绿色屋顶屋面雨水集蓄利用系统初探

(1.江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 221116； 2.徐州市正源水利建筑工程监测中心，江苏 徐州 221135； 3.江苏省水利勘查设计研究院有限公司 徐州分公司，江苏 徐州 221116)

设计与施工

绿色屋顶屋面雨水集蓄利用系统初探

何婷婷1宋莉2赵鹏2吴小青1高将1刘美艳3

(1.江苏建筑职业技术学院，江苏徐州221116； 2.徐州市正源水利建筑工程监测中心，江苏徐州221135； 3.江苏省水利勘查设计研究院有限公司徐州分公司，江苏徐州221116)

结合绿色屋顶屋面雨水集蓄利用技术，可以就地收集并充分利用屋面雨水。从设计角度分析不同类型绿色屋顶的特点和雨水收集利用的关键，针对目前两类主要的绿色屋顶提出相应的雨水集蓄利用模型，包括屋面雨水收集系统总体平面布置、蓄水池的位置、结构设计和容积确定，以及地下集水管的构造和剖面设计，并给出相应的设计图。可为绿色屋顶屋面雨水收集利用系统在工程中的具体应用提供理论依据。

绿色屋顶；雨水集蓄利用；蓄水池；集水沟；地下集水管

由于绿色屋顶具有改善生态环境、减轻城市热岛效应和温室效应、降音除噪、美化城市上空、调蓄降雨径流、吸纳有害气体和除尘等多重功能，近年来在全国得到了广泛应用。很多学者分别从各个方面研究绿色屋顶的区域应用性[1]、绿色屋顶对城市水质水量、屋面径流污染[2-3]以及城市发展和节能环保等方面的影响[4-7]等，为其今后的发展方向和路径提供了依据。

屋面排水作为建筑排水的重要组成部分，对于整个建筑的造价和性能至关重要。近年来国内外专家学者对屋面雨水的收集和利用做了大量研究，将屋面雨水收集回用系统成功应用在世博文化中心、居住区水景和一些重要的交通枢纽工程中[8-10]。既然绿色屋顶具有调蓄屋面雨水径流的功能，如果能将屋面雨水就地收集用于绿色屋顶的灌溉，不但能减轻建筑排水的压力，降低建筑排水的投入，更能减轻市政管网排水的压力和缓解城市的雨洪压力。本文以此为切入点，主要研究绿色屋顶和屋面雨水收集回用系统的综合应用。

1 绿色屋顶的分类

所谓“绿色屋顶”，是指全部或者部分被植物和其生长基质所覆盖的建筑物屋顶，一般安置在一层防水膜之上，主要包括植物和人工基质两部分。目前国际上没有关于绿色屋顶分类的统一标准，按照植物的类型、覆盖范围以及绿色屋顶所起到的景观和生态效应，绿色屋顶大体可以分为3类，即开敞式、半密植型和密植型屋顶。

开敞型绿色屋顶也称简单性绿色屋顶，是指在很薄的土壤种植介质层上(一般为200 mm以内)，种植一些地被类的轻型植物所形成的屋顶。这类屋顶一般种植成本较低，施工较简单，不需要专门的维护和灌溉，但是对植物的选择也比较局限，不太适合作为人们的休憩场所使用。

半密植型绿色屋顶是指适用于种植瓜果蔬菜或者采用模块式种植的屋顶绿化模式。这类屋顶一般介于开敞型和密植型屋顶之间，投入成本相对较高，管理维护的成本也比较高，但是对植物的选择上更加宽泛，屋面的视觉造型和结构功能也更加灵活多样，对屋顶的荷载要求也较高。

密植型绿色屋顶也称花园式绿色屋顶，是一种供人们休憩和作为景观使用的屋顶形式。这种绿色屋顶的植物种植介质一般可以达到2 000 mm厚度，植物可以选择地被类植物，也可以选择乔木和灌木，屋顶上甚至可以修建亭台楼阁、小桥流水类人工景观，这类屋顶一般成本高、施工难度大，屋顶需要经常性的维护和灌溉，对屋顶的结构和荷载要求也非常高，适用于一些商业建筑和对景观要求较高的建筑。

下面分别从各类绿色屋顶雨水集蓄利用系统的总体布置以及具体构筑物的细部构造方面来详细说明绿色屋顶的雨水收集利用设计。

2 开敞型和半密植型雨水集蓄利用系统

2.1 系统总体布置

由于开敞型绿色屋顶的屋面植物大多为地被类的轻型植物，因此适合修建在一些屋顶承重较小的结构上。这类绿色屋顶雨水集蓄利用的关键是收集植被表面所产生的径流，存蓄起来以供缺水时灌溉使用，但是因为种植基质薄，土壤对雨水的存蓄能力有限，所以还应当考虑超过设计重现期的雨水排除问题。

图1 开敞型和半密植型屋面雨水集蓄利用系统平面示意

图1给出了一种充分利用屋顶坡度的雨水集蓄利用系统的平面布置图，利用绿地集水沟充分收集绿地表面所产生的径流，绿地集水沟内的水通过U型集水沟最终汇入到各个蓄水池中，由于径流不可避免地会有土粒和杂质，因此在雨水进入蓄水池前设置滤网进行过滤，蓄水池采用开敞式蓄水池，其容积根据所收集绿地雨水的面积和设计降雨强度确定，考虑到屋面承重的要求，因此蓄水池容积不宜太大，以1～2 m3为宜。同时由于屋面本身具有一定的坡度，当坡度大于10°时，上一级蓄水池内蓄积的雨水又可以作为下一级绿地的灌溉使用，此时可在上级蓄水池中接入导流管直接将雨水引入下级绿地中，具体布置见图2。这种平面布置模式设计简单，施工方便，也能尽可能充分地利用屋面雨水。结合建筑结构和建筑美观等方面的相关要求，屋面蓄水池的深度不宜太大，一般取和基质层深度相同即可，其平面尺寸宜为矩形并靠近屋顶女儿墙设置，以便多余雨水可以通过女儿墙外的溢流管排出。

图2 开敞型和半密植型屋顶雨水集蓄利用系统剖面示意

2.2 蓄水池结构设计

根据蓄水池在屋顶的位置不同，开敞型和半密植型绿色屋顶的蓄水池大体分为2种类型，如图3和图4所示。

图3 Ⅰ型蓄水池结构示意

图4 Ⅱ型蓄水池结构示意

由于Ⅱ型蓄水池设置在屋顶靠近屋檐的角落，因此蓄水池的平面形式和容积都受到一定限制，蓄水池中蓄积的雨水也不能用于下一级屋面植物的灌溉，因此将排水管和泄水管都布置在墙体里，并且和竖向排水立管相连。由于蓄水池设置在屋顶上，为了防止蓄水池内的雨水渗入室内影响建筑的使用和寿命，在蓄水池下部和屋顶混凝土结构层之间需设置防水层，并用结合层与屋面相连，蓄水池的平面形式可以布置成矩形、圆形等多种形式，位置也不一定受上图限制。蓄水池的容积对于雨水利用效率和屋面荷载有较大影响，也直接影响系统的工程造价，其具体的容积要根据屋面植物的类型、人工基质的厚度、蓄水能力和灌溉的频率合理确定。在设计蓄水池时，可按照水量平衡原则进行设计，但也要充分考虑植物对雨水的截留和基质的雨水入渗，当绿地径流量大于灌溉需求量时，以灌溉需求量作为蓄水池设计依据；当灌溉需求量大于绿地径流量时，以绿地径流量作为蓄水池设计依据。总之，在满足灌溉需要的前提下，充分考虑屋顶对于荷载的要求，蓄水池容积不宜过大。

根据南京市建筑设计院应用数理统计法(计算机迭代)，江苏徐州地区屋面雨水设计流量采用下列公式：

(1)

式中，q为设计暴雨强度，L/(s·hm2)；P为设计重现期，a；t为降雨历时，min。

根据室外给水设计规范规定，浇洒绿地用水可按浇洒面积取1～3 L /(m2·d)，此处取屋面面积为20 m×20 m，浇洒定额取2L /(m2·d)，则浇洒屋顶绿地用水800 L /d，设计考虑储存一周的灌溉用水，则为 5.6 m3/周。

设计雨水流量采用公式

Q=qΨF

(2)

式中，Q为雨水设计流量，L/s；q为设计暴雨强度，L/(s·hm2)；Ψ为径流系数；F为汇水面积，hm2。其中Ψ按绿化屋面取0.35；按一般建筑考虑，设计重现期取5 a；集水时间按5 min计，代入式(2)，则有Q=5.3 L /s

初期径流弃流量

Wi=10×δ×F

(3)

屋面雨水的初期弃流主要是采用弃流装置进行，详见图5。

图5 初期雨水弃流装置示意

屋面雨水设计径流总量

=133.07 m3

式中，Ψc为雨量径流系数；hy为设计降雨厚度，mm。雨水储存设施的有效储水容积不宜小于集水面重现期1～2 a的日雨水设计径流总量扣除初期径流弃流量，即为133.07-1=132.07 m3，由此可见，在满足屋顶结构承重设计的基础上，为满足屋顶绿地一周浇洒用水需求，只需设置1～2m3蓄水池3～6个即可满足要求，多余雨水可通过溢流管排出，同时考虑女儿墙的高度限制，蓄水池的高度宜为1m以下，避免为了保证水池的容积而增加女儿墙高度。

3 密植型屋面雨水集蓄利用系统

3.1 系统平面布置

密植型绿色屋顶主要是作为景观和供人们休憩使用，因此对屋顶的结构和承载能力要求较高，这类屋顶的人工基质往往较厚，可种植物类型也较多，还可以配合景观水体和亭台水榭一起使用，因此屋面植物对雨水的截留和土壤的需水能力都比较强，这类屋顶设计雨水集蓄利用系统的关键是收集渗入土壤深层的多余雨水，防止雨水进入室内，收集的雨水可以集中用于屋顶植物的灌溉。

图6是花园式绿色屋顶雨水集蓄利用系统的平面布置图，为了方便收集整个屋面渗入基质中的多余雨水，在屋顶中间设计蓄水池，考虑屋顶美观，蓄水池上部有盖板，盖板上部有20 cm厚的人工基质，上部可种植草类植物；蓄水池池壁下端设计地下集水管，集水管有一定坡度，通过地下集水管将种植基质中的多余雨水收集到蓄水池，用于屋顶植物的集中灌溉。考虑到集水管的布置比较密集，蓄水池靠近池底的池壁需要接较多雨水管，会影响蓄水池池壁的结构强度，另外考虑雨水的有组织汇流，将每8根集水管靠近蓄水池池壁处连在一起，并加设一个雨水检查井，检查井后用管道直接和蓄水池池壁相连。整个雨水集蓄利用系统位于人工基质中，人工基质厚度在2 000 mm，位于屋顶结构层之上，人工基质上部种植各种植物。

图6 密植型绿色屋顶雨水集蓄利用系统平面示意

3.2 蓄水池结构设计

考虑到屋顶的美观，蓄水池设计的比屋顶种植面低200 mm，采用砖结构，上面设计盖板以防人员跌入，并且由于蓄水池容积较大，为了防止池内产生的有害气体溢出池外造成污染和意外，在蓄水池盖板中间设置通气孔，在盖板上覆盖一定厚度的人工基质并种植地被类轻型植物满足美观需要，蓄水池底部同样要做防水处理，考虑到收集的雨水对水质的要求，在集水管周围一定厚度设置粗砂过滤层并且在集水管外部设计土工布进行渗水过滤。蓄水池的具体结构见图7。

图7 蓄水池结构示意

渗透设施的渗透量应按下式计算：

Ws=αKJAsts

(4)

式中，Ws为渗透量，m3；α为综合安全系数，一般可取 0.5～0.8；K为土壤渗透系数，m/s；J为水力坡降，一般可取 10-6；As为有效渗透面积，m2；ts为渗透时间，s。

表层杂填土土壤渗透系数取 5.0×10-6m/s，土壤渗透时间取5 h，穿孔管孔径按直径40 mm取，间距100 mm，交错布置成两排，如图8所示。

图8 地下集水管剖面布置示意(单位：mm)

将上述数据代入式(4)，则渗透量Ws=2.71 m3。

渗透设施产流历时内的蓄积雨水量应按下式计算：

Wp=max(Wc-Ws)

(5)

式中,Wp为产流历时内的蓄积水量，m3，产流历时经计算确定，并宜小于120 min；Wc为渗透设施进水量，m3。

日雨水设计径流总量

(6)

式中，Fy为渗透设施受纳的集水面积，hm2；F0为渗透设施的直接受水面积，hm2，埋地渗透设施为0；tc为渗透设施产流历时，min；qc为渗透设施产流历时对应的暴雨强度，L/(s·hm2)。

产流历时宜小于120 mim，此处取90 min，一般建筑设计重现期取5 a，代入公式(1)和(6)，则可得qc=108.462 L/(s·hm2)；Wc=4.37 m3;产流历时内蓄积雨水量为Wp=max(Wc-Ws)=4.37-2.71=1.66 m3

由此可见，密植型屋面雨水集蓄利用系统仅可满足屋面绿地浇洒2 d的蓄水量要求，设置1～2 m3蓄水池1～2个可满足2 d浇灌用水要求，若要满足更长时间浇灌要求则需补充其他水源。

3.3 集水管结构设计

整个设计的关键是集水管，集水管要沿其长度方向设置纵坡，以便雨水能够顺坡流入蓄水池，另外，为了种植基质中的雨水能够更好的入渗，集水管的顶部和上部设计了渗水孔，至于渗水孔的大小和面积则要根据基质的种类、雨水的渗入量和集水管的设置坡度综合确定，渗水管的细部构造见图9和图10。

图9 地下集水管纵剖面示意

图10 地下集水管断面示意

4 结 语

近年来，绿色屋顶作为集生态和节能于一体的新型屋面理念，已经得到广泛应用。屋面雨水集蓄利用技术目前也已成熟，并在很多重要建筑中相继使用。将屋面雨水集蓄利用技术和绿色屋顶结合起来，能实现雨水就近收集和利用，减轻城市排水压力，是建筑节能减耗的重要创新。

目前建筑中的绿色屋顶大体可以分为开敞型和密集型两种类型，针对不同的绿色屋顶形式提出不同的雨水收集利用模式，并就主要构筑物如蓄水池、集水管等进行详细设计，不仅能为绿色屋顶屋面雨水集蓄利用系统的具体工程应用提供重要参考，也能为绿色节能建筑模式的创建提供重要依据，真正实现低碳城市的创建。

目前绿色屋顶和屋面雨水集蓄的结合利用主要是系统总体布置和规划，包括典型建筑物的设计，但并未进行经济性和节水节能效益的分析，未来发展的趋势应该是结合节能建筑和低碳城市创建的相关考核指标，应对系统进行全面的分析和考核，并在此基础上对系统进一步优化。

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(编辑：陈紫薇)

TV213.4

A

2017-04-26

住房和城乡建设部2016年科学技术项目(2016-K1-028)；江苏省住房和城乡建设厅2016年科学技术项目(2016ZD80)；江苏建筑职业技术学院2016校级项目(JYA316-02)；2016江苏省大学生创新项目(201610849027H)

何婷婷，女，江苏建筑职业技术学院，讲师.

1006-0081(2017)09-0022-05