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高密度建成环境雨洪管理景观设计——以清华建筑馆庭院为例

鉴于完成自然水循环需要一定比例的开放土地、绿地或水体作为载体，因此高密度建成环境下的雨洪管理是目前海绵城市建设面临的难题之一。此类环境一般开放空间稀缺、绿地率低，自然土壤、植物、水体等自然要素比例很低，满足自然水水文过程的各种条件并不具备。因此，如何利用珍贵、有限的绿色空间实现其多方面的生态系统服务功能，并增加使用率与吸引力，是值得研究的重要课题。最近十几年是清华大学校园建设历史上发展变化最快的阶段。由于学科建设发展引发用房趋于紧张，部分院系因使用面积不足而新建、扩建或加建。清华大学建筑馆就是此种情况。2013 〜2014 年完成的建筑馆庭院改造工程，是在高密度建成环境的有限空间中实现小型绿色基础设施的雨洪管理功能的一次积极尝试。

1 场地现状概述

清华大学建筑学院院馆（以下简称建筑馆）建于1995 年，是清华主楼轴线前兴建的第一座院系教学楼。建筑馆整体5 层，面积1.53 万平方米，分南楼、北楼、中楼三个部分，呈U 字形布局，中间围合出一个开口向东的三合院落。建筑馆报告厅与节能楼将东侧开口遮挡，进一步加强了院落空间围合性。建筑馆在使用了20 年后，使用面积上不足以满足学院发展需求，空间环境也有待改善。改造前的建筑馆后院，受北、西、南三个建筑界面围合，封闭性较强，除承担少量交通联系及模型制作功能外，较少有人使用（图1）。2012 年利用后院空间增建约3000 平方米的新馆。新馆的设计为消除来自于三面的压迫感采取了多种策略，包括设计为简洁的规则立方体，以及立面处理采取满铺倾斜穿孔钢板，整体下沉地面半层，东西两面内退2m，底层架空并采用玻璃立面等，以期创造出与周边界面更为亲切、友好的关系[1]（图2）。

图1 建筑馆庭院改造前的状况（拍摄与绘制：王如昀等）

图2 清华大学建筑馆与新馆（摄影：郭湧）

新馆建成前，旧馆朝向内院的立面上共有14 根落水管，均向庭院排水，雨季屋面降雨径流短时间集中汇流至此，流速流量很大，造成场地积水（图3）。新馆建成后，庭院仅剩宽4 〜5 米的狭窄带状空间，面积1,780.4 平方米，积水隐患进一步加大。新馆建设中对加强排水已有所考虑，绕庭院建设了一圈排水明沟，并在新馆负一层地下建设了约150m³ 的雨水收集池，接收四周汇水，超标水量通过水泵压至市政管网。但因容量有限，四周汇水及排水压力仍然很大。而庭院有限的空间内还需满足新旧馆联系通道、室外模型制作场地、户外交流场所等用途。综上可见，建筑馆庭院改造面临着空间狭小、汇水集中、功能复合等多重挑战。笔者2012年指导建筑学院《景观水文》课程，曾有小组对建筑馆庭院进行过研究设计，其方案在空间营造和雨水利用方面有许多新意（图4）。但当时新馆尚未建成，有许多现实因素还未出现。2012 〜2013 年，随着新馆建设并建成，庭院改造实际工程也在2014 年6 月至2015 年4月完成。实际改造的核心首先在于妥善解决雨洪问题、缓解排水压力，同时精心处理使用功能与空间营造，实现了高密度环境改造中实现低影响开发目标和景观与空间营造的一次积极尝试。

图3 建筑馆庭院积水情况（拍摄：刘海龙）

图4 2012《景观水文》课程对建筑馆庭院的雨洪管理设计（设计与绘制：王如昀等）

2 场地雨洪管理研究、设计与实施

清华建筑馆庭院作为高密度建成环境，没有宽裕空间及土壤绿地条件用来进行自然下渗、调蓄、净化。传统排水模式利用雨落管、雨水井、沟渠及市政管道等的快排思路对快速解决此类高密度环境的排水威胁仍十分有效。但这并不完全排除恢复自然水循环的必要性和重要性。在高密度环境构建低影响开发雨水管理系统，可以在雨水“外排”之前，因地制宜布置各种小型绿色基础设施，发挥削减峰值、延迟汇流、滞留调蓄、过滤净化等作用。具体可采取源头减排（屋顶绿化、透水铺装等）、中途净化、过滤（雨水花园、高位植坛等）和末端调蓄、收集、利用、溢流（雨水收集池、超标溢流系统等）等技术和设施进行全过程治理，从而构建自然与人工相结合、更具绿色效益的灰绿基础设施系统。

本研究具体按“水文—景观—设计—实施”的景观水文四模块步骤展开（图5）。其中水文和景观模块重在分析评价，设计模块重在整合，实施模块重在落地[2]。基于建筑馆的实际情况，有条件进行雨洪管理的环节是从雨水自雨落管落下之后，进入到大市政管网之前的这一阶段。具体通过场地水文分析、竖向设计、空间可利用度分析、功能设计、雨洪管理系统设计、植物景观营造等步骤展开，最终以高位植坛作为雨水与景观解决方案的核心，辅以溢流系统及排水沟等的建设，在有限的场地下实现较为精细的雨洪管理设计。

图5 基于景观水文模块的城市雨洪管理的框架

2.1 水文模块

水文模块的核心是研究中小尺度场地的水循环关系，得到设计需要的水文边界条件。首先按建筑围合关系识别庭院的汇水区边界，具体划分为4 个汇水分区。其次进行暴雨径流水文计算，确定景观雨水设施规模。具体采用推理公式法，以北京地区1 年1 遇8 小时降雨为标准，按汇水分区分别计算各屋顶雨水径流产汇流总量，为建筑馆庭院内雨水管理设施规模的确定提供指导（图6）。

图6 建筑馆汇水分区分析与面积计算（计算与绘制：杨冬冬）

推理公式法以设计降雨径流流量为对象计算。

经计算，得到B 区南侧产流量为30.6m³，C 区产流量为60.2m³，D 区产流量为8.4m³。

2.2 景观模块

景观模块的核心是识别影响二元水循环发生的各项景观因子，分析其雨洪调控机理。一般情况下能够调控雨洪最重要的自然因子中是各类城市“软质”下垫面，以开放性的土壤、绿地、水域为主体，人工因子包括管网、调蓄池等各种设施。但无论建筑老馆还是新馆，改造为绿色屋顶的难度很大。同时，场地可利用空间有限，难以布置较大规模的低影响开发设施，且庭院场地周围建筑基础太近，不符合渗透设施的设计要求。相对而言“高位植坛”是一种较合适的绿色基础设施。这种在深槽或箱中种有花草、灌木等植物的雨洪管理设施，可完成“渗、滞、蓄、净、用、排”等多种功能，并通过槽或箱中土壤和植物的过滤作用净化雨水，通过滞留雨水减少径流产生，起到雨水径流调蓄与污染控制的双重作用。具体针对1 年1 遇降雨情况，若无高位植坛，雨水直排会导致庭院极易积水。建高位植坛之后可部分消纳屋面径流，并入渗土壤，起到滞、蓄之用，还可以过滤雨水，灌溉植物，起到净和用的作用。当遇到超标准降雨，屋面径流经高位植坛滞蓄后再汇入市政排水管网，起延缓汇流时间的作用（图7）。

图7 高位植坛建设前后雨洪管理方式对比（绘制：杨冬冬）

2.3 设计模块

建筑馆庭院整体分为四部分：新馆东侧、北侧、南侧空间及负一层下沉空间。在空间处理上，上述几部分需求有较大差异，东侧空间是新馆东入口。北侧空间主要服务模型室。南侧空间是联系新老馆交通、提供户外交流活动的主要场所，东西长40 米，南北宽5.2 米，是此次改造设计的重点，既需要提升绿化，也需要提供一定停留空间和休息设施。高位植坛作为一种源头雨水控制利用设置，其功能与形态可根据场地实际情况有所拓展。由于地处建筑近旁，高位植坛首先能在建筑周边和附近营造出绿色植物空间；其次通过打断从落水管到市政管网的连结而为雨水管理创造机会；并且可以和休息、照明及雕塑等功能设施相结合，为组织和处理户外空间提供灵感。在本案例中，高位植坛将庭院绿化、雨洪管理和休息设施集于一身，成为多功能的景观基础设施。同时建筑新馆的尺度与细部对场地有很大影响，高位植坛所采用的材料和形态均考虑与建筑新旧馆的协调（图8）。

图8 高位植坛剖面设计

2.4 实施模块

（1）高位植坛建造

高位植坛一般分为渗透式和流经式（flow through planter）。渗透式高位植坛允许雨水入渗地下，但为保护建筑基础，高位植坛临建筑一面侧壁需做防水处理。流经式则相当于一个封闭的容器，池底必须做防渗。雨水临时储存在种植池基部的土壤和沙砾层中，实现过滤、净化、调蓄、储存等目标。如果注入的水量超过调蓄量，多余的水通过溢流系统进入雨洪管理下一环节，这就需要在种植池内安装排水管（图9）。

图9 高位植坛建造

（2）防冲砾石石笼

高位植坛剖面一般由防冲砾石层、种植土层和蓄水砾石层三层构成。鉴于高位植坛一般对来自屋顶的雨水采取直接拦截，因此必须在雨水管口下方铺设石头和卵石，以消散水能，防止水流对土壤的冲刷及造成土壤流失。本次设计在雨落管正下方、种植土层上方设置石笼，起消能作用，减缓雨落管出水对种植土的冲刷（图10）。除此之外，种植土层与蓄水砾石层间铺设土工布，以避免土壤细粒堵塞砾石层。

（3）植物景观

从植物景观上来讲，高位植坛植物受种植土层厚度影响，一般选择浅根且耐湿性较好的植物。宿根花卉不仅可在该生境中生长，而且可增加高位植坛的观赏性，丰富植物色彩。此次选择了狼尾草、马蔺、千屈菜、黄菖蒲、八宝景天等植物（图11）。

（4）溢流设置设计

经过测算，因受场地空间限制，在1 年1 遇降雨条件下，高位植坛的有效储水容积小于所服务片区的8 小时降雨量，故需要在植坛内设溢流系统，以便在超过设计降雨强度的情况下排除雨水。具体包括：1）竖向溢流管，避免降雨过急时径流从植坛侧壁溢流；2）纵向排水管，收纳种植土层和砾石层中无法蓄纳的雨水，再经横向多孔管排入管网。按有压管流计算，取最大可能管道纵坡，即使管径取得较小（如d=8cm），水头损失也远远小于本项目的1m（d=8cm，水头损失仅为0.13），故可判断在本项目情况中，即使管径取得较小，也可保障管内水流畅通流出，因此可根据建造造价采用常见管径即可（图12）。

图10 防冲砾石石笼

图11 高位植坛植物景观

图12 溢流管和排水管的安装

（5）综合景观效果

高位植坛的材质根据场地条件和造价可有多种选择。在相对高密度环境下，采用考登钢作为植坛外壳，具有强度高、厚度薄、可塑性强等特点。在建筑馆庭院的狭长空间中，考登钢高位植坛能最大程度减少厚度，节省空间，并将坐凳等功能融合在一起。尤其与新馆立方体造型、风格、材质比较契合，其锈红色考登钢与新馆冷灰钢板色形成对比互补协调。另外，地面、坐凳采用统一木材质，并与植坛锈钢板的色彩相统一，以强调空间的整体性，避免狭窄空间的破碎化。这些均需在设计与实施中根据实际情况做出灵活处理，因此建造过程中对尺度、材料、细部等进行调整都是必要的，力求取得雨水处理与景观设计的整体协调（图13）。

图13 建成后的建筑馆庭院景观及使用

3 景观绩效与后评估（POE）

3.1 基本定义

景观绩效（Landscape Performance）是指“景观方案在实现其预设目标的同时满足可持续性方面的效率的度量”，具体包括环境、社会和经济效益方面的评估。POE(Post Occupancy Evaluation) 是一种从使用者角度出发，利用系统、严格的方法对于建成后并使用过一段时间的设施（户外空间）进行评价。通过观察、记录、问卷访问、访谈等方法对所得到的信息进行整理，最后得到使用状况评价报告。POE 研究从早期的住区公寓到后来的办公、商业、城市公园和广场，以及到后来的可持续发展和生态等领域[3]。

2017 和2018 年的清华《景观水文》课程，对校内的建筑馆庭院、胜因院和部分屋顶花园进行了景观绩效和后评估研究[4]。其目的是对校园这类开发空间与绿地比例大、集中、人流量多而规律性强的特殊区域的绿色基础设施的效果进行评估，同时也考虑校园作为育人场所，对其发挥环境教育方面的意义进行评价。

3.2 评估过程与内容

3.2.1 使用者后评估

2017 年6 月9 日〜6 月20 日，《景观水文》课程以建筑馆庭院为调查对象，通过问卷、访谈、拍照、数据分析等方式，对不同年龄和性别的人群进行工作日和周末的全时段调研，以了解使用者在建筑馆庭院的活动规律及其利用情况并进行评价。具体针对使用方式、满意度、问题与建议四个方面展开调查，得出如下结论：

（1）在早晨上课前、课间、下课、午间、下午上课前、课间、下课后这些时段，使用者比较多。在访谈人群中，学习办公人群最多，达95%，参观者占5%。可见使用者多数为学习办公，因此评估庭院设计的首要目标是对这些功能的适用性。而调查结果反馈使用者对庭院的位置及空间设计最为满意，达到100%，包括作为新旧馆连接通道及满足室外模型制作等活动，可看出改造在创造户外交流空间比较成功。

（2）对雨洪管理措施、整体空间和植物景观设计也比较满意。多数人认为建筑馆庭院原先水管道多，不仅影响美观且下雨时还造成内涝。而改造后的建筑馆庭院有效解决了雨洪管理的问题，并且高位植坛有效遮挡了落水管，还增加了美观性，成功地结合了灰色与绿色设施。被调查者也表示尺度感较好，如果把雨洪管理设施做的过宽过大，将给使用者带来不便。

（3）也有约20% 的使用者提出了一些问题和建议。例如使用者普遍偏好实用性强和具有观赏性的植物景观设计，建议植坛植物的色彩和品种可以更加多样化。另外，使用者提出现有灯光设置不够明亮，对于夜间要去新馆的使用者造成不便。因此，建议在一些死角放置一些路灯，会有助于使用者安全性及夜间活动。

3.2.2 雨洪管理绩效评估

2018 年5 〜6 月《景观水文》课程进行了建筑馆庭院高位植坛水质监测实验（图14）。通过在高位植坛开展水质取样与监测，研究在其降雨过程中对屋顶污染物的实际削减作用。采样降雨8.2mm，历时3 小时，共收集水样108 瓶（含重复组），采样点位于降雨全过程的“降雨—屋顶—土壤溶液—木板下排水空间—排水沟终端”。经过实验室水质测定，高位植坛综合削减屋顶面源污染达到如下效果：

（1）COD 综合去除率达到72%，初雨阶段达到86.5%，峰值阶段61.2%，末端出水COD 指标达到地表水二类标准。

（2）TSS 综合去除率达到-32%，降雨—屋顶—土壤溶液中去除率达到100%，暴漏出木板下排水空间—排水沟终端过程中TSS 的二次累计，可认为综合外排的TSS 均来自于末端设施。

（3）TN 综合去除率达到87.5%，初雨阶段达到98.5%，峰值阶段81.3%，末端出水TN 指标达到地表水一类标准。

（4）TP 综合去除率达到-22%，暴漏出木板下排水空间—排水沟终端过程中TP 的二次累计，末端出水TP 指标达到地表水二类标准。

（5）NH4+-N 综合去除率20.2%，初雨阶段达到34.5%，峰值阶段11.3%，末期有一定反弹。

图14 建筑馆庭院高位植坛水质监测实验

4 结语

高密度环境是人与自然关系矛盾最为突出的地方，也最需要寻找创造性解决策略。高强度人为干扰下的水循环一般呈现“自然—人工”二元特性，因此高密度环境下人工排水系统必不可少，也有必要一定程度地恢复自然水文过程，使人工排水设施的效率和安全性与自然排水系统的生态和美学价值相辅相成。1998 年清华大学提出了建设“绿色大学”的构想，包括了“绿色教育”“绿色科技”“绿色校园”三个方面。其中校园雨水工程是核心内容。自2007 年开始，清华大学《景观水文》课程已选择校内30 余处场地进行校园雨洪管理研究[5-6]。已有5 处雨洪管理示范项目得以建成。其中建筑馆庭院面积最为狭小且排水压力巨大，因此通过精细化的水文分析与场地设计、建造，在高密度建成环境中实现了绿色基础设施的雨洪管理和景观营造功能。当然在学校中开展此类研究与实践，是出于校园环境中的教育本分。在校学生也是未来的设计师、工程师甚至领导者，他们可以影响和改变未来。

参考文献

[1] 李晓东，清华大学建筑学院新馆，北京，中国，2014，世界建筑

[2] 刘海龙，杨锐，景观水文：一种融合、交叉的城市雨洪管理指导策略，国际城市雨洪管理与景观水文学术前沿——多维解读与解决策略（“2015 城市雨洪管理与景观水文国际研讨会”论文集），清华大学出版社，352-361.

[3] 庄惟敏. 建筑策划导论[M]. 水利水电出版社, 2007.

[4] 刘海龙，清华校园生态景观的建成后评估——以胜因院为例，住区，2018，01:96-101.

[5] 刘海龙，海绵校园——清华大学校园雨洪管理与景观水文研究与实践，国际城市雨洪管理与景观水文学术前沿——多维解读与解决策略（“2015 城市雨洪管理与景观水文国际研讨会”论文集），清华大学出版社，474-485.

[6] 刘海龙，《海绵校园—清华大学景观水文设计研究》，城市环境设计（UED），2016.4：134-141.

致谢

清华建筑馆庭院2013 〜2014 年改造工程由清华大学园林科完成，感谢潘江琼、赵坤老师的指导和工作。同时，北京中景橙石生态艺术地面科技股份有限公司、北京中雕鼎艺雕塑景观工程有限公司为清华建筑馆庭院改造工程慷慨捐赠材料，提供技术，完成施工，建成示教项目。在此一并谨致谢忱！

作者

清华大学建筑学院景观学系刘海龙郭湧颉赫男杨冬冬周怀宇

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