绿化城市中心：花园式城市屋顶排水系统设计
在丹麦哥本哈根，美丽的柳树栅栏内隐藏着一个用于分散周围公寓楼屋顶雨水的可持续城市排水系统。通过协作式仿真驱动设计流程，这个设想已经成为一个美化城市的基础设施，不仅可以保护街区花园、减轻噪声污染，并有助于防止频繁的降雨溢出城市排水系统。
作者 Alan Petrillo
2021 年 7 月
“城市中的绿色植被是宝贵的，”哥本哈根大学（University of Copenhagen）景观建筑与规划教授 Marina Bergen Jensen 介绍，“它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、噪声污染和排水系统，甚至希望它们成为自然美景和平静的绿洲。”为了充分利用这个重要的城市空间，Jensen 教授领导开发了一个新的基础设施项目：一个木覆板的“绿色屏障”，用于保护和改善人口密集的哥本哈根社区，并提供了一个巧妙的系统以分散来自附近屋顶径流的雨水。
就像城市本身一样，城市绿色屏障是一个多元素和多用途的迷人组合；就像城市生活一样，城市绿色屏障是由很多人和组织参与创造的，并且各自都为最终的项目贡献了与众不同的才能。由工程师、建筑师和公民利益相关者组成的团队在Jensen 教授的更宜居、可持续城市愿景指导下工作，得益于这一理念，社区的每个人都可以与建筑物、汽车和基础设施共享宝贵的生活空间。
“城市生活的整体人类视角”
或许你会感到吃惊，Jensen 教授的博士研究方向并不是建筑学或城市规划。“我研究的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，” 她说道，“但是，现在我的研究领域已经转向城市，所以我和规划师及景观设计师们一起工作。我的职业建立在围绕整体人类视角的城市生活之上。”
在丹麦哥本哈根地区（图1），这一视角必须包含高度开发的环境中的频繁降雨。大多数城市雨水会落在屋顶、街道和不透水的“人造景观“表面，而不是渗入土壤。这些雨水通常由雨水渠收集，这意味着暴雨有时候会淹没污水处理系统，雨水和污水的混合物甚至会淹没城市街道。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城市排水系统 (sustainable urban drainage systems，SUDS)。
“据估计，哥本哈根的所有雨水径流中至少有 50% 来自屋顶。大部分水都被排入城市下水道，但并非必须如此。” 詹森教授解释说，“我们应该有可能模仿大自然自身的过程，让更多的水渗入地下或蒸发。”
将雨水从一个屋顶运输到另一个屋顶
作为政府资助计划的一部分，一个多学科团队于 2013 年为密集的哥本哈根社区开发了一个为期五年的可持续城市排水系统计划。他们提出了一种从屋檐沟与雨水管收集雨水的解决方案。新的排水系统有别于传统的城市排水系统，不是向下流入下水道，而是利用重力将雨水推送到独立式墙壁结构的顶部（图2）。换句话说，水是从建筑物的屋顶流出，然后被留存在不同结构的顶部。为什么？
建立这个反直觉过程的目的是蒸发。正如水坑中的水最终会干涸一样，通过该系统的大部分水也会蒸发（图3）。城市绿化屏障结构就像一个垂直的水坑，将水保持在地面上，并通过蒸发作用将水分散。
雨水在重力的作用下被推到屏障结构顶部后，会沿着一个开放的多孔排水沟流动。一些水会向下流入屏障主体，并被纤维状矿物棉块吸收。这种岩石基质材料通常在北欧国家被用作保温隔热材料；而在城市绿化屏障中，它起到海绵的作用，用于吸收来自屋顶的水，并将它们逐渐释放到空气中。如果矿物棉块被大雨完全浸透，多余的水将从结构底部释放，并被收集在一个土壤填充区，用于灌溉葡萄藤和其他装饰性植物。制订种植计划是为了确保茂盛的绿色植被，以支持生物多样性（例如昆虫和鸟类）。
“这种结构旨在尽可能少地占用空间，并分散尽可能多的水。” Kristoffer Ubak 解释道。他是一名专注于水管理的土木工程师，帮助指导城市绿色屏障项目。“我们还认为，这不仅仅是水问题的解决方案。它还充当了隔音屏障，并有可能会吸收道路上的微粒污染物。”他介绍说。此外，植物的蒸腾作用可以创造一个凉爽的地方供人们纳凉，而且这种方式还能减轻“城市热岛”效应的影响，这种效应是导致城市通常比周围的乡村要热得多的主要原因。
栅栏，而不是墙：睦邻城市分区的需求
除了满足这些功能需求外，设计团队还必须考虑 Jensen 教授描述的“整体人类视角”。充满缓慢蒸发水的高大实心墙可能会有益于排水功能，但它在人们的前院并不受欢迎。“我们在项目初期就曾与居民会谈过，” Jensen教授解释说，“他们中的一些人担心[实心墙屏障]会让他们的社区感觉像一座监狱。”
居民的担忧提醒人们，社区的“家具”必须起到建筑的作用，而不仅仅是基础设施，这就是城市绿色屏障的钢架和矿物棉块大多被隐藏的原因。它看起来像一个木栅栏，而不是金属和砖石墙，屏障还配备了长椅和草地植被（图4）。透过屏障中的两扇窗户可以看到街道，而屏障两端的窗户可以为行人提供安全保障，方便他们在经过时可以看到拐角处的情况。实现这种既满足水管理目标又兼具吸引力和结构合理性的设计，对项目团队来说是一项挑战。
“我是一名土木工程师，” Ulbak 说道，“我懂得很多关于如何蒸发水的知识，但我们必须解决其他问题。“ 开会时，有人提出：你能不能只搭一面玻璃墙？他们担心看不到街道，但项目的要点是制作一堵可以分散水的墙，而玻璃不能蒸发大量的水。“这些是我们遇到的一些阻碍，向前迈出的每一步都可能需要数月的时间才能找到更好的解决方案。” 他解释道。
隐藏排水系统的“柳楼”
这时，咨询结构工程师和仿真专家 Tim Larsen 加入了该项目，他在基础设施项目方面的技能和经验帮助团队解决了绿色屏障遇到的多重挑战。“在我第一次加入这个项目前，团队已经提出了很多想法。在他们向我展示的一些设计建筑图纸中，有些结构遇到刮风就无法站立。” Larsen 回忆道。“我提出了一个使用完整钢结构的方案，但却被告知社区不能接受。这时，我建议联系 Pilebyg 。”
Pilebyg 的名字结合了丹麦语中的“柳树”和“建筑”，30 多年来，他们一直在用柳树建造新颖的结构。建造过程包括培育柳树，使柳树树干长成相对均匀的弯曲形状，然后将收获的树干编织在由钢或其他类型木材制成的支撑框架周围（图5）。特殊处理使柳树覆层能够持续数十年，既保护结构又帮助完善景观。 “你不会因为树太老就说它丑陋。” Pilebyg 的股东兼项目经理 Vibe Gro 说道，“我们提供了一个可以美丽地衰老的外观。”
仿真支持设计和构建过程
Pilebyg 隔音屏障已经成为丹麦高速公路沿线的常见设置，但该公司之前从未建造过隐藏排水/蒸发系统的栅栏。为了帮助将多种材料和功能组合成一个坚固又和谐的结构，拥有土木工程硕士学位的 Tim Larsen 开发了一些设计（图6-图8），然后使用 COMSOL Multiphysics®软件（图9）进行了分析。
“这很有趣，因为 Tim 在我们开始时并未参与该项目，但他的工作对于我们达成可行的解决方案至关重要。” Ulbak 解释道。他将仿真的作用比作查看制作一套玩具的说明；项目利益相关者够查看模拟结果并介绍他们项目中的所有部分是如何组合在一起的。
Tim Larsen 使用仿真来确保设计的结构足够坚固以适应哥本哈根的气候。结构分析有助于验证当结构承受风压、水流过其多孔介质外部以及水浸透矿物棉芯时所产生的不同载荷。
这种结构涉及多种材料，微小的变化都会产生很大的影响。“顶部的一点悬垂看起来并不多，但是当它充满水时，会产生一个沉重的弯曲力矩，尤其是在有风的时候。” Larsen 解释道。
随着项目竣工，使用 COMSOL 软件模拟的图像可以共享给其他利益相关者。这些图像也可以提供给建造该结构的工作人员，有助于他们向项目资助者解释项目的运行原理。“仿真是一种分析工具，支持我们进行设计讨论。现在，它还帮助我们推广这一建筑理念。”Kristoffer Ubak 说道。
为发展更多绿色屏障播种
经过大约 6 年的发展，城市绿色屏障于2019 年在哥本哈根安装完成（图 10）。这些结构满足为其设计做出贡献的每个人的想法，包括那些更喜欢玻璃制成的屏障的人。一系列垂直窗户在柳树覆盖表面提供了视觉隔断，并增加了“街道上的眼睛”，以帮助确保社区安全。
目前，该结构已经成功为居民分散了雨水并降低了交通噪声（图 11）。“当你从街道走到屏障的住宅一侧时，就像进入了天堂。” Jensen教授说道。尽管 COVID-19 的全球大流行和其他因素使得详细研究该装置的尝试变得复杂，但各利益相关者的反应是积极的。为了能够从学术观点加以阐释，Jensen 教授希望在宣布成功之前做更多的研究。
“我们认为栅栏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，”她说道，“还有认知问题。我们想跟踪调查人们如何使用这个空间，并采访每天与该结构一起生活的居民。”
即使该项目正在等待进一步推进，但已经有一些明显的证据表明绿色屏障被接受了：它不会吸引涂鸦。Pilebyg 公司的 Vibe Gro 并不感到惊讶。 “我们的建筑物通常位于遭到破坏的区域，但人们在树木周围的行为似乎有所不同，即使它们属于建筑物的一部分。” Gro 说道，“我们的雨水解决方案可以解决噪声问题，并且是一种让人感觉舒适的结构。就像丹麦谚语中所说的'一拳打死两只苍蝇！'”
了解更多关于 Pilebyg 的信息，请点击：https://pilebyg.dk/en/sound-barrier/