在建筑美學(xué)和綠建要求約束下的給排水設(shè)計

馬慧俊，楊婷

（浙江省建筑設(shè)計研究院，浙江 杭州 310006）

0 前言

本項目的目標(biāo)是打造一個高效、高智能、節(jié)能、低碳的建筑，并獲得美國綠色建筑LEED金級認(rèn)證和中國綠色建筑三星級認(rèn)證，為當(dāng)?shù)貥淞⒖沙掷m(xù)設(shè)計和開發(fā)的典范，并創(chuàng)建一個活力動感的都市新焦點。建筑外立面要求：簡潔、現(xiàn)代、獨特、大氣、硬朗，這也是本項目建筑設(shè)計的重點目標(biāo)。

根據(jù)GB/T 50378—2019《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》要求，需根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚝妥匀毁Y源條件，合理利用可再生能源，合理使用非傳統(tǒng)水源。同時也為滿足LEED雨水控制及節(jié)水條款的要求，本工程采取了設(shè)置太陽能熱水系統(tǒng)以及雨水收集回用系統(tǒng)。國內(nèi)相關(guān)類似建設(shè)目標(biāo)的綠色建筑上也采取了上述2種策略[1-4]。由于太陽能熱水系統(tǒng)、雨水收集回用系統(tǒng)以及冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)這3個系統(tǒng)對建筑立面和景觀效果都會有直接影響，本工程對此進行了分析與思考，并采取合適的處理措施，以期實現(xiàn)建筑、技術(shù)、美學(xué)融為一體的設(shè)計目標(biāo)。

1 項目概況

本項目為超高層辦公綜合體，地上由一棟43層塔樓和4層裙樓組成，地下3層為機動車庫及配套機房。塔樓主要為超五星級辦公樓層，其中1~3層為大廳層，4層以上為標(biāo)準(zhǔn)層，12層及28層為機械層，13層及29層為避難層。裙樓1~4層主要為商業(yè)用房，裙樓屋面為屋頂花園，具體見圖1。本項目是一幢結(jié)構(gòu)上富于表現(xiàn)力的建筑物，具有高效的平面布局，靈活的大開間樓層，以及創(chuàng)新的雨水回用系統(tǒng)和空氣過濾系統(tǒng)。大樓提供了設(shè)置獨特的辦公場所，既體現(xiàn)了該商務(wù)區(qū)的多樣性又體現(xiàn)了辦公空間設(shè)計的前瞻性和靈活性。

2 冷卻循環(huán)水系統(tǒng)

2.1 冷卻塔位置選擇

冷卻循環(huán)水系統(tǒng)中對建筑立面影響最大的為冷卻塔。冷卻塔塔體高、占地大、運行有震動、噪聲、漂水等對周邊環(huán)境的不利影響，而且塔體對進風(fēng)條件有較高要求，因此冷卻塔的設(shè)置位置一直是水專業(yè)和建筑專業(yè)共同關(guān)注的重點。本項目集中空調(diào)制冷采用電動冷水機組，采用了4臺單機制冷量為3170 kW和1臺單機制冷量為1407 kW電動離心式冷水機組，設(shè)置于地下1層。冷卻塔采用2組循環(huán)量為1545 m3/h的超低噪聲高效型方形橫流式冷卻塔。

按照總圖平面，塔體的位置主要有地面、裙樓屋面和塔樓屋面3個布置方案。

方案一：塔體設(shè)置在地面上。由于地塊緊湊，地面留空余地不多，且留空位置東北角為市政干道交叉口，大型設(shè)備設(shè)置在此處，對地塊整體效果影響很大，所以此方案排除。

方案二：塔體設(shè)置在裙樓屋面。裙樓位置高度適中，離冷凍機房近，但經(jīng)過仔細(xì)研究幾種實際尺寸的塔體在屋面上的放置方案后，發(fā)現(xiàn)存在2個難以接受的缺點：（1）高大的冷卻塔體在裙樓上非常突兀，無論采取何種隱蔽措施，對裙樓整體立面影響太大，打破了整體建筑外立面的線條和體塊邏輯；（2）冷卻塔設(shè)在裙樓屋面上，對裙樓屋頂花園景觀整體性效果破壞很大。而且塔樓和裙樓間距僅為13 m左右，冷卻塔運行的噪聲、白煙對塔樓的使用有影響。由于本工程對建筑立面及裙樓屋頂花園景觀效果的完成度有相當(dāng)高的美學(xué)要求，因此該方案經(jīng)業(yè)主和各專業(yè)反復(fù)評估后也被排除。

方案三：將冷卻塔設(shè)置到塔樓屋面。該方案的優(yōu)勢在于塔體可以做到完全隱蔽，完全消除了冷卻塔對建筑外立面的影響。但給水專業(yè)帶來了極大的挑戰(zhàn)，就是塔樓屋面距離冷凍機房有約200 m的高差，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)壓力過大，遠(yuǎn)超常規(guī)冷機循環(huán)系統(tǒng)的工作壓力（＜1.0 MPa），需采取技術(shù)措施處理。

經(jīng)過綜合評估，為保證外立面完成效果和裙樓屋頂花園的完整性，本項目采取方案三進行冷卻塔的安置。

2.2 大高差冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)組成

冷卻塔設(shè)置在超高層塔樓屋頂，在國內(nèi)類似項目不多見。冷卻塔至冷凍機高差約200 m，如果不采取措施，直接采用常規(guī)一泵到底的做法，整個循環(huán)系統(tǒng)涉及的管道、設(shè)備壓力都要達到2.4 MPa以上。這樣的系統(tǒng)存在很大的安全風(fēng)險及可靠性問題，同時也由于壓力等級的提高，大大提升了整個系統(tǒng)的造價。為了解決超壓問題，系統(tǒng)會采取設(shè)置板換豎向分區(qū)，或裙房、塔樓分別設(shè)置獨立系統(tǒng)[5]。本工程冷卻循環(huán)水系統(tǒng)采用了設(shè)置中繼板換，實現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)高低分區(qū)，隔絕大高差系統(tǒng)對冷機的絕對壓力。

整個大高差冷卻水循環(huán)系統(tǒng)由屋面開式橫流冷卻塔、12層中繼板換、12層高區(qū)冷卻水循環(huán)泵、-1層冷凍機房低區(qū)冷卻水循環(huán)泵和冷凍機組成。屋面設(shè)置了2組超低噪聲高效型方形橫流冷卻塔，單組流量Q=1545 m3/h，進出水溫度t1、t2分別為31.0、36.5℃，濕球溫度為28℃。12層機械層設(shè)置3臺中繼板換，設(shè)計采用1℃換熱溫差，高區(qū)初級側(cè)的供回水溫度分別為36.5、31.0℃，低區(qū)次級側(cè)供回水溫度分別為37.5、32.0℃，每臺換熱量為5338 kW，壓損50 kPa。此外，12層相對應(yīng)設(shè)置了4臺高區(qū)冷卻水循環(huán)泵，流量為255 L/s、揚程為32 m、功率為112 kW（三用一備）。在-1層冷凍機房與冷機一一對應(yīng)設(shè)置了5臺低區(qū)冷卻水循環(huán)泵，流量為172 L/s、揚程為32 m、功率為75 kW（四用一備）及1臺低區(qū)冷卻水循環(huán)泵，流量為78 L/s、揚程為32 m、功率為37 kW。系統(tǒng)原理見圖2。

2.3 大高差冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計要點

2.3.1 中繼板換荷載及尺寸

由于冷卻水系統(tǒng)循環(huán)量達到2754 m3/h，系統(tǒng)循環(huán)干管分別為DN700、DN600，整個換熱系統(tǒng)的板式換熱器和循環(huán)泵相應(yīng)都很大。換熱機房處于12層機械層，是整個大樓中的中間層，所以板式換熱器的質(zhì)量、高度尺寸這2個參數(shù)變得特別重要，必須在設(shè)計階段對結(jié)構(gòu)荷載、建筑層高條件有所考慮和預(yù)留，招標(biāo)階段也應(yīng)在招標(biāo)文件中將其作為響應(yīng)條件。本工程最終采用的板式換熱器，單臺運行總質(zhì)量18.2 t，長×寬×高=5195 mm×1174 mm×3218 mm。這個質(zhì)量及尺寸在相同換熱量的不同品牌中是最輕和最小的，其他同規(guī)模換熱量的常規(guī)板式換熱器荷載值都在24~35 t不等。因此，在換熱機房設(shè)置在中間樓層的項目中，特別需要考慮預(yù)留土建條件及控制中繼板換的質(zhì)量及尺寸。

2.3.2 高區(qū)冷卻水循環(huán)泵震動及噪聲

由于12層機械層下面即為普通辦公樓層，所以設(shè)計階段也已重點考慮了整個機房的震動及噪升處理措施。一般泵房內(nèi)震動和噪聲主要來源于水泵電機。水泵運行的震動和固體聲主要有以下3種途徑通過建筑本體傳遞到其他樓層：設(shè)備基礎(chǔ)、連接管道、支架。本工程相應(yīng)采用了以下3種措施：在機房內(nèi)部墻體設(shè)置多孔吸聲板、循環(huán)泵與管道連接處設(shè)置橡膠軟接頭、循環(huán)泵設(shè)置在隔聲減震的浮動地臺上。其中，浮動地臺由結(jié)構(gòu)樓層上的彈性層和浮動層組成。浮動層由鋼筋混凝土澆筑成，彈性層由彈性支撐構(gòu)件組成。設(shè)備設(shè)置在浮動層上部，設(shè)備運行的震動和噪聲在到達結(jié)構(gòu)層前，就會被彈性構(gòu)件大量吸收消解。具體節(jié)點見圖3。

但是在冷卻循環(huán)水系統(tǒng)調(diào)試運行中，12層機房的循環(huán)泵運行噪聲和震動超出預(yù)期，對下層辦公室干擾較大。經(jīng)實測，12層機房在正常運行過程中，在水泵旁測得噪聲值為84.0 dB（A），11層辦公室冷卻水泵正下方噪聲值為58.8 dB（A），10層辦公室相應(yīng)位置噪聲值為47.3 dB（A），不能滿足設(shè)計要求。根據(jù)現(xiàn)場勘查情況，進行了以下幾個方面的整改：

（1）浮動地臺混凝土面層不得與周邊粉刷層一體，露出圍邊墊，保證浮動地臺與土建結(jié)構(gòu)不做硬連接。

（2）機房圍護隔墻應(yīng)砌到頂，不留縫隙，且內(nèi)部設(shè)置多孔吸聲板。

（3）水泵房間管道支架應(yīng)設(shè)置彈簧減震器，水管支架不得與土建本體剛性連接。

（4）更換超靜音電機。

采取以上措施后，11層辦公室測點噪聲滿足設(shè)計要求。

2.4 超高層塔樓屋面冷卻塔安裝要點

在超高層塔樓屋面設(shè)置冷卻塔應(yīng)注意以下2點：

（1）冷卻塔供貨方式一般有2種，整機供貨和散件供貨。散件供貨由于冷卻塔需要現(xiàn)場安裝，安裝質(zhì)量不可控制、工期長，但運輸成本便宜，在條件有限時可以采用。相反，整機供貨安裝質(zhì)量好、工期短，但運輸困難、費用高，且吊裝條件要求高。但如果現(xiàn)場條件允許盡量選擇整機供貨，這點可在招標(biāo)文件中進行約束，同時后期需協(xié)調(diào)總包做好吊裝。本工程塔吊16 t，冷卻塔在塔吊未拆卸前進場，所以單個冷卻塔模塊直接吊裝至塔樓屋面。縮短了安裝工期，提高了施工質(zhì)量。

（2）由于塔樓周邊一圈女兒墻體較高，冷卻塔相當(dāng)于安裝在深坑內(nèi)，任一組塔左右兩側(cè)距離墻體約為4 m，所以，進風(fēng)條件一般。為了減少了熱氣流的回流，改善進風(fēng)條件。本工程抬高冷卻塔基礎(chǔ)，將塔體出風(fēng)口高度提高至略低于女兒墻，同時考慮避免與擦窗機的擺臂碰撞。經(jīng)過廠家校核，確定了該條件下冷卻塔熱力性能可滿足設(shè)計要求。

3 太陽能熱水系統(tǒng)

根據(jù)綠建可再生能源利用的要求，本工程需采用太陽能熱水系統(tǒng)，設(shè)置太陽能集熱板335 m2，用于提供地下室員工淋浴間洗浴熱水。太陽能集熱板集中設(shè)置會占用大片區(qū)域，非常醒目，對建筑效果影響很大。因此在項目設(shè)計中，集熱板設(shè)置位置選取是給排水專業(yè)和建筑專業(yè)非常重視的內(nèi)容。

本工程大樓屋面的全年太陽輻射分析見圖4。整個建筑物屋頂全年日照輻射量充足，集熱板可以設(shè)置在塔樓或裙房任一屋面上。

由圖4可以看出，理論上集熱板設(shè)在塔樓最高處時集熱效果最佳，但由于塔樓屋面已布滿冷卻塔、擦窗機等各類設(shè)備，不再有條件設(shè)置集中大面積的集熱板，只能考慮設(shè)置在裙樓屋面上。而本工程裙樓屋面是建筑和業(yè)主非常重視的景觀面，也是本工程的亮點區(qū)域。建筑景觀方案設(shè)計在裙樓屋面打造一個綠意盎然、流水環(huán)繞的屋頂花園，為大樓商業(yè)及辦公人群提供休憩和休閑的場所，所以裙樓屋面必須保持純粹和整潔，需要盡可能減少設(shè)備對屋面的占用或者盡量降低設(shè)備對屋面整體景觀造成突兀的影響。整個屋面建筑形態(tài)上凸起構(gòu)筑物就是2個狹長的樓梯間及1個電梯廳。如何在相對非常整潔的屋面上設(shè)置335 m2太陽能集熱板，又不突兀，是非常需要仔細(xì)推敲和研究的節(jié)點。經(jīng)過與建筑專業(yè)反復(fù)探討，最終采用下述方案：在裙樓一圈女兒墻內(nèi)側(cè)1 m左右新增一圈女兒墻，平板集熱器鑲嵌在2個女兒墻頂部的中間，剩余的集熱器設(shè)置電梯廳上部。熱媒循環(huán)管路設(shè)置在集熱器下部，被兩側(cè)的女兒墻完全隱蔽。這種化整為零式的太陽能集熱器設(shè)置方法最大程度地避免集熱板集于一處設(shè)置，而顯得過于突兀和醒目。同時由于集熱器為黑色，設(shè)在2道女兒墻間，沿建筑周邊布置一圈，做到了太陽能集熱板與建筑一體化。本工程共采用了156片尺寸為2050 mm×1050 mm的平板集熱器。為避免單個循環(huán)系統(tǒng)規(guī)模過大，以及保持系統(tǒng)安全，太陽能集熱器分成2個獨立的循環(huán)系統(tǒng)至熱水儲罐，循環(huán)系統(tǒng)采用同程布置。

4 雨水收集回用系統(tǒng)

4.1 雨水收集回用系統(tǒng)總體方案

根據(jù)綠建要求，本工程應(yīng)設(shè)置雨水回用系統(tǒng)，主要用于地下室車庫沖洗、室外綠化澆灌道路沖洗及水景補水。根據(jù)回用功能的不同，本工程雨水收集回用系統(tǒng)分為2個獨立的系統(tǒng)：第1套雨水收集回用系統(tǒng)收集塔樓屋面雨水，經(jīng)過室外棄流井棄流后，進入地下3層雨水處理機房，處理合格后，加壓回用于地下車庫沖洗、室外綠化澆灌道路沖洗和作為水景補水的備用水源；第2套雨水收集回用系統(tǒng)把水景和雨水收集回用系統(tǒng)進行了結(jié)合。

4.2 水景化雨水收集回用系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)主要由以下5個部分組成：裙樓屋頂花園（雨水濕地花園）、內(nèi)院跌落式水景、1層鏡面水池、地下雨水蓄水池及雨水機房。水從雨水機房加壓提升至裙樓屋面水景墻出水，然后在屋面流經(jīng)濕地植栽區(qū)域和水域開放區(qū)，最后流至內(nèi)院垂直凈化跌水墻，垂直凈化跌水墻由多級種植水生植物的金屬種植槽組成，水流經(jīng)種植槽，也得以凈化。同時通過跌水也提高了水中的溶解氧濃度。跌水墻的最后一級為水瀑墻，落下的水流經(jīng)中庭與室外的1層鏡面水池連通。鏡面池水溢流回至地下室蓄水池，周而反復(fù)，水在整個循環(huán)系統(tǒng)中閉環(huán)。整個水循環(huán)系統(tǒng)通過植物過濾、跌水充氧形成了一個生態(tài)的水凈化工程系統(tǒng)。屋頂花園、內(nèi)院跌落式水景、1層鏡面池，共計3873 m2，這些區(qū)域作為景觀設(shè)施的組成部分的同時，還直接收集降水，發(fā)揮了雨水收集和回用功能。水景化雨水收集回用系統(tǒng)原理如圖5所示。

4.3 系統(tǒng)運行參數(shù)選取

本工程地下室雨水蓄水池主要為了保證地上水景放空時水的臨時存儲，以及能一定程度上調(diào)節(jié)不同月份的降雨和蒸發(fā)量差值給系統(tǒng)帶來的沖擊，保證系統(tǒng)一般無需經(jīng)常補水正常運行。因此蓄水池容積主要由2部分構(gòu)成，地上各水景設(shè)施的儲水量1025 t，當(dāng)?shù)貥O端干旱天氣3個月降雨量和最不利月份的蒸發(fā)消耗水量總計542 t，需儲水容積共計1567 t。本工程實際設(shè)置了1700 t雨水蓄水池。此外，此雨水收集回用系統(tǒng)年可收集利用的雨水量約為4152 t，系統(tǒng)年蒸發(fā)量約3331 t，所以整個系統(tǒng)能夠保證初次注水啟動后無需另外補水長年運行，系統(tǒng)能維持一個閉環(huán)運行。為了保證內(nèi)院跌落水景效果，工程設(shè)置循環(huán)流量80 m3/h。

5 結(jié)論及建議

（1）對于建設(shè)項目的高建筑美學(xué)要求、高綠建標(biāo)準(zhǔn)、機電功能需求這3個設(shè)計目標(biāo)，應(yīng)結(jié)合項目實際情況，多與其他專業(yè)溝通，把專業(yè)需求融入到建筑景觀總體設(shè)計中，最終把建筑、技術(shù)、美學(xué)融為一體，實現(xiàn)多贏。

（2）對于設(shè)置在超高層屋頂?shù)拇蟾卟罾鋮s循環(huán)水系統(tǒng)，可以采用中繼板換實現(xiàn)分區(qū)，降低系統(tǒng)壓力，應(yīng)特別重視機械層的換熱機房土建條件預(yù)留并做好防震隔聲措施。

（3）雨水收集回用系統(tǒng)可以因地制宜結(jié)合景觀水景設(shè)計，做到系統(tǒng)功能實現(xiàn)和水景景觀效果雙統(tǒng)一。

（4）太陽能與建筑一體化應(yīng)結(jié)合具體項目建筑形態(tài)和輻射條件，把太陽能利用設(shè)施有機融入到建筑里，實現(xiàn)二者的有效結(jié)合，達到建筑節(jié)能和增強建筑美觀的雙重效果。