海绵城市建设背景下绿色屋顶的景观设计 — 以加州科学院为例外文翻译资料

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海绵城市建设背景下绿色屋顶的景观设计 -- 以加州科学院为例

摘要 本文以加州科学院的绿色屋顶为例，从三个方面阐述了绿色屋顶在可持续城市规划中的作用：景观连接，建筑节能和城市环境，并提出了创新的设计元素。结合当前中国城市问题和国内外绿色屋顶的研究现状，分析了加州科学院的绿色屋顶对中国海绵城市建设的启示以及未来城市设计的指导作用。

关键词 海绵城市，绿化屋顶，屋顶景观

由于城市化的快速发展，中国城市渗透性下垫面面积持续减少，导致雨水径流量增加，地下水供应减少，暴雨洪峰强度增加，造成大量洪涝灾害^[1-2]。面对日益严重的城市降雨问题，世界各地的专家学者开始研究雨水管理的概念，实施雨水的“生态管理和源头管理”，让雨水尽可能多地重新进入雨水循环。尽可能地使用自然过程来管理雨水的数量和质量^[3]。绿色屋顶作为建筑屋面雨水管理的方法之一，受到国内外的广泛关注，并得到了广泛的应用，取得了良好的效果^[3]。利用低影响发展（LID）理论，住房和城乡建设部于2014年发布了“海绵城市建设指南--低影响发展雨水系统建设指南”。然而，绿色屋顶作为海绵之一，没有得到足够的重视。建筑屋顶面积约占城市土地面积的50％，占了该市不透水面积的很大比例。当发生降雨时，建筑物屋顶上的雨水迅速聚集形成径流，并通过建筑物的落水管转移到城市地表或城市排水系统。绿色屋顶不仅可以利用植物层、基层及其附属结构来储存雨水，还可以适应中国城市地价较高的实际情况。加州科学院的绿色屋顶巧妙地将屋顶景观与周围的建筑景观相结合，实现了许多目标，如节能减排、减少热岛效应、调节雨水、扩大城市生物多样性，提供新思路对于中国的海绵城市建设。

1.加州科学院的绿色屋顶

1.1加州科学院绿色屋顶介绍

著名的加州科学院位于旧金山市中心的金门公园，是一座旨在“探索、分析和保护自然世界”的现代化博物馆。由普利兹克奖获得者Renzo Piano设计，建筑面积为3.7 hm²，融合了可持续技术，自然系统和创新设计^[4-5]。加州科学院最引人注目的是包含山坡和丘陵的绿色屋顶。绿色屋顶面积为1.5 hm²，种植了50种原生野花和其他植被，极大地丰富了生物多样性。此外，绿色屋顶使整个建筑看起来像是在树荫下建造的。加州科学院是可持续建筑的杰作，它将创新特征和控制系统无缝结合了起来，最大限度地减少生态足迹，并将0.6 hm²不透水的地面转变为新花园，以便可以使博物馆与外面成熟的金门公园相连^[4,7]。其中的一项使得加州科学院在美国绿色建筑委员会的能源和环境设计主导的评估系统中获得了LEED最高的“绿色建筑白金奖”^[5]。此外，2005年，该学院因其绿色设施的创新设计而被选为北美可持续建筑设计Holcim银奖的获奖者；2006年，它获得了美国环境保护局颁发的环境保护奖；2008年，它赢得了健康城市绿色屋顶奖；并于2009年获得美国景观设计师协会（ASLA）设计奖^[5,7]。

1.2绿色屋顶在维护城市可持续发展中的作用

从景观角度来看，加州科学院的屋顶是建筑师有史以来设计的最复杂的绿色屋顶^[8]。它有七个引人注目的土墩，是旧金山的七个主要山丘的浪漫回声，包括电报山，诺布山，俄罗斯山，林孔山，苏特罗山，双峰和戴维森山^[5]。主建筑师Renzo Piano描述了加州科学院绿色屋顶的设计部分相似于金门公园，然后在下面放置了一座建筑（图1）。这个绿色屋顶是以表面景观的延伸为设计理念^[6]。这种创新的屋顶使加利福尼亚科学院成为一个无论是外观还是自然都名副其实的绿色建筑^[8]。

在建筑节能方面，起伏的丘陵和绿地面积占屋顶总面积的87％，从而为本地野生动物提供栖息地^[9]。两个最大的土墩，由天窗形成的弧形流线作为补充，已成为莫里森天文馆和世界雨林的圆顶^[9]。它们不仅保持了展馆形状的一致性，而且反映了生态系统的相互依存^[8]。在建筑物通风方面，坡度为45-60°的土堆可以将冷空气引导到建筑物的中心，并使建筑物的其他部分如莫里森天文馆和世界雨林以及斯坦哈特水族馆实现自然通风^[10]。来自太平洋的风吹进了内部，使游客无法感觉到它们位于一个包含许多亭子的建筑物内。在土墩上有热敏感的圆形天窗可以根据学院内的温度自动打开和关闭^[5]。当建筑温度达到一定摄氏度时，天窗将自动打开，使建筑物内部的热量从圆顶消散^[8]。在建筑物照明方面，嵌入绿色屋顶的半透明面板允许自然光照亮通过屋顶内部并减少人造光源的能量消耗，从而减少水族箱对人造光源的依赖，使新水族箱的面积比旧水族箱的面积大6倍^[10]。此外，屋顶上的气象站监测风向、降雨量、温度变化，以协助建筑物的自动控制系统和天窗控制系统，从而确保世界雨林的温度要求，并保持凉爽、舒适和自然光的凉亭大厅^[9]。屋顶植被也基于天气的有效灌溉技术控制，有助于减少绿色屋顶的浇水。植被经过精心设计，确保至少30％的非屋顶防渗地面将被绿色遮蔽^[4]。

就城市环境而言，加州科学院的绿色屋顶周围环绕着60,000个光伏电池，每年产生约213,000千瓦时的能量。这提供了学院5-10％的能源需求，并防止每年释放超过100,000立方米的温室气体排放^[5]。这个充满活力的屋顶还提供了出色的隔音效果，并将低频噪音降低了40分贝。与此同时，绿色环保的另一个重要作用是储存雨水并减少水面流失。据统计，加利福尼亚科学院的绿色屋顶每年可以吸收7,570-136,274立方米的雨水，减少至少了90-98％的地表径流，从而减少排水管的流量^[4,5]。它还可以通过过滤和吸附植被和土壤等过程来改善雨水质量。

图1 加州科学院的鸟瞰图

1.3绿色屋顶基板层的创新设计

绿色屋顶的基质层不仅为植物提供生长营养，而且还在管理径流水质和水量方面发挥作用^[11]。加利福尼亚科学院的绿色屋顶比任何其他绿色屋顶坡更陡，坡度为45-60°，这给绿化植被增加了很多困难^[8]。因此，设计团队为陡峭的屋顶开发了一种创新的基层。

为了防止植被和土壤从斜坡上滑落，设计师使用了全尺寸模型测试多层土壤排水和锚固系统，并且开发了一种新的可持续安装方法，使用由树脂和椰子纤维制成的多孔可生物降解托盘^[4，5]。托盘的原料来自菲律宾椰子树的废物。这些托盘像瓷砖一样安装在屋顶上。植被的根部可以穿过托盘，然后被缠绕并整合为植物的根部，从而形成稳定的绿色屋顶基板^[6,8]。经过几年的安装，这些有机托盘将慢慢地分解和融合在一起，以补充土壤结构中的腐殖质和植物生长所需的营养，留下一整块由植物和野花编织而成的“地毯”。 Rana Creek提供了近50,000个17Prime;times;17Prime;可生物降解的椰壳托盘^[7]。这种椰壳纤维托盘和土壤一起形成约7.5厘米厚的生长基质，为建筑物提供了非常有效的隔热效果^[6]。在这些千层透水的托盘中种植了约170万株植物。托盘下方是一个由线性石头填充篮子构成的网格框架（石笼）通道。它可以组织排水，是7.5厘米土壤和椰壳基质和植被的支撑平台^[5,8]。整个绿色屋顶模仿了天然山地生态系统的特征，吸引了原生动物栖息。

1.4将本地植被应用于绿色屋顶的实践

首席设计师Renzo Piano希望这款透气的绿色屋顶可以容纳北加州的本土植物。植物学家Frank Almeda和他们的团队花了两年多的时间测试了30多种原生植物。他们在花盆里种植植物并模拟山坡陡坡的斜坡^[8]。并且这些植物在没有受精和浇水的情况下生长。在恶劣的环境下，选择了九种最重要的本土植物。其中，四种植物是多年生植物：智利草莓，海洋阿美氏菌，普氏野草和刺槐（Hylotelephium erythrostictum）；一年生植物有五种：Eschscholzia californica，Lupinus micranthus，Lysimachia christinae，Planago depressa和Layia platyglossa。选定的9个相对较短的植物有助于保持修剪整齐的外观和表现屋顶结构的起伏图案^[5]。

在地表植物的栽培中，本土植物可以更好地适应当地环境，而外来植物需要更多的水、肥料和杀虫剂，因此本地植物可以更好地维护和管理进口的外来植物。然而，与地表景观不同的是在屋顶上种植的本土植物距离地面10.7米。屋顶一般冬季寒冷、夏季炎热、土壤容易干燥^[4,12]。由于屋顶的环境与地面非常不同，因此将原生植物移植到屋顶并不容易。如果植物维护得不好，它们会大量枯萎^[12]。在为期三年的研究期间，Frank Almeda及其团队建立并监测了一系列绿色模型，以模拟不同的原生植物组合，同时研究具有蓄水能力的绿色屋顶的生长基质和排水层^[7]。

使用面包店冷藏卡车将所有需要的本地植物运送到加利福尼亚科学院的屋顶，并由工作人员在绿色屋顶的基层上培养^[9]。这些植物一年四季都很美丽，在旧金山形成了一个微型的当地花卉展。与此同时，本土植物吸引了大量的野生动物，包括濒临灭绝的海湾Checkerspot和San Bruno小精灵^[8]。根据加州科学院的网站，本土植物为各种野生动物提供了栖息地。具体而言，智利草莓的果实吸引了大量的本土鸟类；夏枯草的花朵吸引了蜂鸟和大黄蜂； Armeria maritima的花朵吸引飞蛾和蝴蝶；Hirst（Hlotelephium erythrostictum）的花蜜受到Hairstreak和濒临灭绝的San Bruno小精灵的青睐；Layia playglossa吸引寄生蜂和海盗吃害虫；羽扇豆和Eschscholtzia califomica的花蜜吸引蜜蜂和蝴蝶；车前草（Plantago depressa）是一种栖息在各种蝴蝶幼虫中的植被^[12]。正如植物学家阿尔梅达所说：“我们的目标是筛选适应金门公园气候的本土植物，为本地鸟类、蝴蝶和其他植物提供栖息地^[9]”。

1.5绿色屋顶公共教育的作用

加州科学院致力于将研究和教育结合在一起，在自然历史博物馆中是独一无二的。学院的绿色屋顶是其教育课程的一部分，自成立以来已成为其他绿色屋顶的典范。屋顶上有一个325平方米的观景平台，让游客可以看到屋顶上的植物树冠^[5]。在这个可容纳200人的观景平台上，评论板详细解释了绿色屋顶和金门公园的代表性景观，这是教育游客提高公众环保意识的好方法。更多的原生一年生植物，多年生植物和草被引入观景平台，既可以丰富屋顶，又可以增加生物多样性。正如加州科学院的执行董事格雷戈里·法林顿所说，该学院的目标是创建一个新的展馆模型，即学院不仅拥有强大的展品，而且本身也是一个鼓励游客保护自然的展览。资源和保持生物多样性的多样性^[13]。绿色屋顶上的鸟类，生命和周围环境形成了一个自然的实验室，传达了可持续发展的概念。

2.加州科学院绿色屋顶对中国城市建设的启示

2.1海绵城市能有效缓解中国地区的涝渍

中国海绵城市建设的核心理念源于美国的LID理论，即减少源头雨水径流、净化雨水水质、有效保护城市的水文机制^[14,15]。绿化屋顶可以利用植物层，种植基质层及其辅助结构来储存雨水，具有减少屋顶雨水径流总量和峰值流量、延缓径流产生时间的功能^[2]。一方面，中国的内涝问题严重。根据2010年中国住房和城乡建设部对351个城市进行的调查，2008年至2010年间有62％的城市遇到了水涝问题，137个城市遇到了三次以上的灾害^[16]。另一方面，国内外的研究成果证明了绿色屋顶在调节雨水中的作用。国际上，Mentens的研究表明，绿色屋顶可以有效减少降雨径流和峰值流量，延缓径流时间；Simmons的研究指出，绿色屋顶可以减少洪峰，通常大约10分钟就可以达到洪峰的到来； Schroll等人。发现雨季的绿色屋顶只能减少26％的屋顶径流，并且在旱季可以减少65％的屋顶径流^[14]。在国内，唐一华等人在绿色屋顶上进行了人工降雨径流观测试验，建立了一维过滤模型HYDRUS-1D，模拟了绿化屋顶的雨水滞留效应；王树民等。发现当该地区的屋顶全部绿化时，峰值降雨径流量可减少5.3％，城市径流总量可减少31％，绿化屋顶面积占城市总面积的25％，降雨量持续15分钟，降雨强度为14.8毫米/小时。

总之，作为LID的主要技术措施，有效利用城市建筑“第五立面”的绿色屋顶可以有效缓解城市内涝，提高雨水资源利用率，而不占用城市土地^[17]。

2.2中国未来城市设计的发展方向

在未来的中国城市设计中，绿色屋顶应作为城市设计的发展方向。就像加州科学院的设计理念一样，除了重温涝渍外，绿色屋顶还具有节能减排，减少城市“热岛效应”，抑制城市温室效应，减少初始雨水污染，空气污染和噪音污染等一系列功能。此外，绿色屋顶可用于实现“屋顶景观土地”与周围景观系统的连接，增强城市景观，同时提高城市绿化率。鉴于中国人口较多、土地较少，同时还面临各种环境问题，因此广泛推广绿色屋顶显得尤为重要。因此，在未来的中国城市设计中，应以绿色屋顶为设计方向，并从两个层面的设计和管理中补充相关政策法规，指导中国城市空间绿色屋顶的建设。

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