鸟巢水立方雨水利用论文.docx

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鸟巢水立方雨水利用论文

奥运场馆雨水综合利用简介

摘要：

水是人类生存和发展必不可少的资源，北京本身为缺水地区，随着经济的发展、人口的增加和生活质量的提高，对水的要求越来越高。

作为奥运会主场馆的国家体育场和国家游泳中心，在雨洪资源的综合开发利用方面力求技术先进，充分合理，切合实际，彰显“绿色奥运”的闪光点。

关键词：

鸟巢，水立方，雨水，回收，利用，奥运。

1.鸟巢雨水回收利用

1.1用地周边条件及雨水利用方案的形成

国家体育场主体建筑建设在一个台基上，从1层入口至室外自然地面高差约4.8m。

室外地面形成约2%～6%的坡度坡向主场四周。

处在建筑中心位置的比赛场地则比入口处地面低约6.8m。

台基内分布着大面积的地下建筑。

北侧热身场则建设在坡地中，地面标高低于周围地坪标高，热身场周围亦分布着少量裁判员、运动员休息室。

规划成府路由南北两片场地中间地下穿过，成府路隧道路顶规划覆土厚度约1.2m。

成府路以南10m是主赛场地下室范围。

由于整个用地范围内的平均坡度很大，将给大量雨水的滞留和入渗增加困难。

赛场外大量采用铺装地面（约占总面积的42%），同时由于存在大范围的地下建筑，大面积的铺装和部分绿地就分布在地下建筑的顶板上。

虽然铺装可采用透水材料，但地下建筑顶板部分却阻止了雨水入渗，所以透水铺装和分布在地下室顶板上的绿地，其入渗作用微乎其微。

绿化面积亦包括主赛场和热身场内近15000m2的草坪，赛场内的草坪虽然平整且有条件滞留雨水，但考虑到用途却又不能作为雨水入渗的区域，而其余部分绿地又有不同大小的坡度，所以通过绿地回收和入渗的水量都将受到限制。

另外，由于国家体育场的建设用地的地势在北京属于一块低洼地，地质资料显示，地下水最高水位为45m，接近甚至超过运动场地坪标高。

一般来说，地下水达到最高水位的季节正是雨季，过高的地下水位给雨水回灌带来极大的困难。

雨水渗井工艺条件一般要求比地下水位高出1.2～1.5m，按现有渗井的工艺条件很难实现雨水回灌。

同时，成府路隧道的穿越也给主赛场和热身场之间雨水通过管道输送造成了困难。

因此，国家体育场的雨水利用不能完全参照以入渗、回灌为主的设计思路。

建筑方案对雨水利用有利条件是：

红线内的道路均设计为人行道，雨水水质条件优于市政道路。

可以说国家体育场周围的市政条件是优越的。

因此，国家体育场的雨水利用应当结合回用水的使用进行设计，其收集、处理与供应也应当结合回用水的水质、水量要求统筹考虑。

最终，我们采用了雨水与中水联合运用的方式将雨水作为回用水源水集中回用的方案。

入渗方式仅考虑自然入渗。

雨水利用方案确定以后，就需要解决雨水收集、处理、与回用水系统相结合的一系列问题[1]

1.2雨水收集

由于成府路隧道从用地中穿过，顶部大部分覆土深度较浅，不便于长距离雨水管道穿越，所以我们首先沿成府路将两侧区域划分为南北两个不同的流域。

两个流域中间以一条截洪沟分开，保证降雨的回收、处理、利用和溢流排放各自形成相对独立的系统。

南流域可回收雨水的主要来源由主赛场场地内雨水、体育场屋面雨水及赛场周边地面雨水三部分组成，北流域可回收雨水的主要来源则由热身场场地雨水、热身场周边地面雨水组成。

资料显示，北京市6～9月汛期降水量占全年降水量的85%。

考虑到地下建筑的范围和雨水收集的可行性，经计算，在南流域内共建设5个雨水蓄水池，其中一个用于收集中心赛场内的雨水，容积为1000m3，其余四个用于收集体育场屋面和周边场地的雨水，每个贮水池容积为2700m3。

五个蓄水池的分布和各自负担的区域见图1。

北流域设计建设一个容积为2700m3的雨水蓄水池，用于收集热身场和周边地面的全部雨水。

按照规划条件要求；考虑处理系统运行中便于对雨水入水水质进行控制，使进入蓄水池的雨水具有比较好的水质条件；分析周边用地中的硬质铺装地面部分平时作为广场使用，没有行车、停车功能，初期雨水中有机污染物浓度不高；结合选择对源水水质要求比较宽松的回用水处理工艺，我们为初期雨水设计了弃流设施。

2700m3的雨水蓄水池配备容积为140m3的弃流池，1000m3的中心场地雨水蓄水池则配备容积为20m3的弃流池。

另外，用地范围内可能排入绿地的雨水先排入绿地，再通过溢流、土壤过滤等方式进行回收。

【2】

其次是皿面雨水收集皿面雨水设计概况年月的“奥运瘦身计划”后,鸟巢虽然失去了可开启屋顶、重新布局了屋面形式,但整体上保留了无规律的造型。

图是国家体育场的屋面形式。

鸟巢屋面呈马鞍形,东西高,南北低,总投影面积约58847。

屋面结构为钢制箱形杆件,钢结构和膜结构共同围成大小不等、高低错落的多个不规则分块,分块之间互不连通,在降雨时这些分块就好像一个个悬挂在天空的水池。

屋面边缘与立面的连接部位称为“肩部”,是顶面与立面的结构平滑过渡段,部分平面投影面积占小比例的肩部分块雨水不能被组织排放,因此排水系统负责组织排放个分块的雨水,总汇水面积约。

雨水系统由重力系统、集水槽和虹吸系统三部分组成,在屋面排水天沟中设置重力雨水斗,约“范围内的膜单元及其围护结构内的雨水以重力排水方式接人悬吊在屋面主围护结构梁下的一个水平集水槽中,集水槽内设置虹吸式雨水斗。

或个相近标高的集水槽内的虹吸式雨水斗由一条虹吸排水悬吊管和立管连接,立管沿建筑外围框架的指定位置的钢制立柱下降到楼板下,沿顶板敷设直到出户排人建筑物周围的雨水管道系统。

【3】

这部分内容让我们了解到鸟巢可利用雨水资源主要在主场地，体育场屋顶，以及周边设施。

所以蓄水池应建在这些设施附近，这就应该考虑到蓄水池的占地是否合理，是否与其他设施冲突。

同时要处理好雨水水质，雨水回收的目的是再次利用，节省水资源，那么我们应该利用水质好的雨水，让雨水回收利用起到最好的作用。

1.3回用水构成及雨水述供水概

回用水经处理后与市政优质中水联合使用，共同作为0层以下建筑卫生间冲厕、消防用水、冷却塔冷却补充水、主赛场和热身场的草坪灌溉、停车场冲洗用水、室外道路和绿化浇洒用水等多种用途的水源，这些用水部位遍布在体育场用地范围，回用水的构成关系见图2。

图2回水构成关系

由于本工程中用水部位过于分散且每种用途用水量变化很大，所以在供水系统形式的选择上，采用集中处理后再通过统一的回用水管道系统输送到各用水部位的方式，这种方式既可减少处理设备的装机数量，又能兼顾不同用水量变化的调节，同时方便市政优质中水供水的接入。

对不同用水部位的水质要求，采取就高不就低的原则，以期达到收集的雨水经同一种工艺处理后，出水能满足不同使用功能基本要求的目的。

从图中得知回收的雨水大部分是用于空调冷却水，我认为我们可以在空调上做些文章，让空调的用水量降低，那么可以把省下来的水用于其它用途。

也许现在的科学技术以及资金和成本问题使我们无法完成这种目标，但是我认为在后现代奥运会中，应该进行改造空调。

剩余水资源的用途有很多。

【4】

1.4雨水处理

经初期弃流后的雨水，进入雨水蓄水调节池后进行处理，对于南流域，体育场外的四个蓄水池的雨水最终被输送到设置在比赛场地地下的中心蓄水池。

蓄水经处理流程后进入消防、中水合用水池，再通过加压设备送入回用水管网或用水部位。

考虑到对待处理雨水水质的适应能力，处理工艺主要采用物理法，即采用不同性能的过滤实现处理。

这种方法还具有处理效果稳定、便于维护和处理组件成本随时间延续可能不断降低的优点。

考虑到北京汛期降水量过于集中，当雨季来临时，雨水处理系统将投入满负荷工作，供应全部回用水部位，由于北京雨季发生的季节通常又是用水量比较大的季节，满负荷工作既能达到节水的目的，又能加快消耗蓄水池中的雨水，为下一场降雨的来临留出一定的蓄水空间。

但当雨季结束后，却会形成处理系统无水可用的局面，此时，市政优质中水将取代回用雨水。

处理后的雨水与市政优质中水供水的切换采用自动控制，在回用水管网上实现。

考虑到充分节约用水，砂滤的反冲洗水经过二级砂滤后送回雨水蓄水调节池，二级砂滤的反冲洗水排入市政管网。

其余过滤处理的反冲洗水直接送回雨水蓄水调节池。

超滤或纳滤用膜，可能在非雨季时停止使用，而膜本身在停用时需要养护。

本工程中设计两种滤膜养护方案可供使用中选择：

专用的养护系统，设置小流量雨水处理设备维护泵，定期在非雨季时

从消防中水合用水池取水，以低负荷通过滤膜循环，使滤膜不致因干燥失效；拆除滤膜，以化学药剂浸泡养护。

雨水蓄水池容积大，贮水时间长，尽管源水COD和BOD的含量相对较低，但考虑常年运行，必须采取防止厌氧沉淀的措施。

本工程各雨水贮水池、弃流池设自动反冲洗管道，在水泵供水之前或排水同时对水池壁进行清洗。

经计算，若所有水池蓄满雨水，正常情况下可供连续使用13～39日。

为避免因沉淀带来的厌氧微生物滋生使水质恶化和待处理雨水浓度变化导致的处理工艺负荷变化，在雨水贮水池内采用特别的池底设计和搅拌系统将池水搅匀，使水泵在吸水同时将水中各类悬浮物尽量带走。

【5】

2.水立方雨水回收利用

水”是建筑的灵魂，“方”是中国古代城市建筑最基本的形态，它体现的是中国文化中“天圆地方”的古老哲学和基本的社会生活准则。

中国传统的设计哲学催生了“方”的概念，而这个方盒子又能够很好地满足游泳中心的多功能要求。

本案“水”是一种重要的自然元素，并能激发人们欢乐的情绪。

这种“方”与“水”相结合所产生的设计理念就被称作——“水立方”。

作为2008年北京奥运会标建筑物之一，国家游泳中心总建筑面积65000～80000m2，建筑平面为177×177m2的正方形。

2.1虹吸式屋面雨水排水工程

2.1.1“水立方”屋面的特点和难点

一般来讲，大部分的建筑屋面都具有一定的坡向，特别是一些大型场馆，其屋面形式多为中间高四周较低的形式,这些屋面的雨水比较容易排出。

也有一些建筑屋面形式，虽然中间较低，但跨度较小，也比较容易实现对屋面雨水的有组织排放。

“水立方”钢结构和表面覆盖的ETFE透明膜本身的特点，决定了处理3万多平方米的膜屋面雨水排放是我们要面对的新课题。

2.1.2对策一——将屋面分三块大区域

由于屋面近似为水平，考虑到钢结构跨度较大，钢结构由自重引起的挠度过大；在不同的季节承受雨、雪等载荷时，钢结构就更容易向下曲挠，使屋面的中心部位下沉，屋面的雨水就容易向中间汇集，加大这个不安全因素，同时也使屋面雨水的收集排放更加困难，将屋面分三块大区域分别坡向中心，见下图所示。

图中R1、R2区域跨度相对较小，雨水斗可均匀布置。

R3区跨度较大，由于钢结构自重引起的中部区域下沉，中心最大下沉量为250mm。

考虑以上原因，在R3区域内，再分为3个分区，分别为R3-1、R3-2和R3-3。

通过设置挡水隔板的办法达到使屋面雨水按设定要求有组织汇集的目的，为今后类似工程的实施提供了一种技术应用模式。

2.1.3.对策二——屋面膜与天沟连接构造

屋面膜与天沟连接是依靠屋面每块膜之间天沟侧壁连接件，连接为一个整体。

降落在屋面膜结构的雨水汇集到膜周边的钢天沟内，在天沟且留有孔洞的球节点上布置虹吸雨水斗。

雨水经虹吸雨水斗、悬吊管、立管、水平干管排至室外。

屋面膜与天沟连接图见下图。

屋面总汇水面积S=31344m2；虹吸雨水系统20个；采用YG50A型雨水斗204个；溢水系统11个；采用YGS50型雨水斗60个。

共计31个系统，264个雨水斗。

设计重现期：

P=10年q5=5.85L/（s·100m2）溢流系统与排水系统总排水能力：

P=50年q5=7.38L/（s·100m2）P=100年重现期校核，P＝100年q5=8.21L/（s·100m2）。

【6】

2.2虹吸式屋面雨水排水安装节点

2.2.1.雨水斗与天沟

屋面天沟有264个汇集点设有虹吸雨水斗，由斗体（法兰安装盘上焊有压紧螺栓）、整流器、导流罩、园环压板及尾管组成。

雨水通过雨水天沟汇集到雨水斗经尾管流入虹吸系统。

天沟内侧设有防潮保温层，保温层表面覆盖一层PVC防水卷材是天沟的防水措施，PVC卷材以热焊搭接密封。

雨水斗处的防水措施为利用压板夹紧PVC防水卷材。

在压板外围以内的PVC板下涂一层硅铜胶，同时在螺栓穿PVC板缝隙内填塞硅铜胶以达到防水密封作用。

雨水斗周围的PVC板材应裁成完整的一块，中间不得有接缝，其平面尺寸参照下图剪切。

由于天沟汇集处平面尺寸各异，需在现场测量后剪裁。

此道工序由远大公司提供PVC卷材并剪切。

下好的材料由远大移交给虹吸雨水公司，虹吸雨水公司负责铺好PVC卷材，然后进行施工。

此板材周边与天沟内壁卷材的热焊由远大完成。

雨水斗中心开孔，压板外围范围内PVC板下涂硅铜胶及压紧螺栓缝隙中填塞硅铜胶由泰宁公司制作完成。

雨水斗的所有部件焊接和组装全部由泰宁公司完成。

虹吸雨水进行电焊施工过程中严格采取防火措施。

具体做法用镀锌铁板做挡火板，防止焊接过程中烫坏PVC卷材。

2.2.2.挡水板做法（以R3区为例）

钢结构R3分区中心区存在一定的下陷量，按设计计算确定此下陷量数值为130～140mm，针对R3区特点，在分区内做环向分区，两个环向分区和一个中心区，在分区间设档水板（高出天沟120mm），以阻止较高环形区域雨水向低环区泄流。

挡水板做法：

支架角钢（20mm×20mm×3mm）利用［型钢和顶丝与天沟上部的膜夹具固定，如下图所示。

挡板采用不锈钢材质，为避免不锈钢对天沟内PVC防水卷材直接接触，不锈钢挡板离PVC卷材顶面10mm，下部分采用橡胶板密封。

在“水立方”钢结构和表面覆盖的ETFE透明膜的天面上，采用天沟侧壁连接件连接为一个整体，实现31329m2屋面雨水的有组织排放实为先例。

经过2007年北京雨季的实践验证，虹吸雨水排放系统安全可靠。

通过设置挡水隔板的办法达到使屋面雨水按设定要求有组织汇集的目的，分区格档排放技术能为今后类似工程的实施提供一种技术应用模式。

新型屋面雨水分区格档排放技术可用于各种适用的屋面雨水排放工程中。

【7】

2.3水立方雨水利用成果及感悟

水立方作为2008年奥运会主要场馆之一，同样也是贯彻北京奥运会的“绿色奥运”方针，据悉，水立方一年的节水量高达一万吨，为了保证室外护城河水的水质，“水立方”还有一套水景水循环处理系统：

在地下二层设水景水处理机房，将护城河水经过滤消毒，根据检测用精密计量泵自动投加酸碱夜和次氯酸钠溶液，保证泳池中水的PH值和余氯值在要求范围之内。

池中的水会按照实际需要投加除藻剂，保证池水和池体不滋生藻类。

并且定时排污，及时补充新鲜水。

水景循环周期按8小时来设计。

看来水立方的雨水利用效果非常显著，主要是运用了先进的科学技术，现在有一个值得思考的问题，水立方的雨水利用的成功方法，能否运用到城市雨水回收里用中，效果是否同样出众呢？

如果运用到实际生活中成本是否划算？

这些问题都值得我们思考。

3.历届奥运会雨水回收利用

3.1悉尼奥运会雨水回收利用

奥运会主会场和场区的雨水收集和处理系统由于澳大利亚水资源短缺,在奥运会场馆设计中充分考虑了水资源的节约和开发。

所有承包商必须承诺节水达到50%以上。

悉尼组委会对奥运会场区的雨水进行了综合规划。

将整个场区的雨水收集和处理系统根据地形和地势分为3个系统收集,另外,再加上一个主体育场的雨水收集和直接处理和利用系统。

雨水中的污染物主要是泥沙和N,P。

雨水经过收集后,需要经过处理后,才能被有效利用。

我们对其中的两个子系统进行了参观考察,这两个系统分别占整个雨水收集量的40%和30%。

雨水处理上充分利用自然条件,其中之一雨水处理在重新构建的坑塘基础上,通过水力学设计使雨水在流动过程中,泥沙得到有效沉淀,然后进入自然处理系统———氧化塘,对水中的营养物质N,P进行净化,在氧化塘中种植了当地的挺水类水生植物,可以强化N,P的去除。

另一处位于主体育馆南侧的处理系统,采用多个塘串联,其中第一个塘也是用于沉淀泥沙,后几个塘采用水生植物氧化塘,同样采用了本地生的挺水植物,由于有一定的水面和植物,使得其成为鸟类和青蛙栖息的生态保护地。

同时,设计者将自然景观和人工景观相结合,采用了一个特殊造型的喷水装置和一个深入到水面的木桥———彩虹桥与自然水面相连,喷水池

与自然水池浑然一体,相映成辉,形成了奥运会主场馆旁一个著名的景点。

值得说明的是考虑到回用水的安全性,喷泉没有采用处理后的雨水,而是采用自来水。

如上所述,在整个场区范围内的雨、污水通过一个处理厂和3个雨水收集、处理和储存设施,已经达到了排放标准,起到了防止污染的作用;其次,考虑资源价值,水作为重要的生态构成因素,参与了3～4处景观水体的构建;最后,水面和植物形成了候鸟和动物的栖息地,形成了一个整体的自然生态保护地。

使得雨水和污水的价值得到充分利用,整个系统是一个环境保护、生态保护和建设的经典之作。

在此基础上,设计者通过深度处理系统,最后让这些有限的水资源的利用价值达到最大化。

经过处理后的雨、污水可以达到环境排放标准,但是无法达到回用水平。

悉尼奥运会采用了较为严格的中水处理工艺。

其中水回用主要采用的技术是微滤膜技术,这是澳大利亚Memtech公司的专有技术,其微滤膜采用聚丙烯中空纤维材料,孔径为0.2μm左右,可以去除一些水中的悬浮物和病原菌。

此项技术出水效果好,膜反洗要求低,使用寿命长,是污水回用处理中替代混凝过滤（砂滤）的最新技术。

在此之后,根据用水的要求和含盐量的要求,可以采用反渗透进行除盐处理。

回用之前需要加氯消毒,回用水厂的处理能力为7000m3/d,同时处理污水处理厂出水和储存塘中的雨水。

处理后出水经过加氯消毒后,送到奥运村作为中水使用,主要用途是冲洗厕所和绿化用水。

奥运会后销售出去的民用住宅在入户的门口一侧都装有两块水表,一块是计量中水,一块计量清水,并且庭院内装有微喷装置进行绿化。

可以看出水资源的充分利用这一观念,在奥运村的建设中得到了充分的实践,并且设施也得到了充分的利用。

正是通过这些措施和厕所节水马桶等其他措施,奥运村的开发商才能达到奥运村住宅节水50%的承诺。

[8]

3.2经查找未发现雅典奥运会以及2012年伦敦奥运会雨水收集利用的资料。

4．鸟巢与悉尼奥运会雨水运用系统的比较

首先两届奥运会都为了体现环保节能的主题，由于两地的地理位置不同，所以在雨水的处理工艺上稍有差别，两种处理法都是使用物理法，鸟巢是处理工艺主要采用物理法，即采用不同性能的过滤实现处理。

这种方法还具有处理效果稳定、便于维护和处理组件成本随时间延续可能不断降低的优点。

，悉尼奥运会主场馆雨水中的污染物主要是泥沙和N,P。

雨水经过收集后,需要经过处理后,才能被有效利用。

我们对其中的两个子系统进行了参观考察,这两个系统分别占整个雨水收集量的40%和30%。

雨水处理上充分利用自然条件,其中之一雨水处理在重新构建的坑塘基础上,通过水力学设计使雨水在流动过程中,泥沙得到有效沉淀,然后进入自然处理系统———氧化塘,对水中的营养物质N,P进行净化,在氧化塘中种植了当地的挺水类水生植物,可以强化N,P的去除。

另一处位于主体育馆南侧的处理。

相比之下两届奥运会各有各的特点，悉尼奥运会更偏向自然，运用植物吸收有害物质。

北京奥运会则偏向科技节能。

5.结束语：

通过这次科技周活动，我对雨水的利用和回收有了很大的认识，明白了一些鸟巢雨水回收利用的知识，以及其中运用到的技术也有所认识。

由于时间有限，只找到了少数的资料，比如：

雅典和伦敦奥运会主场馆的雨水收集系统就没有了解到，还有就是奥运场馆的雨水收集系统能否运用到城市建设当中，由于对雨水回收利用知识的匮乏，也没有能够了解到。

但是同过本次科技周，我的收获也是很大的，锻炼了自己检索文章的能力，为以后的实习毕业论文打下了基础。

同时在和同学们的讨论中，也能学到很多东西，至少学会了写论文的基本格式，还有就是大家检索文章的方法都不相同，找到的资料也是各不相同，在他们哪也得到了宝贵的资源。

最后感谢各位老师对我们的指导。

参考文献：

【1】.刘鹏赵昕郭汝艳奥运场馆雨水综合利用简介中国建筑设计研究院2008.04城市住宅

【2】.刘鹏朱跃国家体育场雨洪利用降水分析中国建筑设计研究院2006年9月给水排水增刊vol.68

【3】.刘鹏赵昕郭汝艳国家体育场屋面给谁排水系统选择中国建筑设计研究院2006年8月给水排水增刊vol.33

【4】.刘鹏赵昕郭汝艳奥运场馆雨水综合利用简介中国建筑设计研究院2008.04城市住宅

【5】.刘鹏朱跃国家体育场雨水收集池设计中国建筑设计研究院

【6】.郑大华高俊斌水立方”虹吸式屋面雨水系统建国际设计顾问有限公司 

【7】.芮以南水立方”虹吸式屋面雨水系统北京泰宁科创科技公司

【8】.王凯军　朱民悉尼奥运会水资源综合利用北京市环境保护科学研究院2002.6.26