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    人工架空基盘绿化中蓄排水层的设计研究

    关键词:风景园林;人工架空基盘绿化;蓄排水;结构作法;设计类型

    Key words:landscape architecture; greening on the roof plate; water storage and drainage; structure; design pattern

    摘要:人工架空基盘绿化有充分利用城市空间,增加绿化面积,提高建筑物的节能效果,同时也是海绵城市建设的一种技术手段。蓄排水层是人工架空基盘绿化的重要结构层,对屋顶荷载、防水防渗、给排水系统、种植等都有直接影响。当前对蓄排水层的设计在理论方法与实践中都存在着一定的误区。根据蓄排水的设计目标,将蓄排水层分为6种不同的设计类型,对各类型的材料选择、设计要点加以论述,并详细分析自然地面以下的高填土区绿化与一般屋顶绿化的差别及设计要点。

    Abstract:Greening on the building's top plate can make full use of urban space, increase the green area, improve the building energy-saving effect, and is also a kind of technical means of "Sponge City" construction as well. The water storage and drainage sheaf is an important structure layer of green roof, which has direct influence on the roof load, waterproof, water supply and drainage system, planting and so on. At present, there are some problems in the theory and practice of the design of this layer. Based on the objective of the design, the water storage and drainage sheaf is divided into six types. Also the material selection and design are discussed. The differences and design points of the water storage and drainage sheaf which located deeply under the ground level are analyzed in detail.

    内容:人工架空基盘绿化主要是指在各类建筑、地上或地下停车库、掩土建筑等的屋顶,或建筑的楼面、阳台、露台等,包含高架立交桥、过街天桥等其他人工构筑物的上部,通过人工覆土进行绿化建设。在人工架空基盘上进行绿化,具有节约土地资源、提高建设用地绿化覆盖率、改善城市生态环境质量的作用。由于人工架空基盘不与自然土壤直接连接,所以蓄排水系统应充分作用,保证蓄排水层结构能够在水分饱和的情况下将水排至排水口,同时充分地利用水资源,杜绝土壤与植被遭受频繁的干湿交替现象[1-4]。
    当前使用较为普遍的高密度聚乙烯(HDPE)或聚丙烯(PP)蓄排水板是一种轻型塑料板材,具有一定刚度以支撑排水通道,又可蓄水,同时由于该材料具体应用范围广泛,厚度及类型多样[5-7],只有特定种类可以用于屋顶绿化,设计失误会产生选择失当、功能丧失等问题[8]。实际上蓄排水材料与结构应该多样化,不应千篇一律地使用蓄排水板,应根据设计目的、决定性影响因素的变化进行设计。

    1  设置蓄排水层的目的分析
    1.1  土壤中多余水分的来源
    人工架空基盘种植土中多余水分一般包括天然降雨、超量灌溉水、邻近土壤层的水平渗流等。随天然降雨及来自周边铺装和道路上的雨水进入土壤,水分过多时会产生淤积现象。灌溉系统在工作时也可能发生过量灌溉的现象。在低于地面的建筑覆土绿化中,还可能有周边地下土壤含水层中的水平渗透水分,所带来的持续影响,往往被设计师所忽略。
    1.2  排水与蓄水的辩证关系
    人工架空基盘种植土蓄存水分的作用使水分排出的速度减慢,过多的水分影响植物生长。同时水分也增加了建筑的荷载,对结构安全产生不利影响。加快土壤水的滤出与排放是人工架空基盘绿化的重要任务。
    为了满足植物生长的要求,土壤的水分一般应维持在含水率15%~30%之间。实土绿化因土壤蒸发和植物蒸腾作用,地下水能上升表土层,而人工架空基盘切断了水分上升的途径。如果底层蓄积一定量的水分,就可以模拟自然的毛细现象,供给上部植物生长。如何进行蓄排水层设计,使之能够满足排水与蓄水的要求是对设计师的考验。

    2  蓄排水层设计影响因素分析
    2.1  设计的目标
    根据前文分析,蓄排水层的设置是为了实现2个不同目标:1)以增加土壤蓄水为目标,通过覆土层的水分减排、缓排以满足植物的需求;2)以减少土壤水分为目标,降低土壤的含水量和容重,以实现建筑结构的荷载安全和防水安全。不同的立地条件应仔细甄别设计目标。
    2.2  影响因素分析
    决定蓄排水层设计的因素有3个:蓄排水层埋设深度、结构荷载要求及活荷载大小与分布情况。
    在排与蓄的矛盾中,影响蓄排水层设计的主要因素是埋深。当土壤厚度在1.2m以下时,土壤沥水的时间较短,失去水分的速度快,蓄排水层应以“蓄水”为主要目标。土壤厚度在1.2~1.8m时,土壤蓄水量增加,干湿变化缓慢,蓄排水层应“以排为主,蓄排结合”。超过1.8m的覆土厚度,土壤水分对建筑结构的危害加大,蓄排水层应以“排”为主。更深的覆土厚度则接近于实土绿化,可以考虑“蓄排分离,上蓄下排”的设计。
    除埋深以外,结构预留荷载会影响蓄排水层的材料选择及设置的厚度。在预留荷载较小的情况下,应尽可能采用轻质材料,以降低蓄排水层的自重,增加种植土的厚度。而地下车库顶一般预留荷载较大,蓄排水层材料种类和厚度的选择余地比较大。
    在地下车库顶覆土绿化中不可忽视活荷载尤其是动荷载的大小及分布对蓄排水层的影响。在覆土较浅的位置,施工期间及交付使用后的重型车辆碾压,可能会破坏蓄排水层材料,影响排水速度,甚至造成建筑渗漏现象发生。

    3  蓄排水层的设计类型划分
    3.1  蓄排水层的一般构成
    一般的蓄排水层设计自上而下由疏水层、过滤层、排水层3个层次构成,其下为人工架空基盘的防水结构层,种植土或其他结构层会直接覆盖在蓄排水层之上。常规结构做法见图1。
    疏水层的设置是为了将水分快速收集起来并疏导到排水层,在土壤排水性能良好的情况下疏水层可以取消。过滤层可以将土壤微粒隔离于排水层之外,防止土壤流失。排水层则利用材料缝隙引导水分进行排放。排水层的材料、设计形式因条件不同存在很大的差异,一般采用满铺的形式,也可以条带形铺设,或辅助采用其他管道进行排水。
    3.2  蓄排水层设计的类型
    根据蓄排水层的设计目标和影响因素,可以将蓄排水层设计归纳为6个不同的类型,对应于不同的土壤厚度和设计部位,详见表1。
    表中:A型蓄排水层应选择坚硬材料,快速排水。B型对材料强度的要求降低,快速排水。C型在加大蓄水量的同时要求排水能力强。D型在蓄水能力强,但不要求排水速度。E型对蓄水能力要求一般,具有一定的排水能力即可。F型对蓄水能力不做要求,排水为主要目标,可以辅助其他方式进行排放。
    需要说明的是,蓄排水层设计类型的划分是为了说明不同条件下的设计关注点,不是强制设计师必须遵守的设计要求。在同一个项目中也会存在覆土深度有变化,道路铺装的面积大小、荷载不同,蓄排水层的类型及材料选择应尽可能去繁就简,优化设计,在保证功能履行的情况下为施工和管理创造方便条件。
    3.3  各类型蓄排水结构的材料选择与设计要点
    3.3.1  A型结构
    A型结构的蓄排水层埋深较浅,使用凹凸型渗排水板时上部动荷载以及施工过程能破坏材料导致排水的立体支护结构失效,使邻近的屋顶积水[5]。因此浅埋深的A型结构应以传统的粗砂、砾石、卵石、碎石、煤渣、陶粒等多孔坚硬材料为主,以保证排水层结构的稳定性。A型蓄排水层做法见图2示意。设计中应注意的问题包括:1)由于陶粒或卵石的大小不均匀,蓄排水层下应设置刚性水泥砂浆,避免砾石等尖角破坏柔性防水材料,并在刚性保护层上铺设厚度2cm的细沙垫层。2)如果局部使用此方案设计,应保证与相邻其他蓄排水层平顺衔接,并应有良好的隔离措施,避免此类松散材料随水流移动的损失。
    3.3.2  B型结构
    B型结构适用于连片的较大面积道路铺装下,蓄排水层动荷载及施工过程对材料的破坏减弱,材料选择余地比较大,在A型材料选择的基础上还可以增加排水板、盲沟管等[9]。蓄排水层的设计要求是快速排水,或者在对水分进行拦截后,通过暗沟穿过或干脆绕过此区域。塑料或橡胶排水板应选择单面凸台搭扣式排水板,且杯口向下使用。为防止土壤挤压排水空间,最好在排水板凸台之间填充轻质砾石,以保证排水通道的顺畅[8]。不建议在此类型蓄排水结构上部使用透水性铺装。如果道路的宽度较小或连续铺装的面积不大,B型结构可以取消,与相邻区域排水结构连片设计。
    3.3.3  C、D型结构
    C、D型结构应用于浅覆土层的绿化种植区,土壤的干湿变化快速且频繁,要求蓄排水层能兼顾排水速度与蓄水能力,而C型更强调蓄水能力。材料选择如稻壳、秸秆等有机易腐烂材料,椰壳、棕丝等具有一定耐久性的材料,或者选择有大量毛细孔洞的轻质材料如陶粒、上水石、浮石、过筛的碎砖颗粒等,人工配置土壤如宝绿素等也具有这些特点。凹凸型蓄排水板材料目前得以大量应用,但是应选择具有真正蓄水能力的双面凹凸型排水板,且凸杯顶端有开孔的材料[8]。蓄排水板的厚度可以提高至6cm。施工时将蓄排水板靠近立面位置卷起一定高度以加大蓄水能力。单面凹凸型蓄排水板如果杯口向上使用,也具有一定的蓄水能力,但是排水能力减弱,杯口向下则蓄水能力消失。
    3.3.4  E型结构
    E型结构应用于覆土深度1.2~1.8m的人工架空基盘绿化区。土壤厚度增加使水分渗透设计延长,各种松散材料、具有连续孔洞的整体材料都可以满足排水速度的要求。土壤自身保有的水分可以支持植物生长。因此E型结构对排、蓄的需求都不迫切。在荷载满足的情况下蓄排水层材料可以选择砾石等,轻型材料可以选择单面杯口向下的HDPE凹凸型蓄排水板,也可以使用片材塑料排水板,这些材料应在屋面结构上连续整体铺设。
    3.3.5  F型结构
    F型蓄排水层应用于覆土深度大于1.8m的高填土人工架空基盘绿化,在高于自然地面的屋顶绿化中很少大面积使用,主要用于自然地面以下的掩土建筑、停车场、人防建筑、设备房等。局部的高填土绿化蓄排水层可以参考E型结构。面积较大的应使用F型结构,增加盲沟排水系统,其设计模式见图4。自然地面以下的高填土人工架空基盘面临的情况更复杂,系统设计应尽快有效地组织排水,减轻建筑结构的荷载,常用的排水方式有渗水层+排水边沟、渗水层+排水盲沟、渗水层+疏水管+排水干管、盲沟+排水干管等排水方法[10-12]。渗水层常用的材料有HDPE凹凸型排水板、RCP空间网状丝条结构的片材排水板、砾石、卵石、碎石、浮石、陶粒、煤渣等材料,疏水管有钻孔PVC-U管、双壁波纹滤水管、软式透水管、多孔隙纤维状中空塑料盲沟管等。

    4  自然地面以下高填土绿化的特殊设计
    自然地面以下的高填土人工架空基盘顶板在当前的设计实践中以大面积的地下车库为代表,包括其他类型的建筑屋顶。为行文方便,下文以地下车库顶板为例说明。地下车库顶板是大面积的连续屋顶结构,多余水分需要垂直渗透到顶板,然后再水平渗透到屋顶范围以外,并继续垂直渗透才完成排水过程,排水速度非常慢。笔者曾经历过某地下车库顶板因未设排水层,夏季降雨导致50cm的覆土层全部呈饱和水状态,月余未退,乔灌草全军覆没。另一处地下车库虽设置了盲沟管排水,但是因与其他管道在车库顶相互交叉,盲沟管被截断,同样积水不消(图5)。与地面以上的屋顶绿化相比,地下车库顶板面临的问题较多,应着重考虑排水的方法、效率以及排水的最终去向。
    4.1  结构找坡
    如果地下结构物占地面积较大时,屋面找坡变得困难,有些地下建筑甚至取消了结构找坡,寄希望于蓄排水层来解决积水问题。实际上在零坡度时蓄排水层不能很好地解决排水问题,洼蓄、排水不畅导致的积水仍将存在。因此地下结构顶完成面应设法保持至少0.5%的结构找坡才能消除上述影响。
    4.2  土壤质地对蓄排水层的设计影响
    地下车库顶板多覆以自然土壤,进入土壤的水分渗滤速度缓慢,影响地下结构防水安全。蓄排水层设计应提高土壤水的排除速度,应采用底部蓄排水层(或条块状、片状)加若干盲沟进行排水。盲沟与蓄排水层相连接,间距、埋深应根据土壤的渗透系数及植被根系生长深度确定,不一定与排水层处于相同标高上。如果回填的土壤渗透系数比较大,保水能力差时应设置蓄水层,阻止水分的过快流失,这样就形成了“蓄排分层”的设计。
    在地下结构外墙以及凸出地表的如通风口、人行梯等结构外墙面,也应设置排水通道,加速土壤渗水沿建筑立面垂直下渗,避免土壤水分浸润建筑侧墙。
    4.3  蓄排水层埋深过大
    蓄排水层流动的土壤渗水,理想状态应该进入城市雨水干管。如果蓄排水层标高低于城市排水管网时,则无法以自流方式排出,渗水应引导至车库顶板范围以外的实土土壤进行深层渗透。应在蓄排水层外围沿车库顶板边沿设置排水边沟,低于车库顶板,使用疏散材料填充,保证水分可以向下渗透。或者将渗水引入地下蓄水池,通过水泵强排进入管网排水。
    4.4  地下渗水侵入
    如果地下土壤含水层水位过高,甚至可能超过车库顶板。此时蓄排水层的设计应首先在车库范围以外设置盲沟截留外围水分,截水盲沟沟底标高应低于车库顶板。截留的水分可以自流排放或者强排。车库顶板上宜采用渗水层+排水盲沟+排水干管的方式,将水分引至截留盲沟中。
    4.5  盲沟管与其他管线交叉
    在地下车库顶板建立的盲沟管有时会与埋设的其他重力流地下管线存在交叉,导致盲沟管被切断,车库顶的排水系统不完整。这种现象有管网系统设计问题,也有施工先后顺序问题。应首先保证管网的功能,切断的盲沟管可以通过疏散材料或疏水板联系,水从交叉管线下绕过,再进入后面的盲沟系统。
    4.6  反梁及连续结构墙
    有时地下构筑物使用反梁结构,将屋顶分成了若干凹槽,影响排水,优点是可以设置找坡层。地面构筑物的基础墙体也会形成连续的阻挡排水的结构。基墙及反梁底部应预埋排水管,沟通两侧水分流动。蓄排水层不应设置在基墙底部,防止产生滑动造成结构不稳。
    图6为高填土地下车库绿化时蓄排水层的典型作法。其中排水层可以选择砾石、蓄排水板、片状排水板等渗水材料,满铺。盲沟可以直接埋设在渗水材料顶部,在填土厚度大于2.5m时也可以脱离屋顶,埋深控制在2.0m左右。盲沟间距建议控制在10m左右。排水边沟沟底应低于屋顶结构标高,且应设置在夯实的基坑回填土以外。边沟需要拦截外围土壤渗水时,填充的松散材料可以向上延伸。在沟底及侧面一定高度可以采用硬质结构,形成快速排水通道。

    5  结语
    蓄排水层的设计与施工是人工架空基盘绿化中的重要环节,该结构层埋入地下以后,其功能履行情况很难被人直接观察到,因此需要细心设计和谨慎施工,避免因发生问题而返工。不同土壤埋深对蓄排水层设计要求不同,不能所有地段统一使用单一材料和结构模式,应综合考虑立地条件、土壤质地、荷载分布等问题区别对待。使用多种结构模式时应考虑不同模式间相互衔接的问题。在设计中还应该考虑施工方法对材料选择的影响,避免施工过程对材料的损伤。

    注:文中图片均由作者拍摄、绘制。


    参考文献:
    [1] (德)渥尔纳·皮特·库斯特.德国屋顶花园绿化[J].中国园林,2005(4):73-75.
    [2] 任国亮.国外成熟屋顶绿化系统比较研究[J].中国建筑防水,2011(23):24-28.
    [3] 韩丽莉,李连龙,单进.屋顶绿化系统及材料技术应用:北京红桥市场屋顶绿化设计与施工技术要点解析[J].建设科技,2010(19):38-41.
    [4] 陈小平,黄佩,周志翔,等.绿色屋顶径流调控研究进展[J].应用生态学报,2015,26(8):1-10.
    [5] 孙晓阳,颜卫东.高密度聚乙烯排水板施工技术[J].新型建筑材料,2011(6):72-74.
    [6] 刘金龙,栾茂田,汪东林,等.土工织物与塑料排水板联合处理软基的效果分析[J].岩土力学,2009,30(6):1726-1730.
    [7] 俞炯奇,孙伯永.长期在地下工作后的塑料排水板的性能研究[J].水利学报,2007(S1):711-715.
    [8] 张道真,陈高扬.种植屋面蓄排水层设计应用探讨[J].中国建筑防水,2015(11):5-7.
    [9] 张欢,车库顶板绿化排水系统设计探讨[J].建设科技,2015(11):90-91.
    [10] 荆丹娟,潘良.浅析居住区车库顶板种植区渗排水设计[J].金陵科技学院学报,2014(1):36-40.
    [11] 陈跃生,郝晓钦.小区车库顶板景观排水设计[J].中国园林,2011(2):68-70.
    [12] 于卫红.盲沟设计经验点滴[J].中国给水排水,2000,16(5):39-41.

    (编辑/王珮涵)