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21种路缘路肩设计,哪些能最大限度截流暴雨污染物?

景观设计学 2022-07-08
原创
  • 项目名称:
    “路缘沉积”标准混凝土路缘及路肩替代方案原型研究
  • 项目地点:
    美国俄亥俄州哥伦比亚市俄亥俄州立大学MAT/FAB实验室
  • 设计公司:
  • 建成时间:
    2019年5~8月

注:本文为删减版,不可直接引用。原中英文全文刊发于《景观设计学》2020年第4期“原型研究与景观设计”专刊。获取全文免费下载链接请点击此处


导 读

路缘在促进雨水径流输送的同时,也成为了路面污染物进入河流、污染生态环境的渠道。那么,能否重新设计路缘,使其可以像磁石一样吸附雨水中的污染物呢?在本文中,一支来自俄亥俄州立大学的跨学科研究团队采用迭代设计过程,在标准混凝土路缘和路肩表面增加不同的图案和凹槽,并使用全尺寸模型测试了这些新设计在模拟暴雨事件中的截污效果,清晰呈现了研究设想一步步转化为真实设计的详细过程。



路缘沉积:

利用原型思维过程探究如何通过路缘及路肩设计截留暴雨中的路面污染物

Curbing Sediment:

A Prototyping Process to Explore How to Capture Road Pollutants in Stormwater Events via Curb and Apron Redesign


哈丽娜·斯坦纳

Halina STEINER

俄亥俄州立大学诺尔顿建筑学院景观系助理教授

瑞恩·温斯顿

Ryan WINSTON

俄亥俄州立大学食品、农业与生物工程系及土木工程、环境与测量工程系助理教授

艾薇·欧贝尔

Avee OABEL

俄亥俄州立大学诺尔顿建筑学院景观系本科生

亚力克·格林姆

Alec GRIMM

俄亥俄州立大学环境与自然资源学院本科生


1 提出设想

道路表面存积着各种污染物,包括沉积物、草坪肥料中的营养物质、细菌、病毒、杀虫剂、金属元素、塑料微粒、融雪剂,以及各种油和油脂[1]。当暴雨发生时,这些物质会在未经处理的情况下被冲入雨水管道,后排入河道[1],影响水质乃至整个生态系统。水体中的塑料微粒等污染物清除起来非常困难,那么,是否可以通过街道设计的创新来解决这一问题?

近些年来,与绿色基础设施有关的道路设计创新不断涌现,如沿路设置的“生态草沟”可对汇入其中的雨水进行滞留和过滤,在降雨高峰期有效降低雨水流量并改善水质,但残留的沉积物和垃圾也会对植物根系的健康产生不良影响[2]。那么,是否可以改造路缘这一常见的道路元素,使其发挥类似的功能?


2 原型设计

材料选择与模型规格

由于数字模型无法分析连续的路缘表面,团队决定使用热丝切割及数控铣床雕刻技术,制作1:1全尺寸物理模型进行设计验证测试。制作材料选用聚苯乙烯泡沫,因为这种材料经过热丝切割及数控雕刻后形成的表面纹理与混凝土十分相似。基本公路断面模型长2.4m,宽1m,横向坡度为1.5%,路缘高度为15.24cm;在后续设计中,为适应某些路缘的特殊形态,路缘高度可降至11.4~12.7cm。

制作过程

为确保模型的削制过程足够准确、高效,尽量降低材料和刀具损耗,研究先用Rhino三维建模软件对设计好的路缘和路肩图案进行数字建模,然后在RhinoCAM插件中模拟铣削迭代过程,从而预测削制时可能出现的刀具碰撞或误差,并在实际制作过程中进行调整或规避。削制完成的模型需涂上环保乳胶漆进行防水研究提出了两类改进设计策略:一是在路缘表面增加不同形状(圆形、方形和三角形)的凹槽,二是在路肩区域增加不同形状(包括不同密度的点状、直线及水波形图案)的凸起图案;两种设计策略可组合使用。

路肩图案的灵感来源于盲道表面的平顶圆形凸起,可在实现截污效果的同时提高路面的步行友好性,确保行人和骑行者的安全。

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点状图案以盲道铺装为灵感。 © Halina Steiner, Ryan Winston 

通过模拟暴雨测试进行原型迭代设计

团队先将模型放置在人行道和街道旁以实地观察实际比例,从而了解其在景观中的尺度和视觉效果,随后正式开始测试。

首轮测试仅对单独改变路缘面或路肩表面设计进行考察。在铣削全尺寸模型之前,团队测试了不同的铣削密度和深度以了解雕刻机的作业极限。团队对每种路缘或路肩改造方案分别进行测试,以便了解其单独运作的情况,并寻求二者最佳的组合方案。团队将人工合成的雨水混合物倾倒在模型路面上,使之流经路肩或路缘上的图案凹槽,整个过程持续8分钟。

研究采取三种方式进行数据收集:一是通过相机和摄像机收集可视化数据;二是在模型的进、出水口定时进行水体采样,以肉眼评估其清澈度;三是对随机样本进行总悬浮固体物(TSS)和粒度分布分析,并将结果与测试期间进、出水口的水浊度传感器实时数据进行对比。

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通过小型样本测试探索不同的铣刀钻头尺寸、 图案密度和铣削深度,是了解数控雕刻机优势和局限性的关键起始步骤。 © Halina Steiner, Ryan Winston

首轮测试发现,在圆形、方形和三角形三种路缘面凹槽设计中,方形路缘凹槽可截留的沉积物明显更多,将在下一轮测试中重点研究;路肩设计测试中采用重复利用模型的方式,首先铣削出图案密度最低的模型,测试后再次铣削,以增加图案的密度,最终发现直线形设计的截污效率最高;通过改变直线的角度及路径形态(波浪斜线、梳齿状、网格状)等还可进一步增加截留沉积物的表面积,进而降低雨水流速。

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不同斜线图案沿线条走向的凹陷深度不同。© Halina Steiner, Ryan Winston

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波浪式斜线图案的转弯处截留了更多沉积物。 © Halina Steiner, Ryan Winston

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平行于路缘的直线图案在靠近路面的一端截留了更多沉积物。© Halina Steiner, Ryan Winston

第二轮测试的对象为单独截污效果最佳的路缘和路肩组合设计,主要考察路肩向路缘凹槽体转移沉积物的能力。经过若干次迭代设计,发现当路肩凹槽与路缘面凹槽相连时组合设计的效果更好,且以此三种组合为最佳:

(1)网格状路肩和7.62cm宽的方形路缘凹槽,各组凹槽之间间隔7.62cm;

(2)线形路肩和5.08cm宽的方形路缘凹槽,凹槽每隔45cm有15.24cm的间隙;

(3)以及梳齿状路肩和等距分布的5cm宽的方形路缘凹槽。

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网格状路肩与方形路缘凹槽 © Halina Steiner, Ryan Winston 

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15.24cm间隔的斜线路 肩与方形路缘凹槽 © Halina Steiner, Ryan Winston

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梳齿状路肩与方形路缘凹槽 © Halina Steiner, Ryan Winston 

本次研究对21种路缘和路肩设计进行了测试,并对每个设计进行了三次重复测试。对每次测试后残留在模型表面的泥沙进行测定可得出每个设计的有效泥沙截留量。之后对三个截留量最大的设计再进行1~7轮模拟暴雨测试,逐轮增加模拟雨水中的沉积物量,以确定设计的最大截留量及截留时间。

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测试后模型上留下的水和沉积物。 © Halina Steiner, Ryan Winston

研究发现

研究发现,同时改造路缘和路肩的组合设计比单独改造路缘或路肩的设计效果更好。本研究提出的8种组合设计中有7种达到或超过了TSS降低量不得低于80%的要求,它们在测试中的具体数据表现如下。

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在TSS和浊度降低方面表现良好的组合设计。 © Halina Steiner, Ryan Winston


3 结论

通过对21种设计原型进行测试,“路缘沉积”研究表明,对路缘和路肩的设计标准进行重新设定是提升路面污染物截留水平的可行选择。这些新型设计可与绿色基础设施相结合,以减少污染物造成的堵塞,也可以单独应用于路面。本研究提出的设计方案占地面积小,适用范围大,可塑性强,易于维护,可用于后续推广。

尽管如此,在受控环境中进行测试也存在一定的局限性。下一阶段的设计将进行现场测试,进行进一步校准和调整。这将有助于进一步制定最佳维护方法及所需的维护频率,从而优化设计。生态草沟的推广案例已经证明,场地尺度的小型干预设计即可改善区域水质;本项目则从设计标准的角度引发当前设计实践的思考:单个设计元素能否发挥更大的作用?原型测试是回答这个问题的第一步,而景观设计师则可能是设计出具有多重功能且美观的城市元素的最佳人选。


项目信息

测试地点:美国俄亥俄州哥伦比亚市俄亥俄州立大学MAT/FAB实验室

项目资助:俄亥俄州立大学工程学院暑期研究项目(启动资金来自Ryan Winston及Halina Steiner)

设计团队:Halina Steiner、Ryan Winston、Avee Oabel、Alec Grimm

设计时间:2019年2月至今

测试设计:2019年5~8月


部分参考文献

[1] Rasmussen, T. J., & Schmidt, H. C. (2009, December). Stormwater Runoff: What it is and why it is important in Johnson County, Kansas. Retrieved from https://pubs.usgs.gov/fs/2009/3103/pdf/FS2009-3103.pdf

[2] United States Environmental Protection Agency. (2016, September). Operation and Maintenance of Green Infrastructure Receiving Runoff from Roads and Parking Lots. Retrieved from https://www.epa.gov/sites/production/files/2016-11/documents/final_gi_maintenance_508.pdf


参考引用 / Source:

Steiner, H., Winston, R., Oabel, A., & Grimm, A. (2020). Curbing Sediment: A Prototyping Process to Explore How to Capture Road Pollutants in Stormwater Events via Curb and Apron Redesign. Landscape Architecture Frontiers, 8(4), 140-149. https://doi.org/10.15302/J-LAF-1-040018


编辑 | 田晓劼

翻译 | 田晓劼 王胤瑜 李慧彦

制作 | 吕童


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