面向全地表徑流的科創(chuàng)園區(qū)“建筑-景觀”協(xié)同改造設(shè)計研究
——以蘇州金楓產(chǎn)業(yè)園為例

李 哲

成玉寧*

陳菲菲

韓 笑

趙鍇彧

當(dāng)代風(fēng)景園林學(xué)全尺度服務(wù)人居環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，優(yōu)化建成環(huán)境，凸顯綠色基礎(chǔ)設(shè)施，“設(shè)計的創(chuàng)新引領(lǐng)”已成為國際風(fēng)景園林學(xué)科發(fā)展的普遍共識。伴隨當(dāng)代城市建設(shè)理念與技術(shù)水平的同步深化，傳統(tǒng)設(shè)計觀念與方法正呈現(xiàn)出不斷務(wù)實、進取的趨勢?！案拍钜I(lǐng)”已經(jīng)逐漸為“技術(shù)引領(lǐng)”所取代，協(xié)同設(shè)計與技術(shù)集成成為當(dāng)前風(fēng)景園林設(shè)計觀念轉(zhuǎn)變與方法創(chuàng)新的重要途徑。同時，傳統(tǒng)人居環(huán)境設(shè)計專業(yè)界面正逐漸模糊，建筑設(shè)計與景觀設(shè)計的契合面、融合度不斷擴大，由現(xiàn)實問題牽引，以關(guān)鍵問題驅(qū)動、技術(shù)體系集成、工程體系統(tǒng)籌的“建筑-景觀”一體化設(shè)計正成為一種日漸鮮明的設(shè)計趨勢。

與此同時，低影響開發(fā)模式作為城市新型的雨水綜合管理模式，已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于城市開發(fā)、建設(shè)及更新改造中[1]。低影響開發(fā)模式的核心理念正是對地表雨水徑流的綜合管理，降雨時能夠就地或者就近吸收、存蓄、滲透、凈化雨水，補充地下水、調(diào)節(jié)水循環(huán)；在干旱缺水時有條件將蓄存的水釋放出來，并加以利用，從而讓水在城市中的遷移活動更加“自然”。需注意的是，不同于傳統(tǒng)建設(shè)中大規(guī)模雨水傳輸管道和綜合管網(wǎng)結(jié)構(gòu)性末段管理方法，LID系統(tǒng)設(shè)計強調(diào)以分散式小規(guī)模措施對雨水進行徑流控制，從而維持區(qū)域開發(fā)前的地表水文狀態(tài)，將土地開發(fā)對地表生態(tài)徑流的影響降至最低[2]。

科技創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園區(qū)是當(dāng)代中國城市擴展的重要類型之一，為城市化發(fā)展起到了重要的作用?？苿?chuàng)園區(qū)一般位于城市新區(qū)，具有園區(qū)相對獨立、空間體系較完備，建筑功能以辦公、研發(fā)為主，建筑形體簡潔，建筑-景觀整體建設(shè)等特點。面對當(dāng)前經(jīng)濟發(fā)展新常態(tài)下的產(chǎn)業(yè)升級挑戰(zhàn)，園區(qū)綜合改造成為促進園區(qū)持續(xù)發(fā)展的重要抓手[3]。同時，因其全國性大規(guī)模建設(shè)早于海綿理念成型，大多數(shù)已建成科創(chuàng)園區(qū)缺乏低影響開發(fā)系統(tǒng)建設(shè)，在其綜合改造與更新建設(shè)中亟待增加低影響開發(fā)技術(shù)支撐。

1 建成環(huán)境全地表徑流系統(tǒng)概述

1.1 建成環(huán)境

建成環(huán)境可以是一個社區(qū)、村莊，也可以大到一個城市，它與人類生產(chǎn)生活息息相關(guān)，是一系列人工建造的、服務(wù)于人類社會的環(huán)境。相對于自然環(huán)境，建成環(huán)境往往伴隨高密度人口聚集，對自然資源及其結(jié)構(gòu)分布、環(huán)境承載力有著重要影響[4]：一方面，建成環(huán)境的運作需要不斷消耗自然資源，影響生態(tài)格局的演變與發(fā)展；另一方面，建成環(huán)境產(chǎn)出大量廢棄物，嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境，擾亂自然環(huán)境的正常演進。伴隨當(dāng)代生態(tài)思想與可持續(xù)發(fā)展理念在建成環(huán)境研究與改造中的持續(xù)深入，建成環(huán)境成為近年來國內(nèi)外風(fēng)景園林等學(xué)科研究的熱點議題。

科創(chuàng)園區(qū)作為典型建成環(huán)境，其未來發(fā)展面向有別于傳統(tǒng)的工業(yè)園區(qū)模式，從環(huán)境生態(tài)角度追求園區(qū)內(nèi)各組成部分的協(xié)同合作及其對外界的低影響、低排放。因此，低影響開發(fā)技術(shù)與科創(chuàng)園區(qū)的建設(shè)、改造理念相吻合，通過低影響開發(fā)技術(shù)的綜合運用降低建成環(huán)境徑流承載壓力，進而追求環(huán)境效能最大化、生態(tài)影響最小化的運行狀態(tài)。

1.2 全地表徑流系統(tǒng)

徑流是流域中氣候和下墊面各種自然地理因素綜合作用的產(chǎn)物。地表徑流(地面徑流)指降水后在地表直接蒸發(fā)、植物截留、滲入地下、填充洼地，其余經(jīng)流域地面、匯入河槽下泄的水流[5]。當(dāng)前建成環(huán)境條件下的“城市地表”已從原來狹義的“城市底界面”向包含建筑立面在內(nèi)的全地表范疇拓展，建筑本體5個立面和地面共同構(gòu)成了城市完整地表。

因此，全地表徑流系統(tǒng)是指對研究區(qū)域內(nèi)全部地表面層徑流進行有規(guī)律、有計劃的收集、組織、利用和排放，達到雨水(融雪)利用效率最大化的人工系統(tǒng)。城市雨洪災(zāi)害和水污染管理是制約我國城市可持續(xù)發(fā)展的核心問題之一[6]，通過加強現(xiàn)存建筑更新與環(huán)境改造，構(gòu)建包含建筑外表面在內(nèi)的全地表徑流系統(tǒng)，充分發(fā)揮建筑、道路和綠地等建成環(huán)境組成要素對徑流的吸納、蓄滲和緩釋作用，能夠有效構(gòu)建科學(xué)的城市地表徑流系統(tǒng)，促進建成環(huán)境生態(tài)演進。

1.3 協(xié)同設(shè)計

協(xié)同設(shè)計是當(dāng)代創(chuàng)意工科發(fā)展的重要方向，也是設(shè)計方法的發(fā)展趨勢。當(dāng)代協(xié)同設(shè)計是在數(shù)字分析技術(shù)協(xié)同與先進制造技術(shù)集成的基礎(chǔ)上，對產(chǎn)品設(shè)計全過程進行深度支持的研究領(lǐng)域[7]。協(xié)同設(shè)計同樣適用于當(dāng)代建筑-景觀一體化改造設(shè)計目標(biāo)。傳統(tǒng)的建筑與景觀設(shè)計者相互獨立，并且各自具有領(lǐng)域知識、經(jīng)驗和問題求解能力。建成環(huán)境設(shè)計客觀提供了建筑-景觀協(xié)同設(shè)計的工作界面，全地表徑流系統(tǒng)理念催生了建筑-景觀的專業(yè)融合與技術(shù)協(xié)同，風(fēng)景園林學(xué)、建筑學(xué)設(shè)計人員在同一地表徑流系統(tǒng)內(nèi)進行雨水分析與組織，促進并實現(xiàn)了地表徑流的完整性、設(shè)計的協(xié)同性與工程的集成性。

2 科創(chuàng)園區(qū)“建筑-景觀”全地表徑流系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計策略

2.1 構(gòu)建完整“建筑-景觀”全地表雨水徑流體系

地表硬化是建成環(huán)境的重要特征之一，也是人工面層(石材、水泥、金屬、瀝青、混凝土)對生態(tài)系統(tǒng)干擾和破壞的集中表現(xiàn)。全地表徑流系統(tǒng)的核心設(shè)計目標(biāo)在于合理控制場地徑流總量、減少徑流峰值流量、減緩徑流速度、延長徑流生成時間，同時相應(yīng)減少市政雨水管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)成本、降低維護運行壓力[8](圖1)。

科創(chuàng)園區(qū)普遍具有周邊道路、市政設(shè)施建設(shè)完備，規(guī)劃分區(qū)簡明清晰，規(guī)劃與建設(shè)統(tǒng)一等特點，為結(jié)合建成環(huán)境實際進行徑流規(guī)劃與設(shè)計奠定了良好的基礎(chǔ)。一般來說，科創(chuàng)園區(qū)匯水分區(qū)完全可以按照園區(qū)道路進行設(shè)置，但需要注意適當(dāng)?shù)膮R水分區(qū)長寬比，不宜單項距離過長；徑流宜通過局部低影響開發(fā)系統(tǒng)完成處理，不宜跨分區(qū)進行；建筑宜單獨分區(qū)，獨立進行徑流組織，同時兼顧低影響開發(fā)設(shè)施的使用效率；地面雨水蓄存設(shè)施未必一定在綠地內(nèi)設(shè)置，結(jié)合地面改造完全可以設(shè)置在荷載要求不高的硬地(如步行空間)內(nèi)，需注意與地下空間的結(jié)合關(guān)系；最后，在每個分區(qū)內(nèi)均應(yīng)盡量設(shè)置綠化景觀，有助于落實海綿剛性指標(biāo)，便于徑流設(shè)施工程實施。

2.2 低影響開發(fā)工程效能綜合提升

效能研究是現(xiàn)代工科發(fā)展的重要命題之一，意指“達到系統(tǒng)目標(biāo)的程度，或系統(tǒng)期望達到一組具體任務(wù)要求的程度”。根據(jù)科創(chuàng)園區(qū)預(yù)先制定的低影響開發(fā)改造目標(biāo)，“建筑-景觀”協(xié)同設(shè)計目的在于建立一個集約的全地表雨水徑流控制與利用系統(tǒng)，充分發(fā)揮其低影響處理能力、整體提高徑流效能，并在低影響開發(fā)6項技術(shù)措施(滲、滯、蓄、凈、用、排)中進行技術(shù)集成與工程應(yīng)對[9]。

1)提高地表下滲率。與單純關(guān)注地面硬化下滲條件不同，全地表徑流系統(tǒng)將建筑各表面層、景觀界面統(tǒng)一視為徑流載體，雨水徑流包含了建筑屋面、墻體與建成環(huán)境下墊面徑流，因此，雨水下滲率需要建筑屋面、墻面與下墊面協(xié)同做功。這為充分?jǐn)U展分散式、小規(guī)模LID系統(tǒng)提供可能，同時意味著減少徑流距離，實現(xiàn)就近下滲，使用集成技術(shù)與工程措施，促進綠色建筑屋頂、墻體綠化與地表景觀的一體化低影響營造。

圖1 全地表徑流系統(tǒng)基本構(gòu)成圖

2)減緩徑流集中速度。與雨水徑流總量、徑流峰值不同，徑流集中速度是當(dāng)前海綿城市建設(shè)中普遍忽視的問題。目前實踐表明，單純就建筑或景觀進行低影響開發(fā)設(shè)計，都無法有效控制徑流集中速度，并最終將集中流速統(tǒng)一釋放給其他受體(如建筑粗放式釋放給場地，大口徑雨水管、集中蓄水成為常態(tài))，導(dǎo)致市政工程系統(tǒng)荷載與工程量無法根本性降低[10]。因此，低影響設(shè)計要充分釋放建筑屋面、墻體與下墊面徑流阻滯的綜合能效，充分利用植被、工程節(jié)點就近降低徑流初速，從而降低雨水徑流集中速度。

3)有序集納雨水。結(jié)合分散式、小規(guī)模LID系統(tǒng)有序集納雨水，使可直接利用雨水能夠就近蓄存(如墻體綠化)。強調(diào)雨水的源頭控制，用就地處理措施取代傳統(tǒng)的管道式排放，大部分雨水經(jīng)簡單過濾處理后可用于管線灌溉、中水清潔等，并根據(jù)雨洪分析結(jié)果分區(qū)域設(shè)置容量相符的蓄水罐(池)，以便枯水季節(jié)循環(huán)利用。

4)合理凈化雨水。雨水徑流無法避免夾帶地表懸浮物、大氣顆粒物、重金屬污染物、殺蟲劑和肥料等隨水徑流物質(zhì)。徑流污染削減率應(yīng)在分析徑流污染特征基礎(chǔ)上，結(jié)合改造需求、地表水環(huán)境質(zhì)量要求等合理確定，重點是地表懸浮物(人為拋棄物、樹木落葉等)的定點阻滯與收集，可通過雨水花園、生物滯留池等凈化設(shè)施達到凈化目的。

5)充分利用雨水。在雨洪分析基礎(chǔ)上，規(guī)劃設(shè)置建筑屋面徑流、墻體徑流與建成環(huán)境下墊面徑流分散式、小規(guī)模雨水利用系統(tǒng)，實現(xiàn)局部雨水截留、凈化、存儲與再利用；在雨水利用總量確定基礎(chǔ)上，以局部小循環(huán)替代大循環(huán)。

6)排放超量雨水。全地表徑流設(shè)施應(yīng)緊密對接市政排水系統(tǒng)。充分考慮排水防澇問題，優(yōu)化豎向設(shè)計，科學(xué)規(guī)劃超標(biāo)雨水流經(jīng)路線，避免內(nèi)澇(易淹易澇點)產(chǎn)生。同時采取必要的防滲措施，防止雨水下滲對建筑表層和地面工程造成損壞。

圖2 蘇州金楓產(chǎn)業(yè)園全地表徑流系統(tǒng)技術(shù)路線

2.3 全地表徑流工程體系模塊化設(shè)計

波特蘭會議中心、PCC雨洪教育廣場等20個典型案例統(tǒng)計分析表明[11]，系統(tǒng)化工程模塊已在建筑、景觀低影響開發(fā)中逐步采用，但現(xiàn)階段體系化、標(biāo)準(zhǔn)化程度較低。作為一項系統(tǒng)工程，全地表徑流工程體系的模塊化發(fā)展意義重大，除能準(zhǔn)確、高效進行分析與設(shè)計，降低工程難度，統(tǒng)一工程質(zhì)量外，它還具備與綠色建筑、裝配式建筑、海綿城市建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 51345—2018)對接的能力，工業(yè)化潛力巨大。

圖3 蘇州金楓產(chǎn)業(yè)園全地表徑流系統(tǒng)方案

3 實證研究：蘇州金楓產(chǎn)業(yè)園全地表徑流系統(tǒng)設(shè)計

3.1 項目概述

金楓產(chǎn)業(yè)園位于蘇州市木瀆鎮(zhèn)內(nèi)，根據(jù)產(chǎn)業(yè)提升規(guī)劃，計劃在三年內(nèi)改造成為國家級綠色建筑科研機構(gòu)與院士工作站，打造成為長三角地區(qū)低碳綠色建筑產(chǎn)業(yè)整合示范基地，節(jié)能環(huán)保技術(shù)展示、研發(fā)、銷售與實踐基地。2010年完成建筑與景觀建設(shè)，總建筑面積36 000m2，占地約2.4hm2。項目設(shè)計以“Green Box”為主題，堅持海綿城市、綠色建筑理念，秉持低影響開發(fā)原則展開，從全地表徑流系統(tǒng)分區(qū)、分散式徑流組織、小規(guī)模LID模塊工程集成角度切入設(shè)計，統(tǒng)籌建筑表面與場地徑流，進行建筑-景觀協(xié)同設(shè)計，力求通過技術(shù)系統(tǒng)實現(xiàn)整體園區(qū)的功能、形象更新(圖2)。

3.2 全地表徑流體系建立

全地表徑流是低影響開發(fā)的核心，也是協(xié)同設(shè)計的紐帶。在綠色建筑、低影響開發(fā)剛性指標(biāo)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)建設(shè)現(xiàn)狀與雨洪分析結(jié)果進行徑流分區(qū)規(guī)劃，同時確定各個分區(qū)對應(yīng)的分項指標(biāo)，使之整體滿足建設(shè)要求。設(shè)計同時關(guān)注于加強建筑和景觀的工程聯(lián)系，協(xié)同控制建筑、景觀設(shè)計品質(zhì)，使之整體大于局部之和。

圖4 金楓產(chǎn)業(yè)園模塊化綠化改造示意圖

圖5 金楓產(chǎn)業(yè)園屋頂綠化改造模塊化設(shè)計概念圖

圖6 金楓產(chǎn)業(yè)園光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

在金楓產(chǎn)業(yè)園全地表徑流體系設(shè)計中，降水自落于建筑屋面、側(cè)立面和場地表面時便納入小循環(huán)，利用分散式、小規(guī)模工程模塊對雨水進行組織與控制(圖3)。首先，建筑頂面綠化模塊和地表海綿模塊會對所在區(qū)域內(nèi)初降水進行快速吸納與過濾，在滯后瞬時洪峰的同時，對初期雨水徑流進行截流、截污后輸送；建筑屋頂和地面的雨水被匯集到相應(yīng)的初級蓄水裝置，在此暫時儲存和沉淀，并用于局部存儲與后續(xù)使用。與此同時，建筑立面上的綠化模塊收集側(cè)向降水，蓄滿綠化模塊內(nèi)的蓄水緩釋容器后，超額雨水匯入其下行管網(wǎng)，優(yōu)先將其轉(zhuǎn)存至地面儲水設(shè)備，超容量雨水則通過地表泄洪溝，經(jīng)下沉式階梯親水堤岸溢流至周邊河道。儲水模塊中的雨水可后期通過補水、緩釋設(shè)施滿足所在分區(qū)內(nèi)植被澆灌等需求。

3.3 模塊化綠化體系建立

結(jié)合全地表徑流體系建立，金楓產(chǎn)業(yè)園低影響工程系統(tǒng)涵蓋了屋頂綠化、垂直綠化與地面綠化3個部分，并因其均參與低影響開發(fā)指標(biāo)體系計算，故依據(jù)模塊化原則進行了協(xié)同設(shè)計。全地表徑流綠化模塊包括屋頂綠化箱、立體綠化組合箱和模塊化地面綠化箱(圖4)。其基本原理是利用模塊化容器構(gòu)型，通過安裝組合快速構(gòu)成綠化種植基盤，同時具有阻根、蓄水、過濾、排水、抗風(fēng)以及參與雨水收集的作用，能夠快速實現(xiàn)屋頂平面、建筑立面、無土壤地表及有土壤地表的快速綠化施工。

例如金楓產(chǎn)業(yè)園屋頂綠化模塊采用架空安裝構(gòu)型，與屋面系統(tǒng)分離，植物、基層和水分不直接接觸屋面，故無須進行屋面改造(圖5)。垂直綠化采用了卡夾式構(gòu)型，可與立面改造中加入的輕鋼維護結(jié)構(gòu)順利銜接，抗壓大于100kg/m2，抗風(fēng)能力良好。地面綠化采用埋置式構(gòu)型(喬木另行施工)，模塊埋置地表土以下，模塊內(nèi)種植基質(zhì)與地表土壤銜接，適宜植物持續(xù)生長。建筑屋頂、墻面綠化模塊均加裝了蓄水容器及回水軟管，構(gòu)成局部補水系統(tǒng)。分析表明，僅建筑綠化改造一項，在氣溫超過34℃時能夠保證建筑室溫同比降低2℃，空調(diào)負(fù)荷降低15%，體現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的設(shè)計理念。

3.4 綠色能源系統(tǒng)建立

盡管在低影響開發(fā)理念中并未明確提及節(jié)能理念及自維護動力方案，但整合綠色能源進行系統(tǒng)運行也是相當(dāng)重要的，這也是低影響開發(fā)的未來發(fā)展方向[12]。本項目依托光伏發(fā)電系統(tǒng)進行了綠色能源模塊化設(shè)計。該模塊主要由太陽能電池板(模塊化單晶硅光伏組件)、蓄電池、補水控制器和逆變器四部分組成離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，并根據(jù)屋頂、不同墻面和地面能源需求進行模塊化組裝。

綠色能源系統(tǒng)發(fā)電裝機容量以滿足蓄水容器內(nèi)回水灌溉動力及景觀照明為目標(biāo)，設(shè)備均在建筑屋頂安裝并網(wǎng)發(fā)電。本項目裝機規(guī)模370kW，全部采用固定傾角(230°)安裝，共安裝220W晶硅太陽能電池1 680塊。按系統(tǒng)效率80%、年利用小時數(shù)1 100h(江蘇地區(qū)平均值)計算，相當(dāng)于每年節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤156余噸，減排粉塵約1.95t，減排灰渣約41t，減排二氧化碳約69t，減排二氧化硫約3.1t，節(jié)省購電用戶運營成本約6.15萬元/年(圖6)。

蘇州金楓產(chǎn)業(yè)園“建筑-景觀”協(xié)同改造工程重點對全地表徑流系統(tǒng)設(shè)計體系、模塊化綠化體系、綠色能源系統(tǒng)進行了設(shè)計與工程探索。低影響開發(fā)技術(shù)如何有效結(jié)合全地表徑流理念進行拓展與體系化建設(shè)是設(shè)計之初高度關(guān)注的問題。當(dāng)然，一項整體設(shè)計其內(nèi)容遠不僅僅如此，整體改造形象、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、綜合管線、功能與空間乃至細部做法始終與之并行，即便是前期雨量分析、綠色材料(如透水材料)、綠色技術(shù)(如雨水凈化與回用)、景觀苗木選型等相關(guān)研究結(jié)論，因論述重點與篇幅所限，有待結(jié)合后續(xù)研究成果專項說明。

4 結(jié)語與展望

基于全地表徑流理念，結(jié)合低影響開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新與協(xié)同設(shè)計是當(dāng)前低影響開發(fā)與海綿城市建設(shè)的重要研究內(nèi)容之一。與單純關(guān)注建成環(huán)境地面，唯雨洪分析公式論，局限于狹義“景觀”設(shè)計內(nèi)求解不同的是，在全地表范疇下進行協(xié)同設(shè)計，建成環(huán)境中建、構(gòu)筑物表面是不容忽視的影響因子。這一理解方式和研究范式變化帶來的變革更值得重視與專業(yè)探索，相關(guān)理論進展與實踐成果一定會具有更為重要的創(chuàng)新價值與應(yīng)用潛力。

近年來海綿城市、低影響開發(fā)、綠色建筑等理論持續(xù)拓展，并逐漸形成了得以自明的技術(shù)體系與指標(biāo)體系。需要注意的是，“自明性”時常與“自閉性”并行，在自我限定的領(lǐng)域內(nèi)進行體系優(yōu)化的同時，如何與相關(guān)領(lǐng)域形成設(shè)計對接、體系協(xié)同、技術(shù)集成值得高度關(guān)注。舉例而言，在《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南(2014)》中指出：“借鑒發(fā)達國家實踐經(jīng)驗，年徑流總量控制率最佳為80%～85%。[9]”這在江南地區(qū)建成環(huán)境改造中，如果僅從地面改造角度是非常難于實現(xiàn)的，而將全地表徑流統(tǒng)籌考慮，充分利用建筑-景觀進行協(xié)同設(shè)計，增加的物理表面為實現(xiàn)各專項徑流控制提供了充分的界面，也為景觀設(shè)計向建筑改造發(fā)展提供了友好的技術(shù)端口。

當(dāng)代中國人居環(huán)境建設(shè)的力度，以及真實的風(fēng)景園林發(fā)展以一往無前的力量，將建成環(huán)境推向?qū)I(yè)研究的前臺，而建成環(huán)境的復(fù)雜性促使地表觀念在原有地理學(xué)角度擴展變革。“在地”的建筑與景觀日趨融合，迸發(fā)出新的可能和生機，這恰恰也是作為地面上人工建造的本源屬性之一，正如海德格爾所言：“作品建立起一個世界，并由此展現(xiàn)出大地。[13]”