基于雨水花園系統的自我維持式花箱設計

李若男，李 穎，邱 潔，嚴思語

(安徽農業大學 林學與園林學院，安徽 合肥 230036)

1 引言

城市高架橋系統主要承擔了市政交通、人群的空間流轉職能，是組成市政體系中基礎設施建設的重要一環。城市現存的高架橋綠化形式主要依據綠化位置進行分類，現存的有橋面綠化、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[2]。

經調查，目前高架橋上所用的花盒多為聚氯乙烯及其他復合材料，其輕薄的容器殼易發生變形，無法達到保溫隔熱效果，不利于植物在不同季節的氣候變化，特別是在寒冷地區。此外，由于箱體體積太小，箱內空間受限，而箱體所容納的土壤和基質營養也十分有限，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構，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，目前我國傳統的噴灌方式及排水方式存在著不合理的設計[4]，無法達到預期的效果。比如，排水槽的理想設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，對橋面產生二次污染，但橋面上的塵土、樹葉等固體物質會隨機落入排水槽[5]，造成排水槽堵塞，導致排水系統出現故障，最后導致污水無法排出[6]。

為了解決目前高架橋花箱在綠化容器、固定結構、排水灌溉三方面不足，設計了基于“雨水花園”系統的自我維持式花箱應運而生，能夠有效解決現有花箱不可拆卸的問題，達到節水以及避免橋下二次污染的目的。旨在通過對該花箱系統的結構優化和新技術應用，更好地服務于當代城市綠化事業，為高架花箱設計提供新的解決方案。

2 “雨水花園”相關概念

2.1 “海綿城市”概念

海綿城市，又稱“低影響開發”，是一類新興的城市綠化設計理念，強調在綠色城建中將優先利用植草溝、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]為主要規劃設計理念，減少了內澇,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，或者作為城市缺水的水源，為雨洪調控和雨水利用提供了一種生態可持續的設施[8]。

雨水花園作為近年來新興的雨洪管理手段，在節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，以實現雨水的可持續利用[9]。

2.3 “雨水花園”結構

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

3 箱體“雨水花園化”改造主要內容

3.1 蓄排水系統設計

該自我維持式花箱的蓄排水系統由節水裝置和排水裝置組成。節水裝置包括土壤結構、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“雨水花園”結構

3.1.1 雨水花園系統應用

雨水花園作為近年來新興的雨洪管理手段，被廣泛應用于節約型園林中。

因此，在傳統雨水花園土壤模式的基礎上，本課題組對于花箱的內部土壤結構進行了優化設計。保留了傳統且必要的植被層、輕質培養土、過濾層、排水層，進而在過濾層和排水層間加入保溫保肥、改善土壤結構、促進植物生長發育的保水劑。

并且，考慮到過濾水的二次利用問題，設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。雨水花園技術在本花箱的雨水收集裝置和土壤層結構中應用，將最大程度地達到綠色、生態、可持續的效果。

3.1.2 雨水花園優化設計

在傳統意義上的雨水花園土壤結構的基礎上，本課題組還將其進行生態優化，通過增加生態蓄水的保水劑的應用，通過其在不同干濕環境反應下的反復釋水吸水行為，以平衡生態土壤的蓄排水問題。

如圖2所示，具體花箱蓄排水系統設計如下：

鼓形外殼 (1)內部設置有節水裝置，節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，土壤的底部設置有排水管，排水管與土壤底部的銜接處設置有一組傾斜板(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。

傳統的高架橋垂直綠化在給水設計上，采用的方式是繁瑣的人工澆灌，不僅綠養護化難同時浪費了財力和人力，且可能會給橋下公共區域造成不必要的影響。滲灌被認為是一種較為節水的灌溉技術，本設計采取的是地下微灌技術——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。此方法不僅節水，并且這種定量定時的方式更易于保證水分的穩定供應。

排水管5上設置有一組排水管孔(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，排水系統與灌溉系統連接。對水資源進行二次利用，進一步提高了節水效率。

3.2 植物設計

高架橋的綠化需要考慮到當地的條件，引入適合氣候條件的花卉、樹木等，并依據其在成長過程中的表現形式，既增加了觀賞性，又增加了園林的設計效果，因此，抗逆性強、不需要養護、不積塵、抗污染的植物就成了首選[15]。

因此，根系發達、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計內容

4.1 箱體外觀設計及材料選擇

如圖3所示，該花箱整體設計成鼓形，該結構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養分，滿足植物的日常生長需求。且流線型的弧形設計減少了風阻系數，能有效地在高架橋上風吹日曬的惡劣環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，其擁有耐腐蝕、不易變形、牢固耐用、節水抗旱的優點，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，稻谷殼屬于農業廢料，有防火、防蛀、防霉的效果[9]。獲取途徑容易，綠色環保，可以做到廢料的二次利用。

傳統的花箱由于材質問題，很容易造成光污染，以致司機產生眩暈感而影響駕駛。考慮到行車安全問題，設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，而發生交通意外。

圖3 花箱箱體外觀

4.2 箱體固定結構設計

4.2.1 固定結構存在的問題分析

對于目前市面上的固定結構問題，有以下幾點[6]；①固定結構與空氣接觸面積大，易發生銹蝕，影響美觀；②容器與結構間缺少固定件，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鋼結構后期維護量大，成本高。

4.2.2 主要結構示意

該花箱的固定安裝結構如圖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 花箱側面透視圖

所述懸臂卡扣包括設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置在墻體上的承重板(3-2)以及位于花箱內部的承重板槽(3-1)，當需要安裝時，將承重板(3-2)插入承重板槽(3-1)內部，用以承重。

4.2.3 工作原理

為了達到花箱所設想的穩固、可拆卸的要求，設計增加了提高花箱操作便利性及穩固性的結構，該結構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生。懸臂卡扣的中部有一個活動插銷，用于固定鎖扣。

5 在現實高架橋的應用

5.1 應用形式

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

與傳統的花箱相比，該設計的優勢有以下3點：

(1)花箱整體設計成鼓形結構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養分，滿足植物的生長需求。且流線型弧形外觀設計可有效削減風阻系數。

(2)通過凹凸角鋼構成懸臂卡扣在安全固定的基礎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 高架花箱設計效果一

圖6 高架花箱設計效果二

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

5.2 應用價值

5.2.1 循環自持價值

設計通過收集雨水的灌溉系統和優化雨水花園土壤的蓄排水系統構成了一個花箱獨立的循環網絡，實現其自我維持的能力。將自我維持性的概念用于商業項目，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，符合建設美麗中國的要求、可持續發展的戰略和環境保護主義的思想[10]。在作為商業綠化箱的同時，能夠充當特色的小景點，形成高架橋兩側道路上的優美景觀，也有助于駕駛員緩解疲勞，感受清新自然的魅力。

5.2.2 生態可持續價值

首先，該花箱設計選取的植物多為高架橋常用植物，適應能力強，能降噪除塵、清新空氣；其次，箱體的收集結構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。最后，花箱采取的皆為新型環保材料，也可達到生態可降解的目標。

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、植被生長，能調節局部小氣候、吸附噪音和改善調節灌溉水帶來的二次污染。該設計有望發展為城市特色，從細微之處打動人心，有助于構建出富有層次和生命力的生態生長箱。

5.2.3 安全價值

傳統的高架花箱由于材質問題，很容易引起光污染。該設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生交通意外，增加了司機的行車安全性。

6 結論與討論

本文從外觀設計、固定結構設計、蓄排水系統設計以及實際應用4個方面論述了一種基于“雨水花園”系統的自我維持式花箱。首先利用循環節水裝置對傳統生長箱進行改進，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，將其運用于花箱的雨水收集裝置和土壤層結構中，以達到綠色生態的效果，在現代高架的特殊困境中創造出融合生態、循環、安全三要素的積極環境。

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。現有可選擇的生態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,未來需進一步優化該方案的結構和材料選擇,并在實踐中繼續探索其廣泛適用性、生態維持性等問題。總體而言,目前該自我維持花箱在當前高架環境具有廣闊的應用前景,并對未來高架綠化新產業的開發具有借鑒意義。