基于雨水花園系統(tǒng)的自我維持式花箱設(shè)計

李若男，李 穎，邱 潔，嚴思語

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園林學(xué)院，安徽 合肥 230036)

1 引言

城市高架橋系統(tǒng)主要承擔了市政交通、人群的空間流轉(zhuǎn)職能，是組成市政體系中基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要一環(huán)。城市現(xiàn)存的高架橋綠化形式主要依據(jù)綠化位置進行分類，現(xiàn)存的有橋面綠化、橋柱綠化、橋蔭綠化以及互通立交綠化[1]。其中，城市高架橋的橋面綠化主要是通過植物種植槽(箱體)實現(xiàn)[2]。

經(jīng)調(diào)查，目前高架橋上所用的花盒多為聚氯乙烯及其他復(fù)合材料，其輕薄的容器殼易發(fā)生變形，無法達到保溫隔熱效果，不利于植物在不同季節(jié)的氣候變化，特別是在寒冷地區(qū)。此外，由于箱體體積太小，箱內(nèi)空間受限，而箱體所容納的土壤和基質(zhì)營養(yǎng)也十分有限，不能滿足植物的正常生長[3]。

此外，目前的花箱和墻壁之間的固定結(jié)構(gòu)，由于腐蝕、變形和脫焊等問題，不僅增加了維修費用，而且還可能帶來安全隱患。

同時，目前我國傳統(tǒng)的噴灌方式及排水方式存在著不合理的設(shè)計[4]，無法達到預(yù)期的效果。比如，排水槽的理想設(shè)計是將滿溢的灌溉水或自然雨水通過盆栽下方的排水管排出，這樣就可以防止污水灑落到橋下，對橋面產(chǎn)生二次污染，但橋面上的塵土、樹葉等固體物質(zhì)會隨機落入排水槽[5]，造成排水槽堵塞，導(dǎo)致排水系統(tǒng)出現(xiàn)故障，最后導(dǎo)致污水無法排出[6]。

為了解決目前高架橋花箱在綠化容器、固定結(jié)構(gòu)、排水灌溉三方面不足，設(shè)計了基于“雨水花園”系統(tǒng)的自我維持式花箱應(yīng)運而生，能夠有效解決現(xiàn)有花箱不可拆卸的問題，達到節(jié)水以及避免橋下二次污染的目的。旨在通過對該花箱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和新技術(shù)應(yīng)用，更好地服務(wù)于當代城市綠化事業(yè)，為高架花箱設(shè)計提供新的解決方案。

2 “雨水花園”相關(guān)概念

2.1 “海綿城市”概念

海綿城市，又稱“低影響開發(fā)”，是一類新興的城市綠化設(shè)計理念，強調(diào)在綠色城建中將優(yōu)先利用植草溝、滲水磚、雨水花園、下沉式綠地等“海綿”措施來組織排水，以“慢排緩釋”和“源頭分散”控制[14]為主要規(guī)劃設(shè)計理念，減少了內(nèi)澇,又合理地收集了降雨[7]。

2.2 “雨水花園”概念

雨水花園利用淺凹處的綠色來收集和吸收雨水，利用植物和沙子的過濾，把雨水緩慢地排到土壤中，以保持地下水的供應(yīng)，或者作為城市缺水的水源，為雨洪調(diào)控和雨水利用提供了一種生態(tài)可持續(xù)的設(shè)施[8]。

雨水花園作為近年來新興的雨洪管理手段，在節(jié)約型園林中得到了廣泛的使用。類似于海綿城市，通過收集雨水進行資源化處理，以實現(xiàn)雨水的可持續(xù)利用[9]。

2.3 “雨水花園”結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的雨水花園由內(nèi)而外一般為礫石層、砂層、種植土壤層、覆蓋層和蓄水層(圖1)。同時設(shè)有穿孔管收集雨水，溢流管以排除超過設(shè)計蓄水量的積水[10]。

3 箱體“雨水花園化”改造主要內(nèi)容

3.1 蓄排水系統(tǒng)設(shè)計

該自我維持式花箱的蓄排水系統(tǒng)由節(jié)水裝置和排水裝置組成。節(jié)水裝置包括土壤結(jié)構(gòu)、滲灌管、保水劑和儲水裝置等；排水裝置包括排水管、微傾排水斜面等。

圖1 傳統(tǒng)“雨水花園”結(jié)構(gòu)

3.1.1 雨水花園系統(tǒng)應(yīng)用

雨水花園作為近年來新興的雨洪管理手段，被廣泛應(yīng)用于節(jié)約型園林中。

因此，在傳統(tǒng)雨水花園土壤模式的基礎(chǔ)上，本課題組對于花箱的內(nèi)部土壤結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。保留了傳統(tǒng)且必要的植被層、輕質(zhì)培養(yǎng)土、過濾層、排水層，進而在過濾層和排水層間加入保溫保肥、改善土壤結(jié)構(gòu)、促進植物生長發(fā)育的保水劑。

并且，考慮到過濾水的二次利用問題，設(shè)計了一個微傾斜面將過濾后的水通過滲透口下滲聚集至排水管，以便于將來的二次利用。雨水花園技術(shù)在本花箱的雨水收集裝置和土壤層結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，將最大程度地達到綠色、生態(tài)、可持續(xù)的效果。

3.1.2 雨水花園優(yōu)化設(shè)計

在傳統(tǒng)意義上的雨水花園土壤結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本課題組還將其進行生態(tài)優(yōu)化，通過增加生態(tài)蓄水的保水劑的應(yīng)用，通過其在不同干濕環(huán)境反應(yīng)下的反復(fù)釋水吸水行為，以平衡生態(tài)土壤的蓄排水問題。

如圖2所示，具體花箱蓄排水系統(tǒng)設(shè)計如下：

鼓形外殼 (1)內(nèi)部設(shè)置有節(jié)水裝置，節(jié)水裝置包括一組滲灌管(4)和一組排水管(5)；滲灌管4位于放置于花箱中的植物根系處，植物根系處還放置有土壤及保水劑，土壤的底部設(shè)置有排水管，排水管與土壤底部的銜接處設(shè)置有一組傾斜板(6)，傾斜板與水平面的夾角為2°～10°，保證土壤底部滲出的水分通過傾斜板(6)滑入排水管(5)中即可。

圖2 花箱正面透視

滲灌管(4)上設(shè)置有一組滲灌管孔(4-1)，滲灌管4通過低壓管道外接灌溉系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的高架橋垂直綠化在給水設(shè)計上，采用的方式是繁瑣的人工澆灌，不僅綠養(yǎng)護化難同時浪費了財力和人力，且可能會給橋下公共區(qū)域造成不必要的影響。滲灌被認為是一種較為節(jié)水的灌溉技術(shù)，本設(shè)計采取的是地下微灌技術(shù)——通過低壓管道輸水，再通過埋于植物根系層的滲灌管孔灌溉[8]，按照植物的需水量按時定量地向泥土中滲水提供給植物。此方法不僅節(jié)水，并且這種定量定時的方式更易于保證水分的穩(wěn)定供應(yīng)。

排水管5上設(shè)置有一組排水管孔(5-1)，土壤底部滲出的水分通過傾斜板(6)滑入排水管(5)的排水管孔(5-1)中。

排水管(5)外接排水系統(tǒng)，排水系統(tǒng)與灌溉系統(tǒng)連接。對水資源進行二次利用，進一步提高了節(jié)水效率。

3.2 植物設(shè)計

高架橋的綠化需要考慮到當?shù)氐臈l件，引入適合氣候條件的花卉、樹木等，并依據(jù)其在成長過程中的表現(xiàn)形式，既增加了觀賞性，又增加了園林的設(shè)計效果，因此，抗逆性強、不需要養(yǎng)護、不積塵、抗污染的植物就成了首選[15]。

因此，根系發(fā)達、生長迅速、莖葉肥大的植株能夠更好地滿足污水處理的高要求，故在雨水花園中，選擇合適的植物是一個很重要的指標。

本課題組初步選定了符合以上條件，并且從生存能力強的云南黃馨、五葉地錦及小葉黃楊定為適配自我維持式花箱的植物。

4 自我維持式花箱其他設(shè)計內(nèi)容

4.1 箱體外觀設(shè)計及材料選擇

如圖3所示，該花箱整體設(shè)計成鼓形，該結(jié)構(gòu)能使得其與墻體的接觸面積不變，但容積變大，可容納足夠的土壤及基質(zhì)養(yǎng)分，滿足植物的日常生長需求。且流線型的弧形設(shè)計減少了風阻系數(shù)，能有效地在高架橋上風吹日曬的惡劣環(huán)境下使用更長的時間。

目前市面上的花箱外殼多采用PVC材質(zhì)，其擁有耐腐蝕、不易變形、牢固耐用、節(jié)水抗旱的優(yōu)點，但是存在抗劃傷性差，價格昂貴的問題。因此對于本花箱，設(shè)計上采用了稻谷殼和塑料合制的混合材料，這種材料不易變形且具有保溫隔熱的作用；另外，稻谷殼屬于農(nóng)業(yè)廢料，有防火、防蛀、防霉的效果[9]。獲取途徑容易，綠色環(huán)保，可以做到廢料的二次利用。

傳統(tǒng)的花箱由于材質(zhì)問題，很容易造成光污染，以致司機產(chǎn)生眩暈感而影響駕駛。考慮到行車安全問題，設(shè)計特地將鼓形外殼的外表面涂刷防反光材料，以避免高架橋上司機在行駛過程中由于車輛行駛速度較快，而發(fā)生交通意外。

圖3 花箱箱體外觀

4.2 箱體固定結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.2.1 固定結(jié)構(gòu)存在的問題分析

對于目前市面上的固定結(jié)構(gòu)問題，有以下幾點[6]；①固定結(jié)構(gòu)與空氣接觸面積大，易發(fā)生銹蝕，影響美觀；②容器與結(jié)構(gòu)間缺少固定件，植物蓬徑變大后遇強風，易挪動，箱體有墜落可能,存在安全隱患[6]；③整體用鋼量大，焊點多，制作繁瑣且困難[6]；④鋼結(jié)構(gòu)后期維護量大，成本高。

4.2.2 主要結(jié)構(gòu)示意

該花箱的固定安裝結(jié)構(gòu)如圖4所示，其包括位于鼓形外殼(1)上方的懸臂卡扣(2)和位于鼓形外殼(1)下方的承重插板(3)。

圖4 花箱側(cè)面透視圖

所述懸臂卡扣包括設(shè)置在鼓形外殼背面的可拆卸移動的凸角鋼(2-1)，以及固定在墻體(7)上相應(yīng)的凹角鋼(2-2)，所述凸角鋼(2-1)和凹角鋼(2-2)卡扣連接。其中，所述凸角鋼可在與地面水平位置方向上移動，作為“榫舌”插入榫肩形成的榫眼中，目的是加固以及方便拆卸。

所述承重插板包括設(shè)置在墻體上的承重板(3-2)以及位于花箱內(nèi)部的承重板槽(3-1)，當需要安裝時，將承重板(3-2)插入承重板槽(3-1)內(nèi)部，用以承重。

4.2.3 工作原理

為了達到花箱所設(shè)想的穩(wěn)固、可拆卸的要求，設(shè)計增加了提高花箱操作便利性及穩(wěn)固性的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要依靠懸臂卡扣兩兩連接箱體。

其中，用于固定凸角鋼的不銹鋼物件為箱栓，其目的是防止凸角鋼發(fā)生意外移動，從而影響整體箱體的固定，同時避免安全事故的發(fā)生。懸臂卡扣的中部有一個活動插銷，用于固定鎖扣。

5 在現(xiàn)實高架橋的應(yīng)用

5.1 應(yīng)用形式

該自我維持式花箱的主要應(yīng)用場景是高架橋(高架設(shè)計效果如圖5、6所示)，設(shè)計創(chuàng)新性地將花箱利用懸臂卡扣的技術(shù)固定在高架橋上。并且，在一定條件下，也可以通過懸臂卡扣結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)花箱的可移動性。

與傳統(tǒng)的花箱相比，該設(shè)計的優(yōu)勢有以下3點：

(1)花箱整體設(shè)計成鼓形結(jié)構(gòu)能夠使得其與墻體的接觸面積不變，但容積變大，可容納足夠的土壤及基質(zhì)養(yǎng)分，滿足植物的生長需求。且流線型弧形外觀設(shè)計可有效削減風阻系數(shù)。

(2)通過凹凸角鋼構(gòu)成懸臂卡扣在安全固定的基礎(chǔ)上方便了花箱的拆卸，避免了以往夜間換箱的危險。

(3)采用排水管道取代排水槽，可以將多余的灌水和雨水排出，這樣就不會造成廢水從排水槽里直接流入橋下造成二次污染。

圖5 高架花箱設(shè)計效果一

圖6 高架花箱設(shè)計效果二

同時，除了將高架橋作為其主要應(yīng)用場景外，該花箱還可應(yīng)用于擋土墻、城市主要道路等場景。

5.2 應(yīng)用價值

5.2.1 循環(huán)自持價值

設(shè)計通過收集雨水的灌溉系統(tǒng)和優(yōu)化雨水花園土壤的蓄排水系統(tǒng)構(gòu)成了一個花箱獨立的循環(huán)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)其自我維持的能力。將自我維持性的概念用于商業(yè)項目，可有效減少生長箱的后期維護費用和破損更換費用，其綠色生態(tài)的能力也將大大增強，同時減少高架交通帶來的空氣污染和噪音污染，符合建設(shè)美麗中國的要求、可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略和環(huán)境保護主義的思想[10]。在作為商業(yè)綠化箱的同時，能夠充當特色的小景點，形成高架橋兩側(cè)道路上的優(yōu)美景觀，也有助于駕駛員緩解疲勞，感受清新自然的魅力。

5.2.2 生態(tài)可持續(xù)價值

首先，該花箱設(shè)計選取的植物多為高架橋常用植物，適應(yīng)能力強，能降噪除塵、清新空氣；其次，箱體的收集結(jié)構(gòu)可截留部分雨水以便二次利用，大大提高了水的利用效率，同時也有助于緩解城市的熱島效應(yīng)。最后，花箱采取的皆為新型環(huán)保材料，也可達到生態(tài)可降解的目標。

綜上所述，該自我維持式花箱可以高效地促進高架橋上的的空氣循環(huán)、植被生長，能調(diào)節(jié)局部小氣候、吸附噪音和改善調(diào)節(jié)灌溉水帶來的二次污染。該設(shè)計有望發(fā)展為城市特色，從細微之處打動人心，有助于構(gòu)建出富有層次和生命力的生態(tài)生長箱。

5.2.3 安全價值

傳統(tǒng)的高架花箱由于材質(zhì)問題，很容易引起光污染。該設(shè)計在花箱外表面涂抹一層防反光材料，避免高架橋上司機在行駛過程中由于反光發(fā)生交通意外，增加了司機的行車安全性。

6 結(jié)論與討論

本文從外觀設(shè)計、固定結(jié)構(gòu)設(shè)計、蓄排水系統(tǒng)設(shè)計以及實際應(yīng)用4個方面論述了一種基于“雨水花園”系統(tǒng)的自我維持式花箱。首先利用循環(huán)節(jié)水裝置對傳統(tǒng)生長箱進行改進，進一步定義了自我維持式高架生長箱的概念。同時，借鑒雨水花園技術(shù)，將其運用于花箱的雨水收集裝置和土壤層結(jié)構(gòu)中，以達到綠色生態(tài)的效果，在現(xiàn)代高架的特殊困境中創(chuàng)造出融合生態(tài)、循環(huán)、安全三要素的積極環(huán)境。

但該自我維持性花箱也有其局限性,主要是在材料選擇方面?，F(xiàn)有可選擇的生態(tài)材料都有一個共性問題——成品花箱重量過重,具有一定的安全隱患。

因此,未來需進一步優(yōu)化該方案的結(jié)構(gòu)和材料選擇,并在實踐中繼續(xù)探索其廣泛適用性、生態(tài)維持性等問題?？傮w而言,目前該自我維持花箱在當前高架環(huán)境具有廣闊的應(yīng)用前景,并對未來高架綠化新產(chǎn)業(yè)的開發(fā)具有借鑒意義。