北方寒冷地區水廠建筑設計研究

鄭琳，王雪

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300100）

1 引言

我國北方多為寒冷區域，在這樣的氣候環境和自然條件下進行建筑設計，需要重點考慮漫長冬季中建筑的功能性。在寒冷地區進行建筑設計，不僅要兼顧整體外觀的美觀設計，還要保證建筑功能性設計與氣候相契合。在進行水廠建筑設計時，需要充分考慮寒冷地區的限制條件，利用適應性設計策略對建筑的不同結構優化設計，保證水廠的水處理工作順利開展。

2 適應性設計策略

要在我國北方寒冷地區進行水廠建筑設計，首先，應提高建筑的適應性，通過對寒冷地區的建筑設計標準進行深入研讀來發現建筑設計中可能存在的問題。通常情況下，寒冷地區的建筑設計需要實現的一項基本功能是保溫，通過在外墻以及屋面結構處使用更優質的保溫材料，可以優化保溫層，提高建筑的保溫效果。同時在建筑設計中需要加入一定的綠化環保元素。但在寒冷地區，綠化植物要能夠適應北方年溫差大的自然環境，設計時，要首先考慮綠化植物的生長條件。選擇建筑材料時，應從多個角度綜合提升建筑的適應性，具體可以從環境適應性和氣候適應性兩個方面綜合提升寒冷地區水廠建筑的適應性。

2.1 環境適應性策略

在寒冷地區設計水廠建筑，應充分考慮環境適應性。（1）整個水廠建筑體系中，應當設有水處理生產區、輔助功能區和辦公區，在廠址選擇和區劃方面應當首先保障交通便利性，受水廠自身功能性要求的影響，其建筑設計對地勢有一定的要求[1]。（2）在設計過程中，應基于建設場地的地形條件，合理配置沉淀池、工業過濾池、清水池等主要建筑模塊，以此使水廠建筑與自然環境有機融合。（3）應當充分考慮利用建筑設計做好冷風遮擋，同時兼顧采光需求。可以根據日照時長和方向確認整個水廠建筑的朝向，常見的建筑平面設計形式有U 形、L形、口形等。根據風向，可以將辦公樓設計為U 形，起到冬季遮擋冷風的作用，如圖1 所示。（4）要對建筑做好通風適應設計。（5）水廠本身作為具有獨特工藝流程的廠區建筑，不同區塊的重要性有所不同。盡管水廠建筑屬于工業建筑的范疇，但其中不同構筑區塊形式分散變化不大，整體來看體量較為笨重，因此，需要加強不同區塊之間的協調性設計，使水廠建筑設計的環境適應性得到切實提升。

圖1 U形辦公樓建筑模型示意圖

2.2 氣候適應性策略

在我國公共建筑相關節能設計標準中，對寒冷地區單獨進行了分類。寒冷地區的氣候特點為冬季長，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，應當重點考慮材料的保溫性能和耐低溫性能，尤其要關注防水防潮材料的隔水性能，以此來適應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建筑的一種，在構造選擇上應當兼顧成本控制與建筑功能性[2]。在北方寒冷地區進行建筑設計時，更應當重視資源利用率和廢棄物的排放，并且通過深入分析水廠建筑的功能性和建筑形態，結合相關設計標準對建筑的不同建筑要素進行合理布置，提高水廠建筑群的適應性和綜合調控水平，確保在寒冷氣候條件下水廠的正常生產不受影響，使水廠建筑的經濟效益與社會效益平衡。

3 水廠建筑設計要點分析

3.1 明確功能分區

對水廠建筑進行總平面規劃時，首先，要明確其內部的功能分區。通常水廠可劃分為廠前管理區、常規生產區和水處理后的污泥處理區。污泥處理區內部需要使用濃縮池與各類污泥處理設施，這些設施容易產生環境污染物，因此，需要避開常年主導風向。結合水廠所在地區的全年風向特點設置在合理的位置，避免整個廠區受到空氣污染。同時也要確保污泥處理區附近有便利的交通條件，減少污泥外運時對廠區附近環境的二次污染。

3.2 廠房外觀設計

隨著建筑設計理念的更新與發展，對廠房外觀設計的要求越來越高，并且越來越重視與周邊環境的協調性。由于水廠本身的工業生產特點，其與普通建筑的外觀設計有所不同。從外部整體來看，廠房應當有伸展和穩重之感，通過在周圍設計實體墻使水廠建筑與周圍的建筑群分隔開，避免水廠在工業生產過程中產生的噪聲與氣體污染影響周邊環境。在水廠設計中，還要結合建筑設計的新觀念與新思想，使水廠建筑既具有美觀性，又與周邊建筑風格保持和諧統一，并且具有充足的立體感。

3.3 屋面支撐系統及屋面設計

水廠內建筑的屋面支撐系統與屋面設計需要使用大量的鋼結構，在當前工業建筑中，主要采用復合柔性屋面、剛性屋面以及輕鋼結構的屋面設計，圖2 為復合柔性屋面的分層結構示意。具體來講，水廠應當根據自身成本和不同建筑物的功能性需求選擇不同的屋面結構。這3 種結構的保溫性能各不相同，其中，輕鋼結構的屋面設計保溫性能相對較差，可以用于對保溫性能需求較低的廠房建筑。除此之外，屋面設計時也要充分考慮屋面排水與防水設計。為保證屋面排水，屋面坡度應大于5%，考慮到冬季降雪量的影響，應當適當加大坡度，避免積雪在屋面上大量積壓。設計屋面支撐系統時，應確保較大的屋面板與屋架焊接點超過3 個，起到足夠的上弦支撐作用，對屋架和天窗的上弦橫向支撐都要進行強化，可以適當使用吊車對屋頂的縱向支撐進行優化[3]。

圖2 復合柔性屋面施工結構示意圖

3.4 結構選型設計

現階段，我國常見的水廠內部空間結構有3 種形式。當廠房需要的占地面積較小時，可以選擇小跨度廠房，如配電間、機修間、倉庫等，可采用磚混結構。在生產中需要滿足不同尺寸工藝設備要求時，可以選擇框架結構廠房，能夠容納更多種類的機械設備，泵房與風機房常用這種結構，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，則通常作空間網架結構設計，以便于工業生產的順利進行。

圖3 框架結構廠房剖面圖

3.5 防水防潮設計

由于水廠建筑的特殊性，進行水處理廠房的濕度大，因此，在水廠建筑設計中防水防潮設計是不可或缺的。傳統廠房建筑往往采用柔性防水材料（如油氈）進行防水施工。當前市面上也出現了許多新型防水材料，水廠可以根據成本控制需求進行選擇。同時也可以在地下空間的背水面設計離壁式防水防潮層，在防水層與建筑主體之間還應當進行排水層設計，強化防潮效果。

3.6 廠房整體節能設計

北方寒冷地區的水廠建筑在冬季的生產中需要消耗更多的能源，因此，需要強化廠房整體的節能設計來降低生產成本，并且減少對周圍環境的污染，提升資源利用率，以及社會效益與環境效益。首先要確保外墻、地面、屋面、門窗等外圍護結構有良好的保溫隔熱性能，在屋面節能方面，也可以使用倒置式屋面構造，如圖4 所示。倒置型能夠明顯縮短工期的同時提高屋面的保溫作用，從而綜合提升水廠建筑設計的節能水平。

圖4 倒置式屋面構造示意圖

3.7 水廠建筑遠期預留

考慮到水廠在發展中的長期戰略規劃，可以通過遠期預留的方式對水廠的長遠發展進行設計，滿足水廠在經營中的需求，并且使水廠的水資源供給能力得到不斷提升，從而滿足城市基礎設施規劃中對水資源發展的需求。基于這樣的考慮，應當在水廠設計時對未來發展中可能使用到的工藝設備預留設計空間，保障水廠在未來擴大規模時能夠在廠房空間上取得便利的條件，同時辦公用房和員工宿舍等部分的設計要留足預留空間。通過將水廠建筑的整體設計劃分為一期設計與二期擴大設計來使水廠建筑設計中融入可持續發展理念，實現對資源的合理分配以及再利用，使水廠的建設規模和經濟效益回收期合理拉長，使水廠的城市基礎設施實用性得到增強。

4 結語

在進行水廠建筑設計的過程中，應充分關注水廠建筑的工業性特點，尊重水廠建筑的生產規律，通過將水廠建筑與自然環境深度融合，在北方寒冷地區嚴格遵照保溫性能需求與環保效益需求，對水廠建筑的整體設計進行優化，通過遠期預留等方式來提升水廠的長期戰略發展效益，使水廠建筑的建設水平得到切實提高。