北方寒冷地區(qū)水廠建筑設(shè)計(jì)研究

鄭琳，王雪

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300100）

1 引言

我國(guó)北方多為寒冷區(qū)域，在這樣的氣候環(huán)境和自然條件下進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)，需要重點(diǎn)考慮漫長(zhǎng)冬季中建筑的功能性。在寒冷地區(qū)進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)，不僅要兼顧整體外觀的美觀設(shè)計(jì)，還要保證建筑功能性設(shè)計(jì)與氣候相契合。在進(jìn)行水廠建筑設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮寒冷地區(qū)的限制條件，利用適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略對(duì)建筑的不同結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證水廠的水處理工作順利開(kāi)展。

2 適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略

要在我國(guó)北方寒冷地區(qū)進(jìn)行水廠建筑設(shè)計(jì)，首先，應(yīng)提高建筑的適應(yīng)性，通過(guò)對(duì)寒冷地區(qū)的建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入研讀來(lái)發(fā)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)中可能存在的問(wèn)題。通常情況下，寒冷地區(qū)的建筑設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的一項(xiàng)基本功能是保溫，通過(guò)在外墻以及屋面結(jié)構(gòu)處使用更優(yōu)質(zhì)的保溫材料，可以優(yōu)化保溫層，提高建筑的保溫效果。同時(shí)在建筑設(shè)計(jì)中需要加入一定的綠化環(huán)保元素。但在寒冷地區(qū)，綠化植物要能夠適應(yīng)北方年溫差大的自然環(huán)境，設(shè)計(jì)時(shí)，要首先考慮綠化植物的生長(zhǎng)條件。選擇建筑材料時(shí)，應(yīng)從多個(gè)角度綜合提升建筑的適應(yīng)性，具體可以從環(huán)境適應(yīng)性和氣候適應(yīng)性兩個(gè)方面綜合提升寒冷地區(qū)水廠建筑的適應(yīng)性。

2.1 環(huán)境適應(yīng)性策略

在寒冷地區(qū)設(shè)計(jì)水廠建筑，應(yīng)充分考慮環(huán)境適應(yīng)性。（1）整個(gè)水廠建筑體系中，應(yīng)當(dāng)設(shè)有水處理生產(chǎn)區(qū)、輔助功能區(qū)和辦公區(qū)，在廠址選擇和區(qū)劃方面應(yīng)當(dāng)首先保障交通便利性，受水廠自身功能性要求的影響，其建筑設(shè)計(jì)對(duì)地勢(shì)有一定的要求[1]。（2）在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)基于建設(shè)場(chǎng)地的地形條件，合理配置沉淀池、工業(yè)過(guò)濾池、清水池等主要建筑模塊，以此使水廠建筑與自然環(huán)境有機(jī)融合。（3）應(yīng)當(dāng)充分考慮利用建筑設(shè)計(jì)做好冷風(fēng)遮擋，同時(shí)兼顧采光需求。可以根據(jù)日照時(shí)長(zhǎng)和方向確認(rèn)整個(gè)水廠建筑的朝向，常見(jiàn)的建筑平面設(shè)計(jì)形式有U 形、L形、口形等。根據(jù)風(fēng)向，可以將辦公樓設(shè)計(jì)為U 形，起到冬季遮擋冷風(fēng)的作用，如圖1 所示。（4）要對(duì)建筑做好通風(fēng)適應(yīng)設(shè)計(jì)。（5）水廠本身作為具有獨(dú)特工藝流程的廠區(qū)建筑，不同區(qū)塊的重要性有所不同。盡管水廠建筑屬于工業(yè)建筑的范疇，但其中不同構(gòu)筑區(qū)塊形式分散變化不大，整體來(lái)看體量較為笨重，因此，需要加強(qiáng)不同區(qū)塊之間的協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)，使水廠建筑設(shè)計(jì)的環(huán)境適應(yīng)性得到切實(shí)提升。

圖1 U形辦公樓建筑模型示意圖

2.2 氣候適應(yīng)性策略

在我國(guó)公共建筑相關(guān)節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)寒冷地區(qū)單獨(dú)進(jìn)行了分類。寒冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)為冬季長(zhǎng)，寒冷干燥，全年氣溫變化明顯，但日照豐富，年日照百分率在40%以上。在這樣的氣候條件下選擇建筑材料時(shí)，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮材料的保溫性能和耐低溫性能，尤其要關(guān)注防水防潮材料的隔水性能，以此來(lái)適應(yīng)冬季寒冷夏季高溫潮濕的氣候特性。水廠建筑本身屬于工業(yè)建筑的一種，在構(gòu)造選擇上應(yīng)當(dāng)兼顧成本控制與建筑功能性[2]。在北方寒冷地區(qū)進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，更應(yīng)當(dāng)重視資源利用率和廢棄物的排放，并且通過(guò)深入分析水廠建筑的功能性和建筑形態(tài)，結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)建筑的不同建筑要素進(jìn)行合理布置，提高水廠建筑群的適應(yīng)性和綜合調(diào)控水平，確保在寒冷氣候條件下水廠的正常生產(chǎn)不受影響，使水廠建筑的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益平衡。

3 水廠建筑設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

3.1 明確功能分區(qū)

對(duì)水廠建筑進(jìn)行總平面規(guī)劃時(shí)，首先，要明確其內(nèi)部的功能分區(qū)。通常水廠可劃分為廠前管理區(qū)、常規(guī)生產(chǎn)區(qū)和水處理后的污泥處理區(qū)。污泥處理區(qū)內(nèi)部需要使用濃縮池與各類污泥處理設(shè)施，這些設(shè)施容易產(chǎn)生環(huán)境污染物，因此，需要避開(kāi)常年主導(dǎo)風(fēng)向。結(jié)合水廠所在地區(qū)的全年風(fēng)向特點(diǎn)設(shè)置在合理的位置，避免整個(gè)廠區(qū)受到空氣污染。同時(shí)也要確保污泥處理區(qū)附近有便利的交通條件，減少污泥外運(yùn)時(shí)對(duì)廠區(qū)附近環(huán)境的二次污染。

3.2 廠房外觀設(shè)計(jì)

隨著建筑設(shè)計(jì)理念的更新與發(fā)展，對(duì)廠房外觀設(shè)計(jì)的要求越來(lái)越高，并且越來(lái)越重視與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)性。由于水廠本身的工業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)，其與普通建筑的外觀設(shè)計(jì)有所不同。從外部整體來(lái)看，廠房應(yīng)當(dāng)有伸展和穩(wěn)重之感，通過(guò)在周圍設(shè)計(jì)實(shí)體墻使水廠建筑與周圍的建筑群分隔開(kāi)，避免水廠在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲與氣體污染影響周邊環(huán)境。在水廠設(shè)計(jì)中，還要結(jié)合建筑設(shè)計(jì)的新觀念與新思想，使水廠建筑既具有美觀性，又與周邊建筑風(fēng)格保持和諧統(tǒng)一，并且具有充足的立體感。

3.3 屋面支撐系統(tǒng)及屋面設(shè)計(jì)

水廠內(nèi)建筑的屋面支撐系統(tǒng)與屋面設(shè)計(jì)需要使用大量的鋼結(jié)構(gòu)，在當(dāng)前工業(yè)建筑中，主要采用復(fù)合柔性屋面、剛性屋面以及輕鋼結(jié)構(gòu)的屋面設(shè)計(jì)，圖2 為復(fù)合柔性屋面的分層結(jié)構(gòu)示意。具體來(lái)講，水廠應(yīng)當(dāng)根據(jù)自身成本和不同建筑物的功能性需求選擇不同的屋面結(jié)構(gòu)。這3 種結(jié)構(gòu)的保溫性能各不相同，其中，輕鋼結(jié)構(gòu)的屋面設(shè)計(jì)保溫性能相對(duì)較差，可以用于對(duì)保溫性能需求較低的廠房建筑。除此之外，屋面設(shè)計(jì)時(shí)也要充分考慮屋面排水與防水設(shè)計(jì)。為保證屋面排水，屋面坡度應(yīng)大于5%，考慮到冬季降雪量的影響，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加大坡度，避免積雪在屋面上大量積壓。設(shè)計(jì)屋面支撐系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)確保較大的屋面板與屋架焊接點(diǎn)超過(guò)3 個(gè)，起到足夠的上弦支撐作用，對(duì)屋架和天窗的上弦橫向支撐都要進(jìn)行強(qiáng)化，可以適當(dāng)使用吊車對(duì)屋頂?shù)目v向支撐進(jìn)行優(yōu)化[3]。

圖2 復(fù)合柔性屋面施工結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，我國(guó)常見(jiàn)的水廠內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)有3 種形式。當(dāng)廠房需要的占地面積較小時(shí)，可以選擇小跨度廠房，如配電間、機(jī)修間、倉(cāng)庫(kù)等，可采用磚混結(jié)構(gòu)。在生產(chǎn)中需要滿足不同尺寸工藝設(shè)備要求時(shí)，可以選擇框架結(jié)構(gòu)廠房，能夠容納更多種類的機(jī)械設(shè)備，泵房與風(fēng)機(jī)房常用這種結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。在深度處理間、綜合性水處理車間這樣需要較大空間跨度的廠房，則通常作空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以便于工業(yè)生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

圖3 框架結(jié)構(gòu)廠房剖面圖

3.5 防水防潮設(shè)計(jì)

由于水廠建筑的特殊性，進(jìn)行水處理廠房的濕度大，因此，在水廠建筑設(shè)計(jì)中防水防潮設(shè)計(jì)是不可或缺的。傳統(tǒng)廠房建筑往往采用柔性防水材料（如油氈）進(jìn)行防水施工。當(dāng)前市面上也出現(xiàn)了許多新型防水材料，水廠可以根據(jù)成本控制需求進(jìn)行選擇。同時(shí)也可以在地下空間的背水面設(shè)計(jì)離壁式防水防潮層，在防水層與建筑主體之間還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行排水層設(shè)計(jì)，強(qiáng)化防潮效果。

3.6 廠房整體節(jié)能設(shè)計(jì)

北方寒冷地區(qū)的水廠建筑在冬季的生產(chǎn)中需要消耗更多的能源，因此，需要強(qiáng)化廠房整體的節(jié)能設(shè)計(jì)來(lái)降低生產(chǎn)成本，并且減少對(duì)周圍環(huán)境的污染，提升資源利用率，以及社會(huì)效益與環(huán)境效益。首先要確保外墻、地面、屋面、門窗等外圍護(hù)結(jié)構(gòu)有良好的保溫隔熱性能，在屋面節(jié)能方面，也可以使用倒置式屋面構(gòu)造，如圖4 所示。倒置型能夠明顯縮短工期的同時(shí)提高屋面的保溫作用，從而綜合提升水廠建筑設(shè)計(jì)的節(jié)能水平。

圖4 倒置式屋面構(gòu)造示意圖

3.7 水廠建筑遠(yuǎn)期預(yù)留

考慮到水廠在發(fā)展中的長(zhǎng)期戰(zhàn)略規(guī)劃，可以通過(guò)遠(yuǎn)期預(yù)留的方式對(duì)水廠的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足水廠在經(jīng)營(yíng)中的需求，并且使水廠的水資源供給能力得到不斷提升，從而滿足城市基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃中對(duì)水資源發(fā)展的需求。基于這樣的考慮，應(yīng)當(dāng)在水廠設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)未來(lái)發(fā)展中可能使用到的工藝設(shè)備預(yù)留設(shè)計(jì)空間，保障水廠在未來(lái)擴(kuò)大規(guī)模時(shí)能夠在廠房空間上取得便利的條件，同時(shí)辦公用房和員工宿舍等部分的設(shè)計(jì)要留足預(yù)留空間。通過(guò)將水廠建筑的整體設(shè)計(jì)劃分為一期設(shè)計(jì)與二期擴(kuò)大設(shè)計(jì)來(lái)使水廠建筑設(shè)計(jì)中融入可持續(xù)發(fā)展理念，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的合理分配以及再利用，使水廠的建設(shè)規(guī)模和經(jīng)濟(jì)效益回收期合理拉長(zhǎng)，使水廠的城市基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)用性得到增強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

在進(jìn)行水廠建筑設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)充分關(guān)注水廠建筑的工業(yè)性特點(diǎn)，尊重水廠建筑的生產(chǎn)規(guī)律，通過(guò)將水廠建筑與自然環(huán)境深度融合，在北方寒冷地區(qū)嚴(yán)格遵照保溫性能需求與環(huán)保效益需求，對(duì)水廠建筑的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)遠(yuǎn)期預(yù)留等方式來(lái)提升水廠的長(zhǎng)期戰(zhàn)略發(fā)展效益，使水廠建筑的建設(shè)水平得到切實(shí)提高。