海绵城市典型设施设计思考
1 屋顶绿化
屋顶绿化不仅具有美化环境、隔热、节能环保的特点, 而且还能减少屋面径流量, 提高排放水质。屋顶绿化分为3种类型:简单式种植、花园式种植、容器式种植。图1a和图1b是对既有建筑屋面改造的简单式和花园式种植屋面;图1c是新建建筑屋面的容器式种植屋面。简单式种植是仅种地被植物、低矮灌木, 种植土宜选择轻量化的改良土或无机种植土, 厚度宜为100～300 mm;花园式种植是种植乔灌木和地被植物, 并设置园路、坐凳等休憩、观赏设施, 种植土宜选用无机种植土, 也可采用改良土和田园土, 种植土厚度宜为300～600 mm;容器式种植是在可移动组合的容器、模块中种植植物, 并码放在屋面上, 种植土宜选轻量化的改良土或无机种植土, 厚度宜为100～300 mm。
图1 屋顶绿化类型
Fig.1 Types of green roof
但是屋顶绿化并不适合所有的屋面改造。在设计过程中, 不可轻易草率地将屋面改造为屋顶绿化。《种植屋面工程技术规程》 (JGJ 155-2013) 3.2.3条 (强制性条文) 规定:种植屋面工程结构设计时应计算种植荷载;对既有建筑屋面改造为种植屋面前, 应对原结构进行鉴定。
对于新建建筑, 3种屋顶绿化类型都可实现, 设计者可根据业主要求的屋顶绿化类型考虑相应的种植荷载就可满足要求。而对于既有建筑, 则需要对原结构进行鉴定, 根据鉴定结果决定是否可以做屋顶绿化以及屋顶绿化的类型 (主要是简单式种植或容器式种植) 。但是在实际设计过程中, 对既有建筑屋面进行屋顶绿化往往很难实现, 主要有以下3个原因:①对原屋面结构荷载进行鉴定存在一定的困难, 建设方往往无法提供检测报告;②既有建筑老旧, 图纸缺失, 无法断定其屋面荷载情况;③既有建筑的产权所有者考虑到造价、后期养护、使用年限等因素, 对屋顶绿化存在一定的抵触心理。在没有第三方结构检测报告的情况下, 能否对既有建筑屋面进行海绵改造成为制约设计者的一大难题。经过尝试, 总结出可以根据原设计图纸和通过跟原设计者进行沟通来确定既有建筑屋面的荷载情况。如果没有第三方检测报告, 也无原设计图纸, 则建议原建筑屋面不做屋顶绿化设计。
如果检测出的既有建筑屋面荷载承载力有限, 无法满足屋顶绿化的要求。若此时仍要实现屋顶绿化, 可以对既有建筑屋面先进行改造, 将现有屋面的防水层、找平层、隔热层揭掉, 再重新做防水和耐根穿刺防水层, 由于去除了原找平层和隔热层, 有一部分荷载被释放出来, 再结合原荷载情况, 一般可以实现简单式种植或容器式种植。根据设计经验, 当屋面荷载大于1.5 kN/m2, 选择容器式种植;大于2.0 kN/m2, 选择简单式种植。
2 透水混凝土路面
目前, 透水水泥混凝土在国内还处于发展阶段, 仅适用于小区轻型荷载道路和停车场、公园道路和景观广场的透水混凝土路面工程, 不适用于重交通等级道路。
透水混凝土路面做法:目前已有国家标准、地方标准和图集来推动透水混凝土路面的发展。但是在设计过程中发现, 各标准、图集之间透水混凝土路面存在不一致的地方。
2.1 应用场所区别
《透水水泥混凝土路面技术规程》 (CJJ/T 135-2009) (以下简称“国家行业标准”) 中规定了全透水混凝土和半透水混凝土2种路面
2.2 透水混凝土做法区别
国家行业标准的透水混凝土路面做法见图2a;北京地方标准的水混凝土路面做法见图2b。图2中2种做法主要区别为承重透水层的名称不同, 但都是起到透水、滞水、承重的作用, 均可采用无砂大孔透水混凝土。
图2 透水混凝土做法对比
Fig.2 The comparison of permeable cement concrete practices
国家行业标准规定, 如果用在停车场等通车道路上时, 多孔隙水泥稳定碎石基层不应小于200 mm, 透水混凝土面层厚度不小于180 mm, 强度不小于C30, 抗折强度不小于2.5 MPa;如果用在人行路或其他非行车的广场上时, 可以取消多孔隙水泥稳定碎石基层, 透水混凝土面层厚度不小于80 mm, 强度不小于C20, 抗折强度不小于3.5 MPa。
北京地方标准规定, 不论是什么样的路面, 其面层透水混凝土强度等级均要求不低于C20, 抗折强度不低于2.0 MPa, 只是做法在厚度上有所差别。根据以上对比分析, 总结出了2种规范的主要区别 (见表1) 。
表1 2种规范透水混凝土做法对比
Tab.1 The comparison in twe codes for permeable cement concrete practices
|
应用类型 |
小区行车道 (轻型荷载道路) |
停车场 | 人行路 | |
|
透水面层厚度/mm |
DB 11/T775 |
40～80 | 40～60 | 30～50 |
|
CJJ/T 135 |
≥180 | ≥180 | ≥80 | |
|
透水结构层厚度/mm |
DB 11/T775 |
140～180 | 120～160 | 90～120 |
|
CJJ/T 135 |
≥150 (非透水结构层) | ≥200 | 无 | |
|
面层强度要求/MPa |
DB 11/T775 |
≥C20抗折强度不低于2.0 MPa | ||
|
CJJ/T 135 |
≥C30抗折强度不低于3.5 MPa ≥C20抗折强度不低于2.5 MPa |
|||
|
渗透系数/cm/s |
DB 11/T775 |
0.1 | 0.1 | 0.1 |
|
CJJ/T 135 |
0.05 | 0.05 | 0.05 | |
在设计过程中, 结合以上分析, 确定了人行路、停车场、小区道路的透水混凝土做法 (见图3) 。
图3 不同场所透水混凝土做法
Fig.3 The practice of permeable cement concrete practices in different places
2.3 透水混凝土设计强度
国家行业标准规定, 透水混凝土路面的强度, 应以透水水泥混凝土试块强度为依据。但在设计、施工过程中发现以透水水泥混凝土试块强度为依据存在不合理现象, 试块检验合格, 但实际透水混凝土地面却出现渗透性不强、地面破碎、开裂的问题。经过多次调研和试验分析, 试块强度并不能完全代表现场实际的强度, 试块强度不具代表性。例如设计强度为C30, 试块强度可以达到C30, 而现场采样的样品强度却达不到C25;设计强度为C25, 而样品的强度却达不到C20。造成实际强度比试块强度小的主要原因主要有以下3个方面:①试块是在标养室进行标准养护, 比实际工况环境要好, 测得的试块强度高于实际铺装的强度;②透水混凝土在大面积施工过程中, 在混凝土铺摊、平整、振动过程中会出现压实度不均的问题。压实度与渗透系数成反比, 压实度越高, 强度越大, 渗透系数越小;反之压实度越低, 强度越小, 渗透系数越大。透水混凝土在施工过程中对施工人员的要求较高, 需要施工人员凭经验找出临界点, 既要保证强度, 又要保证渗透系数, 难度较大。因此现场取样往往会出现厚度不均、强度不均的问题;③在现场取样过程中会有振动, 会对样品造成一定的破坏, 强度会衰减, 在反复抗压试验过程中发现, 现场取芯强度会衰减约20%。因此在设计中总结出了以试块强度为依据, 并结合现场取芯样品强度为参考, 综合考评现场实际透水混凝土的强度。
设计和施工过程中还存在一个问题是国家行业标准对停车场、行车路的设计强度偏高, 设计抗压强度要达到C30。但在施工过程中发现, 具有施工资质的企业往往无法达到C30。由于透水混凝土的强度与渗透系数成反比关系, 透水混凝土强度不是定的越高越好, 而是在满足使用需求的前提下, 合理制定设计强度。北京地方标准设计强度为C20, 不同路面其厚度不同。经过试验分析, C20强度指标较为合理, 综合国家行业标准和北京地方标准, 并结合现场实际情况, 停车场和轻型荷载行车路的透水混凝土设计强度定为C25, 渗透系数不小于0.05 cm/s, 同时规定试块强度不应小于C25, 取芯样品的强度则不应低于C20。而对于人行路的透水混凝土路面, 其设计强度不应低于C20, 渗透系数不小于0.1 cm/s, 试块强度不应小于C20, 取芯样品的强度则不应低于C15。
因此注重取芯样品的强度, 可以有效避免现场实际强度与试块偏差较大的问题, 避免施工企业弄虚作假、重试块轻实际效果的问题, 有利于保障和提高实际透水混凝土铺装的强度和渗透效果。嘉兴市国际会展中心办公楼外透水混凝土停车场设计强度为C25, 取芯强度C20。停车场运行2年多来, 经受住了强降雨和机动车的考验, 未出现地面积水现象, 也没有出现开裂、磨损、脱落的问题, 各项指标达到了设计要求 (见图4) 。
图4 透水混凝土路面实际效果
Fig.4 The actual effect of pervious concrete pavement
3 透水砖铺装
目前市场上的透水砖主要有混凝土透水砖、陶瓷透水砖、硅砂透水砖。透水砖铺装做法见图5。
图5 透水砖做法示意
Fig.5 The drawing of permeable Brick Practice
3.1 透水砖产品参数差异
《透水路面砖和透水路面板》 (GB/T 25993-2010) 和《透水砖路面技术规程》 (CJJ/T 188-2012) 中关于透水砖性能指标参数对比见表2。
结合2种规范参数的不同, 并结合生产厂家的产品性能, 最终确定了透水砖 (板) 的主要性能参数 (见表3) 。
3.2 找平层存在问题
根据规范和相关图集的做法, 找平层做法主要为1∶5～1∶7干硬性水泥砂浆、中粗砂、碎石或石屑等。干硬性水泥砂浆找平层主要用于停车场、行车道的透水砖铺装;中粗砂、碎石或石屑适用于人行路的透水砖铺装。但是在实际施工过程中发现干硬性水泥砂浆后期会存在板结导致不透水的问题, 中粗砂、石屑会出现在降雨过程中随雨水流失从而导致透水砖松动、不平甚至脱落的问题。经过现场试验, 总结出1∶5～1∶7干硬性水泥砂浆要采用粗砂来解决后期板结不透水问题, 而水泥用量为原用量的80%左右, 1∶5～1∶7干硬性水泥砂浆可根据经验“手握成团、落地成砂”来鉴别, 或者采用细石透水混凝土代替干硬性水泥砂浆解决后期不透水问题。中粗砂或石屑找平层为防止砂或石屑的流失, 可将透水砖铺装以1 m×1 m为单元将砂或石屑固定。以上2种方法效果较好。
表2 2种规范对透水砖性能对比
Tab.2 The performance comparison of two codes for permeable bricks
|
标准 |
透水性能 /cm/s |
强度指标 |
||
|
抗压强度/MPa |
劈裂抗拉强度/MPa | 抗折强度/MPa | ||
| 《透水路面砖和透水路面板》 |
A级≥0.02 B级≥0.01 |
不作要求 |
适用于透水砖 (长宽比值不大于4) 均值≥3.0;单块最小值≥2.4 |
适用于透水板 (长宽比值大于4) 均值≥3.0;单块最小值≥2.4 |
|
《透水砖路面技术规程》 |
≥0.01 |
人行道:均值≥40, 单块最小值≥35 停车场:均值≥50, 单块最小值≥42 |
不作要求 |
人行道:均值≥5.0, 单块最小值≥4.2 停车场:均值≥6.0, 单块最小值≥5.0 |
表3 透水砖 (板) 主要性能参数
Tab.3 The main performance parameters for permeable paving bricks (flags)
|
种类 |
透水性能 /cm/s |
强度指标 |
|
|
劈裂抗拉强度 /MPa |
抗折强度 /MPa |
||
| 透水砖 | A级≥0.02 |
均值≥3.0 单块最小值≥2.4 |
人行道:均值≥5.0;单块最小值≥4.2 停车场:均值≥6.0;单块最小值≥5.0 |
|
透水板 |
B级≥0.01 | 不作要求 | 均值≥3.0;单块最小值≥2.4 |
3.3 新型透水砖
除了传统的透水砖以外, 缝隙式结构透水砖也可被认为是透水铺装的一种 (见图6) 。此种透水砖不是利用砖的本身进行透水, 而是采用砖与砖之间的缝隙来实现透水。透水砖存在强度小、渗透性逐渐衰减的问题, 而缝隙式结构透水砖则不会这种问题。缝隙式透水砖可用于广场、停车场等场所。从近3年海绵设施运行效果来看, 以上海绵设施的渗透性能从大到小依次排列为:缝隙式结构透水砖>透水混凝土>透水砖。从设计角度, 透水混凝土由于兼顾了持久良好的透水性能和强度性能, 应优先予以采用。
图6 缝隙式结构透水砖做法示意
Fig.6 The drawing of crevice permeable brick
4 结论
海绵设计是个系统工程, 海绵设施多种多样, 既有源头控制措施, 也有末端治理设施, 要达到海绵城市的年径流总量控制率和年径流污染控制率目标, 海绵设施的选择至关重要。海绵设施的选择与做法与当地的气候、土壤地质、地下水水位等因素密切相关, 同一种海绵设施在不同地区就有不同的做法与功能。海绵设施设计过程中不能一味地照搬标准和图集做法, 应因地制宜, 充分结合现状条件, 勇于创新, 设计出适合当地条件的更加合理的海绵设施, 更大程度的发挥其生态效能, 实现海绵城市的目标。
[2] DB11/T 775-2010 透水混凝土路面技术规程[S].