基于雨水花园系统的自我维持式花箱设计

李若男，李 颖，邱 洁，严思语

(安徽农业大学 林学与园林学院，安徽 合肥 230036)

1 引言

城市高架桥系统主要承担了市政交通、人群的空间流转职能，是组成市政体系中基础设施建设的重要一环。城市现存的高架桥绿化形式主要依据绿化位置进行分类，现存的有桥面绿化、桥柱绿化、桥荫绿化以及互通立交绿化[1]。其中，城市高架桥的桥面绿化主要是通过植物种植槽(箱体)实现[2]。

经调查，目前高架桥上所用的花盒多为聚氯乙烯及其他复合材料，其轻薄的容器壳易发生变形，无法达到保温隔热效果，不利于植物在不同季节的气候变化，特别是在寒冷地区。此外，由于箱体体积太小，箱内空间受限，而箱体所容纳的土壤和基质营养也十分有限，不能满足植物的正常生长[3]。

此外，目前的花箱和墙壁之间的固定结构，由于腐蚀、变形和脱焊等问题，不仅增加了维修费用，而且还可能带来安全隐患。

同时，目前我国传统的喷灌方式及排水方式存在着不合理的设计[4]，无法达到预期的效果。比如，排水槽的理想设计是将满溢的灌溉水或自然雨水通过盆栽下方的排水管排出，这样就可以防止污水洒落到桥下，对桥面产生二次污染，但桥面上的尘土、树叶等固体物质会随机落入排水槽[5]，造成排水槽堵塞，导致排水系统出现故障，最后导致污水无法排出[6]。

为了解决目前高架桥花箱在绿化容器、固定结构、排水灌溉三方面不足，设计了基于“雨水花园”系统的自我维持式花箱应运而生，能够有效解决现有花箱不可拆卸的问题，达到节水以及避免桥下二次污染的目的。旨在通过对该花箱系统的结构优化和新技术应用，更好地服务于当代城市绿化事业，为高架花箱设计提供新的解决方案。

2 “雨水花园”相关概念

2.1 “海绵城市”概念

海绵城市，又称“低影响开发”，是一类新兴的城市绿化设计理念，强调在绿色城建中将优先利用植草沟、渗水砖、雨水花园、下沉式绿地等“海绵”措施来组织排水，以“慢排缓释”和“源头分散”控制[14]为主要规划设计理念，减少了内涝,又合理地收集了降雨[7]。

2.2 “雨水花园”概念

雨水花园利用浅凹处的绿色来收集和吸收雨水，利用植物和沙子的过滤，把雨水缓慢地排到土壤中，以保持地下水的供应，或者作为城市缺水的水源，为雨洪调控和雨水利用提供了一种生态可持续的设施[8]。

雨水花园作为近年来新兴的雨洪管理手段，在节约型园林中得到了广泛的使用。类似于海绵城市，通过收集雨水进行资源化处理，以实现雨水的可持续利用[9]。

2.3 “雨水花园”结构

传统的雨水花园由内而外一般为砾石层、砂层、种植土壤层、覆盖层和蓄水层(图1)。同时设有穿孔管收集雨水，溢流管以排除超过设计蓄水量的积水[10]。

3 箱体“雨水花园化”改造主要内容

3.1 蓄排水系统设计

该自我维持式花箱的蓄排水系统由节水装置和排水装置组成。节水装置包括土壤结构、渗灌管、保水剂和储水装置等；排水装置包括排水管、微倾排水斜面等。

图1 传统“雨水花园”结构

3.1.1 雨水花园系统应用

雨水花园作为近年来新兴的雨洪管理手段，被广泛应用于节约型园林中。

因此，在传统雨水花园土壤模式的基础上，本课题组对于花箱的内部土壤结构进行了优化设计。保留了传统且必要的植被层、轻质培养土、过滤层、排水层，进而在过滤层和排水层间加入保温保肥、改善土壤结构、促进植物生长发育的保水剂。

并且，考虑到过滤水的二次利用问题，设计了一个微倾斜面将过滤后的水通过渗透口下渗聚集至排水管，以便于将来的二次利用。雨水花园技术在本花箱的雨水收集装置和土壤层结构中应用，将最大程度地达到绿色、生态、可持续的效果。

3.1.2 雨水花园优化设计

在传统意义上的雨水花园土壤结构的基础上，本课题组还将其进行生态优化，通过增加生态蓄水的保水剂的应用，通过其在不同干湿环境反应下的反复释水吸水行为，以平衡生态土壤的蓄排水问题。

如图2所示，具体花箱蓄排水系统设计如下：

鼓形外壳 (1)内部设置有节水装置，节水装置包括一组渗灌管(4)和一组排水管(5)；渗灌管4位于放置于花箱中的植物根系处，植物根系处还放置有土壤及保水剂，土壤的底部设置有排水管，排水管与土壤底部的衔接处设置有一组倾斜板(6)，倾斜板与水平面的夹角为2°～10°，保证土壤底部渗出的水分通过倾斜板(6)滑入排水管(5)中即可。

图2 花箱正面透视

渗灌管(4)上设置有一组渗灌管孔(4-1)，渗灌管4通过低压管道外接灌溉系统。

传统的高架桥垂直绿化在给水设计上，采用的方式是繁琐的人工浇灌，不仅绿养护化难同时浪费了财力和人力，且可能会给桥下公共区域造成不必要的影响。渗灌被认为是一种较为节水的灌溉技术，本设计采取的是地下微灌技术——通过低压管道输水，再通过埋于植物根系层的渗灌管孔灌溉[8]，按照植物的需水量按时定量地向泥土中渗水提供给植物。此方法不仅节水，并且这种定量定时的方式更易于保证水分的稳定供应。

排水管5上设置有一组排水管孔(5-1)，土壤底部渗出的水分通过倾斜板(6)滑入排水管(5)的排水管孔(5-1)中。

排水管(5)外接排水系统，排水系统与灌溉系统连接。对水资源进行二次利用，进一步提高了节水效率。

3.2 植物设计

高架桥的绿化需要考虑到当地的条件，引入适合气候条件的花卉、树木等，并依据其在成长过程中的表现形式，既增加了观赏性，又增加了园林的设计效果，因此，抗逆性强、不需要养护、不积尘、抗污染的植物就成了首选[15]。

因此，根系发达、生长迅速、茎叶肥大的植株能够更好地满足污水处理的高要求，故在雨水花园中，选择合适的植物是一个很重要的指标。

本课题组初步选定了符合以上条件，并且从生存能力强的云南黄馨、五叶地锦及小叶黄杨定为适配自我维持式花箱的植物。

4 自我维持式花箱其他设计内容

4.1 箱体外观设计及材料选择

如图3所示，该花箱整体设计成鼓形，该结构能使得其与墙体的接触面积不变，但容积变大，可容纳足够的土壤及基质养分，满足植物的日常生长需求。且流线型的弧形设计减少了风阻系数，能有效地在高架桥上风吹日晒的恶劣环境下使用更长的时间。

目前市面上的花箱外壳多采用PVC材质，其拥有耐腐蚀、不易变形、牢固耐用、节水抗旱的优点，但是存在抗划伤性差，价格昂贵的问题。因此对于本花箱，设计上采用了稻谷壳和塑料合制的混合材料，这种材料不易变形且具有保温隔热的作用；另外，稻谷壳属于农业废料，有防火、防蛀、防霉的效果[9]。获取途径容易，绿色环保，可以做到废料的二次利用。

传统的花箱由于材质问题，很容易造成光污染，以致司机产生眩晕感而影响驾驶。考虑到行车安全问题，设计特地将鼓形外壳的外表面涂刷防反光材料，以避免高架桥上司机在行驶过程中由于车辆行驶速度较快，而发生交通意外。

图3 花箱箱体外观

4.2 箱体固定结构设计

4.2.1 固定结构存在的问题分析

对于目前市面上的固定结构问题，有以下几点[6]；①固定结构与空气接触面积大，易发生锈蚀，影响美观；②容器与结构间缺少固定件，植物蓬径变大后遇强风，易挪动，箱体有坠落可能,存在安全隐患[6]；③整体用钢量大，焊点多，制作繁琐且困难[6]；④钢结构后期维护量大，成本高。

4.2.2 主要结构示意

该花箱的固定安装结构如图4所示，其包括位于鼓形外壳(1)上方的悬臂卡扣(2)和位于鼓形外壳(1)下方的承重插板(3)。

图4 花箱侧面透视图

所述悬臂卡扣包括设置在鼓形外壳背面的可拆卸移动的凸角钢(2-1)，以及固定在墙体(7)上相应的凹角钢(2-2)，所述凸角钢(2-1)和凹角钢(2-2)卡扣连接。其中，所述凸角钢可在与地面水平位置方向上移动，作为“榫舌”插入榫肩形成的榫眼中，目的是加固以及方便拆卸。

所述承重插板包括设置在墙体上的承重板(3-2)以及位于花箱内部的承重板槽(3-1)，当需要安装时，将承重板(3-2)插入承重板槽(3-1)内部，用以承重。

4.2.3 工作原理

为了达到花箱所设想的稳固、可拆卸的要求，设计增加了提高花箱操作便利性及稳固性的结构，该结构主要依靠悬臂卡扣两两连接箱体。

其中，用于固定凸角钢的不锈钢物件为箱栓，其目的是防止凸角钢发生意外移动，从而影响整体箱体的固定，同时避免安全事故的发生。悬臂卡扣的中部有一个活动插销，用于固定锁扣。

5 在现实高架桥的应用

5.1 应用形式

该自我维持式花箱的主要应用场景是高架桥(高架设计效果如图5、6所示)，设计创新性地将花箱利用悬臂卡扣的技术固定在高架桥上。并且，在一定条件下，也可以通过悬臂卡扣结构来实现花箱的可移动性。

与传统的花箱相比，该设计的优势有以下3点：

(1)花箱整体设计成鼓形结构能够使得其与墙体的接触面积不变，但容积变大，可容纳足够的土壤及基质养分，满足植物的生长需求。且流线型弧形外观设计可有效削减风阻系数。

(2)通过凹凸角钢构成悬臂卡扣在安全固定的基础上方便了花箱的拆卸，避免了以往夜间换箱的危险。

(3)采用排水管道取代排水槽，可以将多余的灌水和雨水排出，这样就不会造成废水从排水槽里直接流入桥下造成二次污染。

图5 高架花箱设计效果一

图6 高架花箱设计效果二

同时，除了将高架桥作为其主要应用场景外，该花箱还可应用于挡土墙、城市主要道路等场景。

5.2 应用价值

5.2.1 循环自持价值

设计通过收集雨水的灌溉系统和优化雨水花园土壤的蓄排水系统构成了一个花箱独立的循环网络，实现其自我维持的能力。将自我维持性的概念用于商业项目，可有效减少生长箱的后期维护费用和破损更换费用，其绿色生态的能力也将大大增强，同时减少高架交通带来的空气污染和噪音污染，符合建设美丽中国的要求、可持续发展的战略和环境保护主义的思想[10]。在作为商业绿化箱的同时，能够充当特色的小景点，形成高架桥两侧道路上的优美景观，也有助于驾驶员缓解疲劳，感受清新自然的魅力。

5.2.2 生态可持续价值

首先，该花箱设计选取的植物多为高架桥常用植物，适应能力强，能降噪除尘、清新空气；其次，箱体的收集结构可截留部分雨水以便二次利用，大大提高了水的利用效率，同时也有助于缓解城市的热岛效应。最后，花箱采取的皆为新型环保材料，也可达到生态可降解的目标。

综上所述，该自我维持式花箱可以高效地促进高架桥上的的空气循环、植被生长，能调节局部小气候、吸附噪音和改善调节灌溉水带来的二次污染。该设计有望发展为城市特色，从细微之处打动人心，有助于构建出富有层次和生命力的生态生长箱。

5.2.3 安全价值

传统的高架花箱由于材质问题，很容易引起光污染。该设计在花箱外表面涂抹一层防反光材料，避免高架桥上司机在行驶过程中由于反光发生交通意外，增加了司机的行车安全性。

6 结论与讨论

本文从外观设计、固定结构设计、蓄排水系统设计以及实际应用4个方面论述了一种基于“雨水花园”系统的自我维持式花箱。首先利用循环节水装置对传统生长箱进行改进，进一步定义了自我维持式高架生长箱的概念。同时，借鉴雨水花园技术，将其运用于花箱的雨水收集装置和土壤层结构中，以达到绿色生态的效果，在现代高架的特殊困境中创造出融合生态、循环、安全三要素的积极环境。

但该自我维持性花箱也有其局限性,主要是在材料选择方面。现有可选择的生态材料都有一个共性问题——成品花箱重量过重,具有一定的安全隐患。

因此,未来需进一步优化该方案的结构和材料选择,并在实践中继续探索其广泛适用性、生态维持性等问题。总体而言,目前该自我维持花箱在当前高架环境具有广阔的应用前景,并对未来高架绿化新产业的开发具有借鉴意义。