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从法规到产品,深度解读德国海绵城市

发布日期:2021-04-30 来源:城市设计
  一到雨季,全国各大城市或多或少都出现城市内涝,年年看海几乎成了雨季的常驻项目之一。人们探究了城市内涝背后的很多原因,同时也探索出了很多对策。
  我国所处的亚热带季风气候带决定了大多数城市夏季炎热多雨,而大规模的城市化带来的硬质地表面积的增加和自然湖泊及天然蓄水地块的减少造成了雨季的降水短时间内在城市中蓄积。
  不止中国,即便是拥有良心下水道的德国遇上特大暴雨的时候也会发生洪水,比如2016年的欧洲暴雨。
  
  2016年德国拜仁州一个小城被淹。via https://www.welt.de/politik/article155888707/In-Simbach-reisst-eine-braune-Flutwelle-alles-mit.html, Quelle: AP
  虽然在遇上特大暴雨的时候城市内涝是不可避免的,但是在大雨的时候城市内涝却是可以避免的。谁不想在大雨过后第二天有着干净清爽的室外环境呢。近年来,海绵城市的建设如火如荼,对于海绵城市建设的国内外案例和经验也有许多总结。
  本系列文章将从点和面的角度切入,介绍德国在预防城市内涝方面的做法。
  01 海绵模块 
  德国海绵城市最重要的一个点是:以业主拥有的地块来形成“海绵模块”, 不管是公共项目还是私人项目,每个项目都必须满足雨水沉降和引流的具体要求,从而达到整个城市在强降雨中的正常运转。
  预防城市内涝和城市排水紧密相关,但是值得注意的是,这不仅仅是一个工程性的问题,同时和城市设计,景观设计都有较大关联。德国采用了一种攻守兼备的策略。一方面,城市系统性的排水和储水保证大量的降雨在短时间内不会引起城市内涝,另一方面,城市建设的地块像细胞一样负责任地处理各自地块内的降水和排水减轻了大系统在应对大量降水时的压力。假设道路用地占城市建设用地15%,如果其他地块内的降水都能各自消化的话,那么城市大系统在大量降水时只需要承担这15%。当然这是一个理想化的模型,但并不妨碍其合理性,重点在于每个地块如何实现降水自我消化。
  降水处理地块分区示意草图。©JIN PENG
  02 法规层面 
  能否实现降水自我消化的很重要的一个指标是可渗透性地面面积,建设地块中可渗透性面积越多,越有利于场地内降水沉降。为了最大限度减少非渗透性面积,德国针对单个的建设地块有着设计和使用上的双重规定。
  前面说城市建设地块在降水时就像一个个在城市系统组织中的细胞,每个细胞都管理好自己的那一个部分,那么谁来监督每个细胞有没有做到呢?答案是一个叫做“积水证明”的文件。(德语Überflutungsnachweis,如果谁有更合适的中文翻译请留言。)这一份责任在建筑和地块排水规范中,即DIN 1986-100中明确规定,场地排水原则上不允许外排。
  在有超过800平方的非渗透性面积的建设地块中,须出具一份“积水证明”(Überflutungsnachweis), 证明该建设地块有抵御大量降水的能力,保证建筑物的安全。如果没有这份证明,项目会面临不被批准建造的危险。
  这份证明中包含项目中的各类非渗透性面积,渗透性面积以及积水总量,分别以2年一遇和30年一遇的地区降水量来参照场地的积水总量。(场地硬质面积占70%的,5分钟内分别以2年一遇和30年一遇的降水量计算 r(5,2) r(5,30),如果是超过70%的硬质地面,按100年一遇的降水量计算 r(5,100)。)
  
  “积水证明”图,不同颜色代表不同渗透率表面。via https://www.wankner-und-fischer.de/portfolio_page/puttenhausen-betriebsgelaende-ziegelwerk/ ©wankner-und -fischer
  如果规划的积水总量不能在场地内部消化,那么就需要调整设计的渗透性和非渗透性铺砖的比例,或者增加蓄水设施和其他可沉降雨水的设施。增加设施对业主来说意味着建造成本的增加,所以比较划算的做法是减少非渗透性面积。
  所以说,这份“积水证明”文件其实是影响到设计层面的规定,其根本的出发点在于场地排水原则上不允许外排。在2020年北京市《海绵城市建设设计标准》中对于场地外排水的描述:“5.1.9 海绵城市源头控制措施应通过溢流排水与外排设施衔接,雨水外排设计标准不应低于规划标准,外排水总量、峰值流量不应大于开发建设前水平。”这一规定相比“原则上不允许外排”要模糊很多。
  将雨洪管理的意识通过收取雨水费教育给居民是德国减少非渗透性地面建造的另一个措施。根据非渗透性面积的多少来收取雨水费在一定程度上影响业主的建造意愿。计算时取需要通过市政管道排水的非渗透性面积乘以单位面积费用。
  以慕尼黑为例,每年每平米1.3欧,如果一栋房子占地面积是100平米,降雨使用市政排水的话,那么光房子本身就需要每年交130欧。长期来看,这一笔费用的累积远远超过建造一些雨水回收设施和绿色屋顶的费用。所以这也鼓励了人们回收和利用雨水以及减少室外非渗透性地面的建设。
  不止德国,美国丹麦等国家也在这方面征收雨水费作为激励机制来鼓励市民做好雨水管理,而国内土地所有制和居住形式等各方面情况相对复杂,雨水费仍处于研究阶段。
  
  需收取雨水费的面积计算。via https://www.azv-offenburg.de/aufgaben/gesplittete-abwassergebuehr/welche-flaechen-sind-relevant
  03 排水概念设计合作
  光靠减少建设用地内非渗透性地面的面积并不能做到场地内的降水完全自我消化,还需要看这个细胞内的其他设施,比如绿色屋顶和地面以及地下蓄水设施。通常来说,绿色屋顶几乎是现在所有新建项目的标配,德国大量城市都规定新建平顶建筑需有绿色屋顶。
  植草沟和下沉绿地是景观设计师在项目中的常见手段。居住区和科技园区等大型项目的地下一般都埋有PP蓄水模块,有的项目则会在车库顶上埋上一层蓄水箱,既储水也能为上面的绿地和植物提供水分。
  景观设计师,建筑师和给排水工程师在概念设计阶段共同协商形成雨水收集和排放概念,明确各自的降水容纳量,采取各自的手段,使总体项目合乎法规,功能,经济和美学等各方要求。
  落到室外空间的雨水由景观设计处理,落到建筑上包括建筑屋顶的雨水由建筑排水处理,一般由工程师方提出解决方案。绿色屋顶上是否要承担额外部分的雨水由景观设计和工程师互相协商。
  
  雨水处理概念示意草图。©JIN PENG 
  04 绿色屋顶
  绿色屋顶在海绵城市中起到的作用有限,因为其土壤层相对较薄,并不能大量蓄水。但是由于其在降低城市热岛效应和减缓气候变化方面的显著作用,德国大量城市都推行新建平顶建筑需有绿色屋顶的规定,比如慕尼黑在1996年开始规定,大于100平米的平顶需有成片且持久的绿化。虽然绿色屋顶在单个项目中起到的蓄水和排水作用有限,但是整个城市大面积的绿色屋顶加起来的效果也是可观的。
  通常落到屋顶的大量降水会通过管道引入地下蓄水箱,这一部分排水属于给排水工程师的工作范围,而留在绿色屋顶的部分则由景观设计师负责。
  绿色屋顶的景观类型多种多样,根据预算和结构荷载要求可以做成轻型和重型绿化,两者对建造结构的要求不一样。
  
  轻型和重型绿色屋顶构造层次对比。via https://www.zinco.de/substrate ©Zinco 
  如今大多数地下车库的屋顶即是建筑的内院,同时也是绿色屋顶的另一种形式。在结构和荷载允许的情况下重型绿色屋顶绿化可以做到更多样化以及可以做到更大量的储水。通过在屋顶铺设另一种形式的蓄水模块 (Retentionsbox),可以在建筑用地紧张的情况下节约地下蓄水模块的体积。
  
  铺在地下车库屋顶的蓄水模块。via https://www.zinco.de/referenz/noltemeyer-hoefe-braunschweig ©Zinco)
  由于绿色屋顶的规定由来已久,德国有关绿色屋顶的指南和规范,产品和技术相当完善了。Zinco公司可能是目前德国最大,业务范围遍布全球的绿色屋顶产品和技术公司。许多著名的项目比如美国的高线公园和BIG在哥本哈根的垃圾焚烧场的屋顶均由Zinco提供产品和技术支持。另外还有Optigrün公司的业务也很国际化。via https://zinco-greenroof.com/, https://www.optigruen.com/
  05 渗透性地面景观
  虽然地面景观有非渗透性面积的硬性指标规定,但是这并不妨碍渗透性铺砖和地面在营造空间时的效果。和多种多样的景观结合在一起,这些低影响开发的设计也呈现出不同的魅力。透水铺砖大致分三类:碎石类,植草砖类和透水材料类。
  德国最常见的透水地面是类似于小碎石铺地的地面,有点像泥巴路的感觉(Wassergebundene Decke, Chausssierung)其表面颜色取决于小碎石的颜色,这种材料铺就的道路看起来很接近自然,具有很高的亲和性,被广泛运用于公园,街边绿地中。(在维基百科上它被贬低成常见于发展中国家或者发达国家的郊区,误解。)
  
  小碎石透水地面,慕尼黑国王广场。©JIN PENG
  
  小碎石透水路面,慕尼黑Riemer Park。©JIN PENG
  其次常见的是植草砖(Rasengitterstein)。植草砖的种类多种多样,在停车位的运用非常广泛,同时由于其能够承受一定的荷载,在消防通道运用的也比较多。和一些其他的地面材料结合,植草砖也能形成非常好的景观效果。
  
  植草砖 via https://www.godelmann.de/de/lunix
  
  植草砖消防通道 via https://www.studiovulkan.ch/project/residential-quarter-am-sudpark-munich/
  透水砖类的分为两种情况,一种是砖缝透水,较宽的砖缝用透水材料填充或者留出植物缝,常见于小尺寸的花岗岩铺装。另一种是运用本身就透水的砖块。后者的透水性要强于前者。
  
  慕尼黑Rosa-Luxemburg-Platz,较宽植物砖缝的花岗岩铺砖形成与草地整体的视觉效果。©JIN PENG
  
透水砖的广场, 深浅不一的透水砖形成广场的纹理。via https://www.godelmann.de/de/referenzen/staatliches-berufsbildungszentrum-ernst-arnold#&gid=0&pid=6
  植草沟和下沉绿地都是通过地形塑造而成的,它们已经内化成景观设计师的常用手段,有时在室外景观的塑造中能带来意想不到的雕塑感。植草沟在德国的景观设计中非常常见, 除了在项目用地边界形成绿色地块之外,它们与桥的结合给设计添加不少层次感。下沉绿地不仅可以用来形成游乐和运动场所,纯粹的地形运用能够塑造出整体性的雕塑景观。
  很多儿童游乐场都是下沉绿地中的沙地,因为沙地也是低径流系数的地面材料,使用沙地也可以减少雨水径流。
  
  植草沟和桥的结合。via http://www.b-m-l.org/BML/HKW_1.html
  
  居住区中的下沉绿地。via https://www.german-architects.com/de/projects/view/quartier-alte-ziegelei-munchen#image-2,©RSLA 
  
  儿童游乐场的沙地。via http://landezine.com/index.php/2010/11/urban-park-playground-by-rehwaldt-landscape-architecture/
  06 地下设施
  工程性的雨水设施是很多项目中不可或缺的一部分。其中,地下PP蓄水模块 (Rigole)是德国新建项目中应对城市内涝非常常见和有效的手段。地下蓄水模块是一个缓冲区域,在有大量降水的时候雨水通过管道流入蓄水模块在这里停留,而后缓慢地下渗到土壤中。
  因为有地块降雨尽可能在自有地块消化的政策,地下PP蓄水模块因为其蓄水量大,模块化和材质轻容易建造, 可承受较大荷载,且相对于其他大型蓄水设施成本较低,而被广泛运用。
  要达到一个临时缓冲区域的要求,提前获知要建造蓄水模块周边及地下土壤的渗透性很重要。关键是蓄水模块下方的土壤需要有一定的渗透性,但不能太过,否则就没有临时蓄水缓冲的效果了。
  
  正在进行拼装的蓄水模块。via https://www.graf-online.de/retention/referenzen/wohngebaeude-gaggenau.html ©Otto Graf GmbH 
  雨水在进入蓄水模块之前需要经过净化程序来沉淀从硬质地面冲刷来的各种杂质和污染物。所以虽然地下蓄水模块虽然埋在地下看不到,但是它周围的地面一般会有几个井盖,用于检查和清除杂质。
  地面排水通过管道流入位于场地内的蓄水模块。via https://www.baustoffwissen.de/baustoffe/baustoffknowhow/entwaesserung/schachtanlage-regenwasserbehandlung-versickerungsrigolen-laubfang-sedimentation-filtersubstrat-filterpatrone-metalldachfilter/,©Fränkische
  做系统排水和管道产品的公司在蓄水模块这方面有各种各样能适应不同情况的产品。Otto Graf公司和Fränkische公司是雨水系统化处理方案比较大的两家公司。(网址:https://www.graf-online.de/, https://www.fraenkische.com/de-DE/)
  这篇文章基于作者在德国的工作经验,旨在分享德国在建设海绵城市方面的实践,资历尚浅,如有错误欢迎各位同行批评指正和讨论。
  参考资料:
  Bund Deutscher Landschaftsarchitekten bdla. (2020). Überflutungsnachweis - Zu den Leistungen und der Vergütung für einen Nachweis zur Sicherheit gegen Überfl utung oder für eine kontrollierte schadlose Überfl utung von Grundstücken nach DIN 1986-100 . Berlin
  Münchner Stadtentwässerung. (2004). Regenwasser versickern –Gebühren sparen. München
  https://www.baustoffwissen.de/baustoffe/baustoffknowhow/entwaesserung/rigolen-kasten-tunnel-dezentrale-regenwasserversickerung/
  https://www.baustoffwissen.de/baustoffe/baustoffknowhow/entwaesserung/schachtanlage-regenwasserbehandlung-versickerungsrigolen-laubfang-sedimentation-filtersubstrat-filterpatrone-metalldachfilter/
  作者:彭瑾