国家会展中心(上海)项目,占地面积85.6hm²。四叶草形的大展厅构成建筑主体,中间花心处的地下部分是地铁2号线徐泾东站的站厅和区间段,上部是露天的大型圆广场、商业楼;北侧是大型室外展场,南侧地下为大面积人防车库,上部有覆土不足1m的广场和覆土1.5m的绿化。整个地块被建筑物屋面覆盖的面积达到50hm²(不包括仅有地下室的区域),地块仅有8.56hm²的绿化面积,且大多数位于覆土厚度1.5m的人防地下室上方,室外展场和基地内的道路分别占10hm²,其余面积为大型的中心圆广场、南主入口广场等,同样位于地下室的上方,同时,还有地铁2号线徐泾东站及其区间段从中间穿过基地。各种地面覆盖情况见图1。

　　 由于项目功能要求的特殊性,室外展场、道路等的承载力需要达到50kN/m²或35kN/m²,要满足这样大的承载力,除了地基需要经过特殊处理外,地面材料也很难选用透水材料;大部分的屋面为展厅屋面,材料为轻质,且带5%坡度,为保证屋面安全,需要快速将雨水排至室外,以上区域的径流系数都高达0.9~1.0。受项目经济指标及建筑物允许高度的限制(因毗邻虹桥机场的航空限高)等因素,项目的绿化率仅为10%,计算全园区的加权平均流量径流系数高达0.86,距离规范要求的0.7尚有一定的距离。项目的透水、透气性较差,如“被植过皮的皮肤”。

　　 过大的径流系数,导致汇流时间变短,暴雨期间的瞬时雨水流量很大,对地铁2号线的安全运营带来威胁,同时也对市政雨水排水设施带来较大的压力,这都对项目的雨水排水设计提出了挑战。

　　 在此条件下,园区雨水排水设计的指导思想是:首先保证园区内涉及民生的地铁安全,采用各种措施保障安全运营;其次,保证展厅主体结构和内部安全,保证建筑和其中的设备设施、展商的利益安全;最后,尽力贯彻海绵城市雨水排水的设计理念,灵活运用“渗、滞、蓄、净、用、排”等各种技术措施,因地制宜,在可能的部位和范围内,发掘和充分利用现场条件,在“被植过皮的肌肤”上做补偿性的修复,尽可能减轻市政排水设施的负担,使之成为安全、生态的雨水系统。

　　 本项目的一大难点是要保证处在洼地的地铁在暴雨期间的安全。2号线的终点站徐泾东站位于基地正中央,自2010年3月开通后连续运营,未有间断。地铁站设计时,其站外的地面标高(绝对标高)为4.2 m,各个出入口都经向上3级台阶,达到4.65m后,再通过楼梯和自动扶梯通往站厅层。这个标高是根据本项目开发前的自然地坪、周边道路的路面标高确定的。然而由于本项目的建设,周边四条道路都需要拓宽改建,其标高都在原有基础上有所抬高,平均在4.6~4.65m。项目的建设、施工,不能影响地铁线路和地铁站的正常运营,这要求地铁站厅和区间隧道上方的荷载不能有长期的、明显的变化,以免威胁到其结构安全、增加渗漏的风险。故整个地铁站和区间段上方的标高都被限制在4.2 m,如图2中斜线阴影部分。本项目展厅和办公楼的室内大堂标高为5.0m,室外地面标高多为4.8m,因此地铁上方及各个出入口附近都处在整个项目的最低洼处。

　　 地铁上方区域多被8m步道、16m车道和展厅屋面所覆盖,而这些部位的雨水被有组织接管排放至远离地铁的方向,相对安全。预防暴雨威胁的重点在于全露天、直径108m的中心圆广场。

　　 广场被圆形商业楼围在中央,西侧还有两个地铁出入口。下方除了地铁站和隧道区间段外,南北两侧各有地下室。由于地铁站顶板区域尚有2m左右覆土,隧道区间段覆土更多,广场下方的部分区域仍有入渗条件。设计过程中,给排水专业反复要求建筑、景观设计在此处采用透水地面增加入渗率,降低径流系数。但最终,考虑到此处需要作为消防通道,必须达到足够的强度和承载力及景观效果,而当时没有可靠的符合要求且经过验证的产品,实际施工时,仍选用了常规的硬质铺装,实为遗憾。

　　 无法重力排出的雨水,必须进入集水池加压排出,在地铁线南北两侧地下室各设1个水池。考虑到广场积水将导致严重后果,在雨水量计算时,采用了100年的重现期;同时采取了双环缝隙式雨水沟和径向雨水暗渠设计、增大蓄水池调蓄容积、控制蓄水池内水泵启停的措施等来保障地铁安全。

　　 在雨水集水方式上,采用了如图3所示的双环缝隙式雨水沟和径向雨水暗渠的做法。考虑到广场对固定荷载的限制,设置了直径分别为87 m和45m的两圈沟,并以外圈沟内两个水池入水点的中点作为两个起坡点,分别向入水点找坡,尽可能将整个场地雨水均匀排入两圈雨水沟,再经过一定长度的流行进入两个水池。两圈沟的做法,将水在沟内的流行距离和时间延长了,经计算,远端流行时间可达2min,所有的水沟容积合计达到125m³,相当于中心圆广场内10 mm降雨量,有一定的蓄水作用,同时减小了因地面找坡造成的场地标高变化,满足了地铁站和隧道对荷载的要求。

　　 地下室机房密布,管线众多,还有许多后勤和商业用房,留给雨水机房的空间较小,设计尽可能扩大水池容积,两个水池的总容积达到615 m³,相当于中心圆广场区域内近50mm的降雨量,有较强的调蓄能力。为保证地铁安全,在极端情况下的首要任务仍然是快速排水,为此在两个水池分别设置了6台(5用1备)大泵和1台小泵,5台大泵的总排水量大于100年一遇(按5 min暴雨强度计算)的雨水量,同时,水泵的电源采用消防电源配置,确保供电安全。水池的启停泵水位设置考虑到极端特殊情况,在有暴雨预警或连续多日降雨的情况下,采用人工手动预排空措施,在降雨间隙用小泵将存水预降到最低安全水位,可最大程度增加调蓄容积。非汛期的日常情况下,首台泵启泵水位设于最低安全水位线上1m,之后每上升100mm水位,增开1台水泵。当水位达到报警水位,同时开启备用水泵。

　　 进水管道的设计,也采取了相应的措施。首先,在外圈雨水沟进入水池的入水段两端和径向暗沟进入主沟的连接处,设置格栅,拦截粗大的可能引起堵塞的垃圾;其次,入水段上方的雨水沟盖板采用可开启盖板便于清理;入水管口上方,再加设半球形篦子;进入地下室的入水管上,增设Y型过滤器、检修阀和电磁阀,并将入水管均分为两组,当水池水位上升到接近报警水位200 mm时,关闭一组电磁阀,如水位继续上升100 mm后,关闭另一组电磁阀,此时,雨水沟内的水将暂停进入蓄水池,以保证水池内的水不会溢出而威胁到地下室各类机房的安全。当水池水位下降后,再重新打开电磁阀,开始进水。

　　 雨水机房内还预留了水泵的安装、维修的空间和通道。考虑到单台水泵质量很大,在每台水泵对应的检修人孔上方设置了埋件,便于提升和移动水泵。考虑到检修时可能产生的地面积水,及当电磁阀关闭不严密而产生的水池溢流,在机房内设置了集水坑和应急排水泵,坑内配置的两台水泵可以同时开启,单台排水量为25L/s。

　　 对雨水池的电气设计也有特殊要求。首先对排水泵的电源配置应采用两路电源;其次雨水池的水位应纳入楼宇控制系统管理,可在大楼的控制中心显示(模拟量);每台水泵的启停或故障情况、电磁阀的启闭状态等均可显示,一旦故障应及时报警并抢修复原。

　　 广场下方两个蓄水池收集的雨水不考虑回用。主要原因是广场雨水为地面径流,水质不佳,同时中心商业几乎没有绿化和地下车库,雨水用水需求少,如需处理为冲厕用水,其所需的场地和运行成本都较高,没有经济性和合理性。

　　 受场地所限,除建筑及其地下室、道路、经地基处理的重载区之外,剩余园区面积较小也较为分散,其中还有部分需要埋设各类机电管线。在此条件下,设计选择了基地中两块相对完整的绿化区域,设置了两座塑料模块式调蓄水池,主要收集展厅屋面虹吸雨水,有效容积分别为350m³和1 050m³,塑料模块水池可适应场地空间组合成不同形状和不同体积,且施工快捷,可谓见缝插针。

　　 雨水调蓄系统由3个主要部分组成。首先是屋面雨水收集系统,通过天沟将雨水汇总到室外管道内,经过弃流井,将初期2mm的雨水弃流至下游排出,之后的雨水经过一段时间流行(无地面雨水汇入)后进入调蓄水池,经一定时间的自然沉淀和水处理设施简单处理后,进入清水池储存,再通过两组供水泵组将其分别供至地下车库用于地面冲洗及供至绿化浇洒灌溉系统。

　　 雨水调蓄池有两个主要作用,一是暴雨期间临时蓄水,延长雨水在地块内的停留时间;二是充分利用所收集的雨水,用于地块内的车库冲洗和绿化浇洒。

　　 由于场地功能和各种苛刻条件所限,地块的硬化率过高,几乎失去了吸水、储水的海绵特性,同时通过场地标高变化做出滞水区的条件也并不具备。在此条件下,在经过计算选定的基础上适当放大雨水管道管径,多余的管道容积可充分发挥临时调蓄功能,使雨水系统防涝能力得到显著提升。

　　 以地块北广场为例。早在2012年,项目初步设计尚未完成时,近10 hm²的北广场(室外展场)已经开始进行地基处理。处理过程中,要求将场地排水管道同步施工完成。展场简图如图4。

　　 此时,设计将经过计算的雨水管道直径放大1档,可留出可观的管道容积,用以暂时调蓄雨水。表1为以展场典型雨水系统N3为例,列出放大管径前后排水能力的对比。

　　 从表1可见,当逐段雨水管均放大1档,排水能力增加近1倍,可以接纳超过100年一遇的雨水量。而当短时强降雨在管道内暂时积蓄后,相当于将降雨历时延长,降雨强度随之降低,流量趋于减小,市政管网的接纳能力也趋于恢复,这个过程充分利用了管道的冗余量,延迟了雨水向市政管网排放,大大增加了系统抗极端天气情况的能力。经统计计算,展场区域的雨水管道总容积达到1 564m³,相当于该区域15mm左右降雨量。

　　 同样的,在整个园区的雨水管道设计过程中,经5年重现期计算得到的总体雨水管道都做了适当的放大,适当留出了管道冗余,尤其是对于地铁出入口附近的重点区域,计算时选用的设计重现期就已做了提高;对进入调蓄池部分的展厅虹吸雨水管道接入区域,特别设计了每一侧平行的2根管道来接纳屋面雨水,同时,这部分管道不接纳地面雨水,保证了雨水水质的同时,后续管段完全没有雨水汇入,可充分发挥管道的调蓄能力。统计整个园区内的雨水管道及缝隙式雨水沟,总容积约为11 290m³,相当于整个园区约13mm降雨量。

　　 地块东南侧有约3 000 m²的地面停车场。此处下方是人防地下室,有1.5m覆土,是较为完整的无特殊荷载要求的场地,如将此处设计为洼地,是较为理想的可用于临时泄水的区域。但此设想最终仍未实现,原因是停车场南面是整个园区的能源中心,从能源中心有若干大型管道穿过,需要一定的覆土深度来保证能源管道的安全,因此此处场地的标高,接近整个园区的室外场地标高,难以用洼地蓄水。最终,此处选用了渗透性较好的植草砖作为地面铺装,可有效降低径流量,减少雨水外排。

　　 地块南侧6万多m²大面积的景观和绿地,是项目唯一一块完整的可呼吸区域。虽然其下方仍然是大面积的地下室,但利用地下室板顶与展厅室内地坪1.5m的高差做出部分高低错落的景观,已足够作为滞留雨水的载体。除了可观的覆土和种植能保持场地良好的透水、蓄水性能外,一条蜿蜒穿过绿地的水面面积达4200m²的水景溪流也有调蓄功能。如图5,水景利用了地下室顶板上方覆土区域,做出下洼式带有少许坡度的流道,为保证地下室安全,池底和侧壁都采用钢筋混凝土,并敷设150mm厚的卵石层,平时无水可通行,暴雨期间可存蓄周边标高较高的绿化区表面径流,把南侧绿地区域径流量降到最低。考虑到游客和行人的安全,最大水深限制在约250mm。同时,在南广场约3 000m²面积区域,设计了透水材料铺装,也可降低雨水径流。

　　 除展厅轻质大屋面外,对于办公楼、酒店等常规的混凝土屋面,设计见缝插针地对各类庭院、小品设计透水材料,增加屋面的滞水性。例如图6的空中庭院设计,在屋面降板区域设置卵石层、种植池等,延长了雨水在屋面的停留时间,也保证了雨水不会流入室内。

　　 项目受功能要求之限,大面积的地面对承载力有较高的要求,造成地面硬化程度较高,且在项目建设的极短周期内,尚未有既能满足强度要求又带有一定渗透性的地面材料。对于本项目而言,雨水生态系统设计的构想难以完全实现,最终实现规模见表2。

　　 从表2可见,单从规模上来说,各个系统的规模可谓不小,但由于本项目的用地面积超大,相对来说,雨水生态系统占整个雨水系统的比例是偏小的。

　　 见缝插针的雨水调蓄池和管道设计冗余,需要在有效的管理措施下才能发挥其在防涝控制时的巨大作用。最首要的就是暴雨季节和预警信号发布时的预排空制度。

　　 如果园区内的雨水管网和调蓄池、缝隙式雨水沟,在平时都是满水或积水的状态,则暴雨期间的调蓄能力就大为减弱甚至是丧失。水池和管网在放空状态,才能瞬间接纳并存储大量雨水,延长其在园区内的滞留时间,延迟其进入市政管网和泵站等防涝设施,减轻市政设施在极端情况下的压力。同理,市政设施的管理者在汛期应加强值班,密切跟踪气象预报和各种预警,及时降低泵站蓄水池的水位,排空市政道路下管网内的积水,最大程度地接纳超重现期的暴雨。

　　 根据雨量公式和实际生活经验,在同样的重现期下,当降雨历时延长,降雨强度会明显降低,而同样的降雨强度,降雨历时越长,其对应的重现期就越大。因此预排空水池和管道所腾出的空间,接纳短时强降雨,相当于延长了降雨历时,降低了降雨强度或提高了重现期,明显增强系统的防涝能力。

　　 从管理角度来说,预警信号及其利用是一个极为重要的防涝措施。随着信息传递技术的日益发达,及时获取各类信息越来越容易。例如各类设施内的水位信号,设备的启闭信号、工作状态信号等,都可以简单获取;而气象预警信号,随着媒体网络的不断完善,也能在第一时间传达到每个相关管理人员,管理人员和第一线的值班人员得到信息及操作指令越及时,对防涝控制也就越有效。充分利用这些信号,制定相关管理制度,可以在非汛期充分利用雨水调蓄池存水进行浇洒和冲洗,降低市政泵站排水流量,均匀向河道排水;在汛期则重点发挥其蓄水功能,做好预排空。

　　 另有一种预警设施,目前还在试验阶段。在地铁出入口的三级台阶处,设置一种遇水淹没可以发出报警信号并传输至值班室的贴片式报警器,在每一级台阶外侧面不易被踢到的位置设置一个,当地铁出入口附近有积水,水位达到贴片高度时,即发出报警,提醒值班人员及时采取相应措施,防止地铁进水,保障地铁安全。

　　 本项目受功能要求之限,大面积的地面对承载力有较高的要求,造成地面硬化程度较高。在项目建设的极短周期内,尚未有既能满足强度要求又带有一定渗透性的地面材料。未来如能加快高强度的渗透地面材料的研发、测试和推广,加大地面的渗透率,则对提高此类项目防涝能力有较大的帮助。

　　 总图设计、建筑设计、景观设计应在海绵城市的规划设计中扮演更为重要的角色。给排水专业的工作范围,决定了其所能采用的手段,更多地局限在管网、水池之类,而设水池、增大管网之类的设施,毕竟需要较大的初期投入、运营和维护成本。在园区竖向设计中,如能利用标高的变化做出可供滞、蓄的区域,使园区高低错落,既富于变化,又能在暴雨期间滞留和积蓄雨水,是最经济的防涝办法。

　　 不间断运营中的地铁站周边的雨水排水控制,应按地铁部门的要求,对其上方的恒载进行严格控制,采用保守的设计参数计算管网和调蓄设施,以确保安全为首要任务。在有条件的位置,适当放大雨水管网的管径,并充分利用水位信号和气象预警信号,提前对蓄水池和管网进行预排空,可有效提高防涝能力。海绵城市的未来并非给排水一个专业能够协调和控制,需要相关专业和部门更多地接受海绵城市的理念,综合协作,因地制宜,有效推进。