基于海綿城市視角的透水性鋪裝材料的研究

劉智睿

（南京大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，江蘇 南京 210093）

0 引言

海綿城市是近年來我國為應(yīng)對(duì)城市日益嚴(yán)重的城市內(nèi)澇問題而提出的解決方法。2014 年11 月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部正式出臺(tái)了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）》（以下簡稱為《指南》），標(biāo)志著海綿城市已正式上升為國家戰(zhàn)略。 《指南》中給出了海綿城市的定義，即指城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存的水“釋放”并加以利用[1]?！皾B水”是海綿城市的基礎(chǔ)功能之一，而傳統(tǒng)城市的硬質(zhì)路面一般采用非透水性鋪裝材料，透水性鋪裝材料的引入是發(fā)揮海綿城市滲透功能的不二選擇。此外，透水性材料本身的綠色材料屬性，更是與當(dāng)下“十三五”規(guī)劃建議中的“綠色發(fā)展”不謀而合。推廣和使用透水性材料，將會(huì)給海綿城市建設(shè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。

1 透水性鋪裝使用的現(xiàn)實(shí)意義

1.1 緩解城市雨水疏導(dǎo)不利的困局

傳統(tǒng)的市政模式是典型的“快速排除、末端集中”思維，即認(rèn)為雨水排得越多越快、越通暢，則城市的排水系統(tǒng)越優(yōu)異[2]。 這種思維實(shí)際上存在著兩個(gè)缺陷：一是隨著城市硬質(zhì)鋪裝的擴(kuò)張，防洪的壓力愈發(fā)加大。很多城市的排水管網(wǎng)跟不上城市擴(kuò)張的速度， 排水能力的不足造成了部分城市出現(xiàn)了“逢雨必澇” 的現(xiàn)象。 二是未能兼顧雨水的循環(huán)利用。許多北方城市存在著缺水及地下水開采過量地情況，與此同時(shí)，夏季大量的地表徑流沒能合理地補(bǔ)充地下水，反而會(huì)造成城市內(nèi)澇，這是城市水系統(tǒng)缺乏彈性的顯著表現(xiàn)。

海綿城市正是為應(yīng)對(duì)這樣的問題而引入的理念，其目的是改變現(xiàn)下“以排為主”的排水理念。 透水性鋪裝材料的大量使用可以顯著減小雨水徑流，緩解城市防洪壓力， 并為排水模式的改變打下基礎(chǔ)。雨水透過鋪裝表面滲入地下，提高地下水位，同樣有利于城市的蓄水。

1.2 低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)的重要組成部分

低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)是海綿城市的三大系統(tǒng)之一，低影響的理念是通過分散的、小規(guī)模的源頭控制機(jī)制和設(shè)計(jì)技術(shù)，控制暴雨所帶來的徑流和污染問題，使開發(fā)區(qū)域盡量接近于開發(fā)前的自然水文循環(huán)狀態(tài)[3]。 透水性鋪裝材料的使用，正是為了利用其滲透的功能對(duì)雨水進(jìn)行自然式的處理，契合了低影響開發(fā)強(qiáng)調(diào)從源頭控制的理念。而雨水通過透水性材料迅速進(jìn)入地下，貼近自然的水循環(huán)交換方式， 規(guī)避了硬化地面對(duì)原有生態(tài)系統(tǒng)的巨大影響，也更好地還原了自然的原真性。從歐美國家低影響開發(fā)的實(shí)踐來看，透水性鋪裝的應(yīng)用也是低影響開發(fā)所采用的主要技術(shù)手段。

2 透水性鋪裝材料的發(fā)展與主要類型

2.1 透水性鋪裝的發(fā)展

透水性鋪裝材料并非近現(xiàn)代才被發(fā)明和使用，實(shí)際上它在國內(nèi)外都有著比較悠久的使用歷史。青磚、青瓦、砂礫、石板等材料，都是中國古代園林與城市建設(shè)中經(jīng)常使用的材料，而它們都具有良好的透水性。 歐洲的傳統(tǒng)透水性鋪裝材料為也較為類似，砂石、石塊與草地的結(jié)合是歐洲宮苑景園常見的景象[4]。

現(xiàn)代意義上的透水性鋪裝起源于西方，其相較于傳統(tǒng)透水性材料有了強(qiáng)度和耐久性的要求。 從20 世紀(jì)30 年代開始用于城市路面的鋪設(shè)開始，到70 年代廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)，再到90 年代成為發(fā)達(dá)國家路面的主要材料，透水性鋪裝材料一直保持著良好的發(fā)展勢(shì)頭，且不斷進(jìn)行著技術(shù)提升。

2.2 透水性鋪裝材料的類型

透水性鋪裝材料可以分為透水性混凝土材料、陶瓷透水磚、 自然型透水材料及透水性新材料，其中的新材料一定意義上也屬于廣義的透水性混凝土或透水磚范疇，但為與傳統(tǒng)的材料加以區(qū)分所以單獨(dú)歸到一類。

2.2.1 透水性混凝土材料

透水性混凝土材料分為透水性水泥混凝土和透水性瀝青。透水性水泥混凝土是采用水泥、水、膠結(jié)材料，并摻配一定骨料所配置的，具有一定空隙率的混合材料。其制作成本較低，過程也較為簡單，因此有著比較廣泛的工程應(yīng)用。 此外，透水性水泥混凝土還可以通過特殊工藝預(yù)制為路面磚等透水性混凝土制品，然后再作為鋪裝進(jìn)行鋪設(shè)。 在考慮景觀效果的基礎(chǔ)上，也可在透水性水泥混凝土的制作過程中拌入顏料，以呈現(xiàn)出不同顏色。

透水性瀝青一般在使用中要與混合料配合使用，所以其制成的鋪裝被稱為透水性瀝青混合料鋪裝。 由于其強(qiáng)度要高于透水性水泥混凝土材料，所以在道路建設(shè)的應(yīng)用要更為廣泛，是透水性材料的主角。在景觀有需求時(shí)，同樣可以加入顏料，用以鋪設(shè)彩色瀝青路面。透水性混凝土材料的透水原理是其內(nèi)部的多孔隙結(jié)構(gòu)，長期使用中易受砂石、塵土的影響，需要定期用高壓清洗車進(jìn)行保養(yǎng)。

2.2.2 陶瓷透水磚

目前，常見的透水磚從材質(zhì)和工藝上大致可分為兩類，即陶瓷透水磚及非陶瓷透水磚。 其根本區(qū)別在于陶瓷透水磚是燒制而成，而非陶瓷透水磚則是通過粘結(jié)劑固化而成，其中就包括上文提到的透水性混凝土路面磚。 陶瓷透水磚是以固體工業(yè)廢料、建筑垃圾、廢玻璃、生活垃圾等材料經(jīng)過粉碎、成型，而后高溫?zé)贫伞?陶瓷透水磚具有高透水性、高孔隙率、高抗壓、裝飾效果好等優(yōu)點(diǎn)，但需要配合柔性基層使用，一般只用于人行道路的鋪裝。

2.2.3 自然型透水材料

傳統(tǒng)園林采用的方磚、卵石、木料、嵌草鋪地等透水性鋪裝，都屬于自然型透水材料的范疇。 現(xiàn)代城市在景觀設(shè)置時(shí)仍會(huì)大量采用這樣的透水性材料，如卵石路的應(yīng)用和日本枯山水意象的景觀布置等。而通過防腐處理的木制鋪裝也被大量應(yīng)用于現(xiàn)代親水空間的設(shè)計(jì)，有著良好的生態(tài)和美學(xué)效果。

2.2.4 透水性新材料

石米地毯和沙基透水磚是近年來出現(xiàn)的透水性新材料。 其中沙基透水磚也被成為“生態(tài)砂基透水磚”，其通過破壞水的表張力來形成其透水性，避免了多孔結(jié)構(gòu)易受堵塞而影響透水性的弊端，其在世博會(huì)、奧運(yùn)村的建設(shè)中都有使用。 石米地毯更為生態(tài)， 以多纖維樹脂粘合天然卵石形成透水性鋪裝，其景觀效果豐富且維護(hù)成本低。

有學(xué)者曾整理了主要三個(gè)透水性材料的特征及適用場(chǎng)所（表1），不同材料的差異性特征為透水性鋪裝的廣泛推廣及實(shí)踐提供了基礎(chǔ)[5]。

3 透水性鋪裝的路面結(jié)構(gòu)

單純表面材料的透水顯然不能實(shí)現(xiàn)較好的滲水效果，因此透水性鋪裝對(duì)路面的結(jié)構(gòu)也有著一定的要求。 不同于傳統(tǒng)硬質(zhì)鋪裝單純要求路基的穩(wěn)固，透水性鋪裝要求從土基到表面都要具有較高的透水性能, 同時(shí)又要兼顧承載能力和穩(wěn)定性的要求，這就使得透水性鋪裝的路面結(jié)構(gòu)具有一定的特殊性。 根據(jù)雨水的透水形式，透水性鋪裝的路面結(jié)構(gòu)可以劃分為縫隙透水和自透水兩種。

表1 三種主要透水性材料的比較

縫隙透水主要運(yùn)用于透水磚的鋪裝中。 縫隙指的是鋪設(shè)過程中在磚與磚之間留下的縫隙， 并利用磚與磚之間的縫隙和磚體本身孔隙聯(lián)合滲水， 從而達(dá)到快速消除地表徑流的作用，其典型的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型的透水磚結(jié)構(gòu)示意

自透水鋪裝其鋪裝形成的下墊面不存在縫隙，而是完整的塊。 當(dāng)雨水落在鋪裝上后，從透水型材料的孔隙中滲進(jìn)基層及土壤；當(dāng)沒有降雨時(shí)，孔隙起到了土壤和空氣之間通風(fēng)換氣的作用，可以促進(jìn)路面以下動(dòng)植物及微生物的生長。典型代表為透水性混凝土材料和透水性瀝青材料等，標(biāo)準(zhǔn)的橫斷面結(jié)構(gòu)如圖2 所示[6]。

4 透水性鋪裝的生態(tài)功能及內(nèi)涵

4.1 透水性鋪裝的生態(tài)功能

與非透水性鋪裝相比， 透水性鋪裝可以與綠地、水體共同發(fā)揮良好的環(huán)境綜合效益，有著豐富的生態(tài)功能[7]。

圖2 美國透水鋪裝體系標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

（1）雨水可以迅速下滲至城市土壤中，還原為地下水，在減少地面徑流的同時(shí)，使城市下墊面可以與大氣進(jìn)行直接的水、氣交換。此外，由于地表徑流的減小， 其攜帶地面污染物的能力也隨之減少，從而降低了對(duì)自然水體污染的機(jī)會(huì)。

（2）由于透水性鋪裝良好的通透性，其表面的溫度與濕度要比非透水性鋪裝更為均衡，即在高溫季節(jié)，透水路面要更為涼爽；而干燥季節(jié)其表面要更為濕潤， 這在一定程度上起到了降溫加濕的作用。相對(duì)更好的透水性和透氣性也使得城市下墊面的生態(tài)空間得到更好的保護(hù)，植物根系能得到充足的養(yǎng)分，間接起到了改善空氣質(zhì)量的作用。

（3）透水性鋪裝還能起到吸收噪音、減少反射的作用。透水性材料中多孔隙的結(jié)構(gòu)使其能吸收聲波，而路面積水的及時(shí)下滲也避免了其反光對(duì)行人車輛造成的干擾。

4.2 透水性鋪裝的綠色材料內(nèi)涵

綠色材料是指在原料采取，產(chǎn)品制造使用和再循環(huán)利用以及廢物處理等環(huán)節(jié)中與生態(tài)環(huán)境和諧共存并有利于人類健康的材料，具備凈化吸收和促進(jìn)健康的功能。 其概念在1988 年的第一屆國際材料科學(xué)研討會(huì)上被提出，隨后被認(rèn)為是新世紀(jì)材料發(fā)展的主要方向[8]。 而我國綠色建筑材料的發(fā)展則始于上世紀(jì)90 年代末期， 近年來隨著國家對(duì)綠色發(fā)展的重視，綠色建筑材料發(fā)展的重要性也日益凸顯。

透水性材料在產(chǎn)品使用中的環(huán)境效益十分顯著，其在原料采取、產(chǎn)品制作及廢物處理上也都有著良好的生態(tài)性。 以陶瓷透水磚為例，其制作工藝是基于對(duì)工業(yè)廢料、建筑垃圾、生活垃圾的廢物再利用，在減少對(duì)環(huán)境的污染的同時(shí)，又減少了環(huán)境負(fù)擔(dān)，創(chuàng)造了良好的生態(tài)效益。 其本身作為建筑垃圾還可以進(jìn)行再一次的循環(huán)利用，體現(xiàn)了綠色材料的核心理念。自然型的透水性材料及新材料也都是以砂石等作為原料進(jìn)行加工處理，同樣符合綠色材料的內(nèi)涵。 透水性材料具有普遍的綠色材料內(nèi)涵，是我國大力推行綠色發(fā)展中值得推廣的綠色新材料。

5 結(jié)語

在海綿城市日益發(fā)展的時(shí)代背景下，透水性鋪裝作為對(duì)雨水徑流進(jìn)行源頭控制的有效手段，理應(yīng)得到更大的重視與投入。而透水性鋪裝材料作為一種新興的綠色建筑材料，契合了綠色發(fā)展的戰(zhàn)略理念。熟悉不同透水性材料的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及適用范圍，將對(duì)海綿城市建設(shè)的實(shí)踐提供科學(xué)的引導(dǎo)。而透水性材料存在著諸如價(jià)格偏高、透水性能下降、承載力偏小等方面的問題，仍需要技術(shù)、工藝上的探索和創(chuàng)新。 更為重要的是，必須認(rèn)識(shí)到海綿城市是一個(gè)多層次的系統(tǒng)，作為滲透功能的透水性鋪裝的推廣，必須要與收集、調(diào)控、積蓄等相關(guān)工程相配合，才能實(shí)現(xiàn)海綿城市的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益。

[1]住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部.海綿城市建設(shè)指南[Z].2014.

[2]許道坤，呂偉婭.低沖擊開發(fā)模式應(yīng)用：透水路面發(fā)展綜述[J].新型建筑材料，2012（3）：31-34.

[3]呂偉婭，管益龍，張金戈.綠色生態(tài)城區(qū)海綿城市建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)思路探討[J].中國園林，2015，（6）:16-20.

[4]史雙紅,陳楚文,潘琤琤,等.透水性鋪裝材料在城市中的應(yīng)用[J].中國城市林業(yè),2013（1）:48-51.

[5]禹曉峰.從透水性材料談園林鋪裝設(shè)計(jì)[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2007.

[6]趙亮.城市透水鋪裝材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[D].陜西：長安大學(xué),2010.

[7]何定舉，王世槐，高亞雄，等.基于海綿城市理念的透水性城市道路路面應(yīng)用研究[J].山西建筑，2015（17）:112-113.

[8]卓玲,陳寶璠,朱海平,等.綠色建筑材料學(xué)科發(fā)展研究報(bào)告[J].海峽科學(xué),2015（1）:40-46.