土擋墻“掩蓋”；在對地下埋管進(jìn)行設(shè)計時，需要將進(jìn)出口進(jìn)行“掩蓋”；在對閘進(jìn)行設(shè)計時，需要將金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行“隱藏”。

4.5 動態(tài)與靜態(tài)的結(jié)合

4.5.1 監(jiān)控設(shè)施的智慧化

水是動的，工程建筑物是靜的，再引入“互聯(lián)網(wǎng)+”，就是“智慧水環(huán)境”，這是當(dāng)前我國城市河湖水環(huán)境工程的重要發(fā)展方向之一[13]。“智慧水環(huán)境”是利用互聯(lián)網(wǎng)、計算機(jī)、無線通訊技術(shù)、3S技術(shù)、云存儲、云計算等多種現(xiàn)代化信息技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)河湖信息的采集、整合、管控、共享、應(yīng)用及發(fā)布[14,15]。對“智慧水環(huán)境”而言，監(jiān)控設(shè)施的智慧化設(shè)計是其中的一個重要環(huán)節(jié)，可通過監(jiān)控設(shè)施的布置設(shè)計、監(jiān)控設(shè)備的選擇設(shè)計來實(shí)現(xiàn)。

(1)監(jiān)控設(shè)施的布置設(shè)計。在實(shí)施中，不僅要考慮對動態(tài)的水的監(jiān)控，同時還要考慮對靜態(tài)的建筑物的監(jiān)控，此外還要考慮對生態(tài)系統(tǒng)和人類活動的監(jiān)控，以確保智慧監(jiān)控的全面性。因此，需要對監(jiān)控設(shè)施進(jìn)行綜合布置設(shè)計，涉及監(jiān)控設(shè)施的布置范圍、位置、數(shù)量等。

(2)監(jiān)控設(shè)備的選擇設(shè)計。在實(shí)施中，不僅要考慮監(jiān)控成果的精度，同時還要考慮數(shù)據(jù)采集分析的實(shí)時、高效，因此應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的監(jiān)控任務(wù)合理選擇設(shè)備，為“智慧水環(huán)境”提供基礎(chǔ)支撐。

4.5.2 水流控制的自動化

河湖水環(huán)境工程的核心是水，對水的控制應(yīng)當(dāng)是實(shí)時、動態(tài)的，即當(dāng)出現(xiàn)環(huán)境需求時，可以迅速實(shí)現(xiàn)對水流的調(diào)控。在實(shí)施中，主要可通過以下兩個方面來實(shí)現(xiàn)：

(1)閘的設(shè)計。由于城市河湖水環(huán)境工程的跌水落差一般都較小，可用的常見閘門都是中小型的閘門，主要包括平板閘、氣盾閘、鋼板閘、橡膠閘、翻板鋼閘等。在實(shí)施過程中，應(yīng)首先對閘門進(jìn)行自動化設(shè)計，同時對閘門的啟閉效率進(jìn)行優(yōu)選，以實(shí)現(xiàn)對水流的動態(tài)控制。例如，對于跌水落差較小的城區(qū)河道，可以考慮采用翻板鋼閘，可根據(jù)上游來水的變化自動旋轉(zhuǎn)擋水面板，實(shí)現(xiàn)水位的自動調(diào)控；對于河道較寬、水流湍急的河道，可考慮采用氣盾閘，通過布置于岸邊的控制室進(jìn)行自動調(diào)控。

(2)閥的設(shè)計。閥主要是用于管道的水流控制，其控水規(guī)模相對較小，且大部分都布置于水下或地面以下，不易操作，因此應(yīng)當(dāng)采用自動控制閥。例如，對于水下連通管的閥門，可考慮設(shè)計自動開合裝置，即根據(jù)水位的實(shí)時變化，自動調(diào)節(jié)閥門的開合度，維持上下游水位和流態(tài)的穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

城市河湖水環(huán)境工程的設(shè)計過程復(fù)雜，本文通過系統(tǒng)的研究，得出以下結(jié)論：

(1)城市河湖水環(huán)境工程起源于傳統(tǒng)水利工程，是傳統(tǒng)水利工程在新時期的表現(xiàn)形式之一；

(2)功能與形式存在4種常規(guī)的呈現(xiàn)方式：功能依從規(guī)范、形式追隨文化、功能造就形式、形式引領(lǐng)功能；

(3)常見的涉水工程建筑物存在功能與形式的沖突問題，主要涉及功能的“內(nèi)部約束”與“外部排斥”、形式的“環(huán)境要求”與“材料選擇”等；

(4)提出了功能與形式的辯證統(tǒng)一設(shè)計方法，包括“功能的‘否定之否定’”、“形式的‘多元互變’”、“時間與空間的結(jié)合”、“總體與局部的結(jié)合”、“動態(tài)與靜態(tài)的結(jié)合”5個方面內(nèi)容。

對涉水工程建筑物而言，其功能與形式不僅存在相互區(qū)別對立的一面，同時又存在相互關(guān)聯(lián)統(tǒng)一的一面，在未來的河湖水環(huán)境工程設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)將兩者有機(jī)統(tǒng)一起來，科學(xué)規(guī)劃、合理設(shè)計，進(jìn)而為現(xiàn)代城市的高質(zhì)量發(fā)展繪制鮮明的水環(huán)境底色。

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