绿化城市中心:花园围栏内的城市屋顶排水系统

哥本哈根漂亮的柳树篱隐藏着一个秘密:它实际上是一个可持续的城市排水系统(SUDS),将附近公寓楼屋顶收集的雨水分散开来。一个协作模拟驱动的设计过程将这个基础设施变成了一个城市设施,保护社区花园,减轻噪音污染,并帮助防止频繁的雨水溢出城市排水系统。


艾伦·佩特里洛

2021年7月

“城市的绿色部分是珍贵的,”哥本哈根大学风景园林与规划教授Marina Bergen Jensen说。他们也经常处于压力之下。我们要求这些经常被忽视的地块帮助管理空气质量、噪音污染和排水,即使我们希望它们成为自然美景和宁静的绿洲。为了充分利用这一重要的城市空间,詹森教授领导了一个项目,开发了一种新型的基础设施:一个木质的“绿色屏障”,保护和增强人口稠密的哥本哈根社区,并提供一个巧妙的系统来分散附近屋顶的雨水径流。

与城市本身非常相似,城市绿屏是一个迷人的元素组合,这些元素组合在一起可用于多种用途。和城市生活一样,它也是由众多的人和组织共同创造的,每个人都为最终的项目贡献了自己独特的才能。一个由工程师、建筑师和公民利益相关者组成的团队以詹森教授对更宜居、可持续城市的愿景为指导。由此产生的概念可以使任何一个社区受益,在那里,人们与建筑物、汽车和基础设施共享宝贵的生活空间。

“城市生活的整体人文视角”

令人惊讶的是,詹森教授的博士课程不是建筑学或城市规划。“我的背景是土壤科学和水化学,以及土壤、水、植物和微生物之间的相互作用,”她说。“但城市地区已成为我的研究领域,因此我与规划师和景观设计师合作。我的职业生涯是围绕着城市生活的整体人类视角展开的。”

在哥本哈根(图1),这个观点必须包含在密集发展的环境中频繁的降雨。大多数城市雨水落在屋顶、街道和其他不透水的“硬景观”表面,而不是渗入土壤。这些水通常由雨水沟收集,这意味着暴雨会淹没污水处理系统,有时雨水和废水混合会淹没城市街道。为了更好地管理这些风险,Jensen教授和她的同事致力于开发可持续的城市排水系统(SUDS)。

这是一张哥本哈根的简单地图,带有一个放大区域,包括Husum, Brønshøj, Vanløse和Valby。
图1所示。丹麦哥本哈根地区的鸟瞰图。插图显示了一个约有10万居民的地区。这一地区的雨水径流每年导致大约200条污水管道溢出到harreup河,然后排放到Kalveboderne河口,河口又排放到港口。

詹森教授解释说:“据估计,哥本哈根至少有50%的雨水径流来自屋顶。大部分雨水排入城市下水道,但不一定是这样。”。“我们应该能够模仿大自然自身的过程,让更多的水渗入地下或蒸发。”

把雨水从一个屋顶运到另一个屋顶

2013年,一个多学科团队开始为密集的哥本哈根社区开发一个为期5年的sud项目,这是一个政府发起的项目的一部分。他们提出了一个从屋顶排水沟和落水管收集雨水的解决方案,但从那里,与传统的城市排水系统的相似之处就结束了。该系统利用重力将雨水推到独立墙体结构的顶部,而不是流入下水道(图2)。换句话说,水从建筑的屋顶被移走,只会沉积在另一个结构的顶部。为什么?

公寓建筑的草图,蓝色箭头表示雨水从屋顶到城市绿色屏障的路径。
图2。雨水路径是哥本哈根住宅综合体的一部分。隐蔽管道将水从建筑物屋顶输送到隐藏在街道旁隔音屏障内的蒸发系统。图片由Emilia Danuta Lausen和Marina Bergen Jensen提供。

这个反直觉过程的目的是蒸发。就像水坑里的水最终会干涸一样,流经这个系统的大部分水也会蒸发(图3)。城市的绿色屏障结构就像一种垂直水坑,将水储存在地面以上,在那里,水可以通过蒸发作用分散。

这张图表显示了雨水如何从屋顶流下,进入管道,然后在地下流动,并与屏幕结构连接;雨水顺着建筑向上移动到排水沟,然后再向下蒸发到空气中,或在地下的盆地中消散。
图3。城市绿幕的水扩散系统示意图。重力将屋顶径流(1,2)推到屏幕结构(4)的顶部,在那里它沿着一个多孔水槽(3)流动。然后水从水槽排入吸收性矿物棉块,从那里蒸发到空气中。如果雨水超过了屏障的承受能力,多余的水就会被分流到一个由小土壤堤形成的地面盆地,从那里雨水可以渗入。图片由哥本哈根大学提供。

在重力将雨水推到结构顶部后,雨水沿着开放的穿孔水槽流动。一些水会流到屏幕内部,在那里被纤维“矿棉”块吸收。这种岩石材料经常被北欧国家用作保温隔热材料。在城市的绿色屏风中,它的功能就像海绵一样,从屋顶接收水,然后逐渐释放到空气中。如果矿棉块被大雨完全饱和,一些水会从结构的底部释放出来。这些多余的水被储存在一个充满土壤的室内,用于灌溉葡萄藤和其他装饰性植物。该植物计划的开发是为了确保茂盛的绿色植被支持生物多样性(如昆虫和鸟类)。

Kristoffer Ulbak是一名专注于水资源管理的土木工程师,他帮助指导了城市绿色屏障项目,他解释说:“该结构的设计是为了分散尽可能多的水,同时占用尽可能少的空间。”“我们还认为它可以解决的不仅仅是水的问题。它可以起到隔音屏障的作用,还可能吸收道路上的颗粒物污染。”此外,蒸发作用可以为人们创造一个凉爽的地方来降温,并以这种方式减少“城市热岛”的影响,在城市中,城市通常比周围的乡村要热得多。

围墙,而不是墙:需要一个相邻的城市分区

除了解决这些功能需求外,设计团队还必须考虑到“整体人类视角”,正如延森教授所描述的那样。一堵充满缓慢蒸发的水的高大坚实的墙可能会带来功能上的好处,但它在人们的前院里并不受欢迎。詹森教授解释说:“在项目早期,我们曾与居民会面。”。“他们中的一些人担心(屏幕)会让他们的社区感觉像一座监狱。”

从公寓楼前看到的城市绿屏;前景是一片郁郁葱葱的草地,背景是长满藤蔓的柳树篱笆。
图4。完成的城市绿化屏风和景观在密集的城市社区创造了一种花园般的氛围。(连接的建筑位于摄影师身后。)

居民们的担忧提醒人们,一个社区的“家具”必须作为建筑,而不仅仅是基础设施。这就是为什么城市绿屏的钢框架和矿棉块大部分是看不见的。它看起来像一个木制栅栏,而不是金属和砖石墙。屏幕上还配备了长椅和草地植被(图4)。两扇窗户可以看到街道,屏幕两端的一扇窗户为行人提供了安全保障,让他们在经过街角时可以看到周围发生的事情。实现这一设计,既满足水管理目标,又具有吸引力和结构健全,对项目团队来说是一个挑战。

“我是一名土木工程师,”乌尔巴克说。“关于如何蒸发水,我知道很多!”但我们必须解决其他问题。我们开会的时候,有人问:‘你们能不能建一面玻璃墙?他们担心看不见街道。但项目概要是建造一堵分散水的墙,而你不能从玻璃中蒸发太多的水,”他解释道。“这是我们遇到的一些障碍。每向前迈出一步都可能需要数月的反复思考才能找到更好的解决方案。”

隐藏排水系统的“柳树楼”

这时,咨询结构工程师和模拟专家Tim Larsen加入了这个项目。他在基础设施项目方面的技能和经验帮助团队解决了绿屏的多重挑战。“当我第一次加入这个项目时,有很多想法摆在桌面上。他们向我展示了一些建筑图纸,如果有风,这些图纸就会倒塌。”拉森回忆道。“我提出了一个完整的钢结构,但我被告知,社区无法接受。于是我建议联系Pilebyg。”

左边是由藤蔓生长的柳树制成的隔音屏障,右边是正在施工的Pilebyg团队。
图5。左边是丹麦高速公路上的Pilebyg隔音屏障。右图,Vibe Gro和她的团队正在安装新颖的绿屏结构。礼貌Pilebyg图像。

Pilebyg的名字结合了丹麦单词“柳树”和“建筑”,他们已经用柳树建造创新建筑超过30年了。他们的过程包括培育柳树,使它们的树干长成相对均匀的曲线形状。收割后的树干可以被编织在由钢或其他类型的木材制成的支撑框架周围(图5)。特殊的处理使柳树外壳能够持续几十年,既保护结构,又帮助它补充景观。“你不会因为一棵树老了就说它丑,”Pilebyg的共同所有人、绿屏项目的项目经理Vibe Gro说。“我们提供了一个可以漂亮地老去的façade。”

模拟支持设计/构建过程

Pilebyg隔音屏障已经成为丹麦高速公路上常见的景象,但该公司之前从未建造过隐藏排水/蒸发系统的围栏。为了将多种材料和功能组合成坚固和谐的结构,拥有土木工程硕士学位的Tim Larsen开发了设计(图6-8),然后使用COMSOL Multiphysics进行分析®软件(图9)。

城市绿屏渲染设计。
图6。城市绿屏的最终设计说明。钢基础和结构框架支撑着柳树护套矿棉块和屋顶/天沟组件。图片由TL-Engineering。

乌尔巴克解释说:“这很有趣,因为当我们开始这个项目时,Tim并不是项目的一部分,但他的工作对我们达成可行的解决方案至关重要。”他把模拟的使用比作看制作一套玩具的指令;项目涉众能够查看模拟结果,并告诉他们项目的所有部分是如何组合在一起的。

Tim Larsen使用模拟来确保结构足够强大,能够适应哥本哈根的气候。结构分析有助于验证它能够承受风压,水通过其多孔的外部流动产生的不同载荷,以及水饱和其矿棉芯。

城市绿屏几何图形的详细视图,带有标记部件和测量值。
图7。城市绿屏的模型几何。图像工程。
近景的城市绿色屏幕模型的顶部几何。
近景的城市绿色屏幕的底部模型几何。
图8。不同视角的城市绿屏模型用于几何计算。礼貌TL-Engineering图像。
6个模型结果显示了预应力螺栓、风荷载和恒荷载在彩虹色表中。
图9。结果来自城市屏风的应力分析。模型图片由TL-Engineering提供。

拉森说:“像这样的结构涉及到很多材料,微小的变化会产生很大的影响。顶部的一点悬挑看起来不太像,但当它充满水时,会产生很大的弯曲力矩,特别是在刮风的时候。”。

随着项目接近完成,COMSOL模型的图像与其他利益相关者共享。向建造该建筑的工作人员提供的相同示意图也有助于向提供资金的组织解释。“模拟是一种分析工具,也支持了我们的设计讨论,现在它帮助我们向其他人推广这个概念,”克里斯托弗·乌尔巴克说。

播下种子,培育更多绿色屏障

经过大约6年的发展,2019年在哥本哈根安装了城市绿屏(图10)。完成的结构解决了每个对其设计做出贡献的人的优先事项,包括那些更喜欢玻璃屏障的人。一系列的垂直窗户在柳树覆盖的表面提供了视觉上的休息,并增加了“街道上的眼睛”,以帮助确保附近的安全。

城市绿屏的建筑工地,左边是裸露的地面,右边是生长在前景中的矢车菊。
图10。2019年(左图)和2020年(右图)已完工的城市绿地。注意垂直玻璃窗和屏幕与建筑之间原生植物的出现。

到目前为止,该结构在为居民驱散湿气和消弭交通噪音方面取得了成功(图11)。詹森教授说:“当你从街道移动到屏幕上的住房一侧时,就像进入了天堂。”尽管全球COVID-19大流行和其他因素使详细研究该设施的努力变得复杂,但各利益攸关方的反应都是积极的。詹森教授,符合她的学术观点,想要做更多的研究,然后宣布它是成功的。

“我们认为,住宅一侧的空气质量更好,蒸发冷却应该有助于减少‘城市热岛’效应。我们需要更多的测试来证实这一点,”她说。“还有感知的问题。我们想要监控人们如何使用空间,并采访每天与该结构生活在一起的居民。”

城市绿幕鸟瞰图,左边是街道,中间是绿地,右边是公寓楼。
柳树、矿棉和绿色藤蔓爬上建筑的特写镜头。
一个人沿着街道旁边的城市绿幕走着。
图11。完成结构的俯视图(左)和柳树鞘上攀缘植物的特写(中)。结构内部可见分散水的矿棉块。城市绿屏的街道侧视图显示在右侧。

尽管该项目还有待进一步跟进,但已经有一些明显的证据表明绿屏已被接受:它不会吸引涂鸦。Pilebyg的Vibe Gro对此并不惊讶。她说:“我们的建筑经常位于被破坏的区域,但人们在树木周围的行为似乎不一样,即使它们是作为建筑的一部分安装的。”“我们有一个雨水解决方案,解决了噪音问题,这是一个人们感到舒适的结构,”Gro说。“在丹麦语中我们说,‘它一击就能干掉两只苍蝇!’”