城市高架橋橋陰光環境實測模擬分析*

王 可 戴 菲 殷利華

1 金華職業技術學院 浙江金華 32100 2 華中科技大學建筑與城市規劃學院 武漢 430074

城市高架橋在有效緩解交通壓力的同時， 由高架橋灰色空間衍生出的環境問題愈發明顯[1-6]。我國大量城市高架橋橋陰多采用綠植方式美化空間， 但因高架橋架構特點， 橋陰綠化受光環境限制明顯[7-9]。 目前針對高架橋光環境的研究主要集中在光分布特征及光照強度方面， 研究方法多依靠軟件模擬， 少有實測性數據支撐。 已有研究發現橋陰光環境主要受橋體走向、 橋寬高比、 導光縫等方面的影響， 但影響機制研究不夠深入[10-11]。 針對光環境下的橋陰綠化， 有些學者通過對典型綠化植物耐陰性的測定劃分了相應的耐陰性等級， 并建議橋陰植物應進行光照測試篩選再合理布局， 但研究成果仍停留在理論層面， 實操指導性不強[12-14]。 基于此， 本文通過現場實測并結合Ecotect Analysis 軟件模擬橋陰光環境特征進行綜合性研究； 根據現有研究結果， 探討光環境下幾種橋陰綠化方式的植物配置模式， 為以武漢為代表的中部地區橋陰綠化設計提供實踐指導。

1 研究方法

1.1 高架樣本的基本情況

武漢“三環六聯十三射”及其他區域的高架橋共有54 座，總長達320 km。 與此同時，武漢主城區高架橋橋陰植物生長狀況差、植物類型單一等綠化景觀問題明顯。 基于此，本文以橋寬高比、橋體走向、橋陰綠化類型、導光縫(高架橋兩方向車道之間的分隔縫)4 個因素作為樣本篩選標準，同時要求測量區域均為單層、直通結構，其橋陰綠化種植時間超過1 年，且植物生長良好；最終在武漢主城區選取荷葉山段高架、關山一路立交、卓刀泉立交、珞獅北路高架作為樣本，并根據樣本的區域位置、利用形式、橋體走向，分成A 組、B 組(表1)。

表1 高架橋研究樣本信息匯總

1.2 光照實測

本文光照實測方法借鑒已有的研究經驗[10]，利用模擬軟件確定橋下測量點位置， 采用照度儀進行測量， 同時將實測數據與模擬結果比對， 確定實測與模型的吻合程度。

1.2.1 模擬軟件與實測儀器

依據實測數據完成樣本建模， 并將三維模型導入Autodesk Ecotect Analysis 軟件中， 為后續模擬4 個樣本不同時間的平均日光合有效輻射(Photosynthetic Active Radiation， PAR) 做好準備。

光照強度實測選用臺灣泰仕TES-1336A 型號照度儀， 測量范圍為0 ～20000Lux/Fc， 測量精度為± (3%rdg ＋5dgts)， 測量數值以Lux 為單位。

1.2.2 實測時間

實測時間為2020 年1 月16—19 日， 其中16 日實測珞獅北路高架， 17 日實測卓刀泉立交， 18 日實測荷葉山段高架， 19 日實測關山一路高架。 測量時間以武漢冬季日出時間7 ∶30 開始， 以日落時間17 ∶00 結束。

1.2.3 實測點布置及分析方式

選取A、 B 兩組樣本標準橋段的標準墩間， 設置與橋體走向垂直的測量帶。 關于測點位置的設定， 為保證測點位置的合理性， 首先利用Ecotect軟件模擬不同樣本測量當日的平均日PAR， 后根據模擬結果將測量點設置在不同顏色分布區域(顏色越深代表平均PAR 值越大)。 最終各樣本測點布置情況如圖1 所示: 關山一路測量點為A1、 A2、 A3、A4、 A5， 測點處橋陰凈高為6.5 m； 荷葉山段測量點為A6、 A7、 A8、 A9、 A10， 測點處橋陰凈高為9.5 m； 珞獅北路測量點為B1、 B2、 B3、 B4， 測點處橋陰凈高為7.5 m； 卓刀泉測量點B5、 B6、 B7、B8， 測點處橋陰凈高為4.5 m。

此外， 在4 個高架樣本橋陰外不受其他遮陰物影響的點設置全日照測量對比組C， 關山一路為C1、 荷葉山段為C2、 珞獅北路C3、 卓刀泉為C4。所有測點在每個測量時刻測定3 次， 取3 次的平均數。 以每30min 循環1 次， 在測量時間內每個測點得到20 個數據。 對比分析公式為: 光照率＝橋陰下某測點光照強度/對應時刻的全日照光照強度。

1.3 光照模擬方法

依托Ecotect Analysis 軟件， 將周邊在無遮擋環境的A、 B 組高架樣本作為基本模型， 設置A、B 組樣本橋寬(W) 不變， 調節A、 B 組樣本不同走向的橋陰空間凈高大小(H)。 為確保普適性， 隨機選取不存在規律的3 組橋寬高之比(W/H 分別為2.3、 3.6、 4.3) 進行橋陰光照模擬。選取Ecotect Analysis 軟件主菜單頁面“計算” 欄中“入射輻射分析” 的“天空系數和光合有效輻射(PAR) ” “投影、 遮擋和日照時數”； 指定模擬時間為夏至日、 冬至日以及植物有效生長期(4 月1 日—10 月31 日)， 分析日照時間段為7 ∶00—17 ∶00， 其中夏至日、 冬至日、 植物有效生長期的全日照PAR 為固定值， 分別為9.3 MJ/(m2·d)、 3.2 MJ/ (m2·d)、 6.2 MJ/ (m2·d)。

2 結果與分析

2.1 實測結果與分析

橋陰各測點在各時間的光照率大多低于30%，說明橋陰光環境惡劣。 各測點光照率大小排序(圖2 至圖5) 與前期Autodesk Ecotect Analysis 軟件模擬結果(圖1) 基本吻合。 對比A 組、 B 組內2 個樣本的結果表明:

圖1 樣本高架橋橋陰空間光照測量點分布示意圖

圖2 珞獅北路高架1 月16 日各測點光照率趨勢變化圖

圖5 關山一路立交1 月19 日各測點光照率趨勢變化圖

圖3 卓刀泉立交1 月17 日各測點光照率趨勢變化圖

圖4 荷葉山段高架1 月18 日各測點光照率趨勢變化圖

1) 東西走向高架橋橋陰光照不呈對稱分布，橋陰南側光照條件好， 北側較之稍差。 關山一路高架較好光照空間是在南側橋陰至往北約6m 寬的范圍內， 關山一路北側的較好光照空間范圍則是距橋沿約1 m 寬的范圍內。

2) 南北走向高架橋橋陰光照呈近似對稱分布， 表現為兩側好中間差。 荷葉山段較好光照空間是在距橋陰外沿約5 m 寬的范圍內， 珞獅北路的則在距外沿約4 m 寬的范圍內。 橋體凈高H、橋面寬度W 是導致橋陰較好光照空間范圍變化的原因。 通過比較A5 和A6 測點的光照率， 發現相同橋寬、 凈高， 東西走向的橋陰南側光照條件要優于南北走向的兩側光照條件。

3) 對比關山一路及荷葉山段A3、 A8 測點結果(A3、 A8 測點位于兩個高架橋導光縫正下方)發現， 導光縫在冬季對高架橋橋陰的中央光照改善不明顯， 對東西走向高架改善作用最弱。

2.2 模擬結果與分析

根據植物光合作用對光強度的需求， 本文將PAR≤157 μmol·m-2·s-1作為低光強的界限標準[15]， 因Ecotect Analysis 軟件中PAR 單位為MJ/(m2·d)， 依據公式[10]轉化得出PAR≤1.2 MJ/(m2·d) 為植物光合作用低光強的界限標準， 而最小全日照PAR 為冬至日的3.2 MJ/ (m2·d)，因此將二者作為判別PAR 高低的界限[14]。

結合軟件模擬結果， 重點分析對比低PAR[PAR ＜1.2 MJ/ (m2·d) ]面積比、 中PAR[1.2 MJ/ (m2·d) ≤PAR＜3.2 MJ/ (m2·d) ]面積比、 高PAR [PAR≥3.2 MJ/ (m2·d) ]面積比、 平均日照時長比(模擬點日照時長占全日照時長的百分比) 4 項指標， 解析橋陰光照受時間、 走向、 橋寬高之比(W/H) 的變化規律(圖6、 圖7)。 對比結果表明:

圖6 不同W/H 與不同橋體走向下的PAR 面積比

圖7 不同W/H 與不同橋體走向下的平均日照時長占比

1) 夏至日時， 相同橋體走向下隨著W/H 增加， 橋陰低PAR 面積比最初上升幅度較大而后上升幅度較小， 中PAR 面積比呈下降趨勢， 高PAR面積比和平均日照時長占比基本穩定； 觀察不同走向下4 項指標的變化可知， 與東西走向相比，南北走向的橋陰PAR 受W/H 影響更大。

2) 冬至日時，相同橋體走向下隨著W/H 增加，橋陰低PAR 面積比上升明顯，中PAR 面積比下降明顯，高PAR 面積比均為0，平均日照時長占比隨之下降；觀察不同走向下4 項指標的變化可知，與東西走向相比，南北走向橋陰PAR 受W/H 影響略小。

3) 4—10 月， 相同橋體走向下隨著W/H 增加， 橋陰低PAR 面積占比上升明顯， 中PAR 面積占比下降明顯， 高PAR 面積占比則幾乎不變，平均日照時長占比隨之下降； 觀察不同走向下4項指標的變化發現， 與東西走向相比， 南北走向受W/H 影響更大更顯著。

3 結論與建議

3.1 結論

1) 不同橋體走向的橋陰光照條件受時間規律影響。 一年之中， 東西走向高架橋橋陰空間最差光照條件時間是夏至日， 最優是冬至日； 而南北走向橋陰空間的最差光照條件時間和最優光照條件時間則分別是冬至日和夏至日； 在植物有效生長期， 南北走向高架橋橋陰光照條件要優于東西向。

2) 不同橋體走向的橋陰光照強度在空間分布上差異較大。 南北橋體走向的光照強度空間分布呈兩邊高中間低的態勢， 而東西走向橋陰南側的光照強度優于北側， 較好光照條件的范圍而且比北側也要大。

3) W/H 值對不同走向的高架橋光照條件影響程度不同。 在一定范圍內， W/H 值越小， 橋陰光環境越好， 但其改善能力相對有限， W/H 值對高PAR 的提升無能為力， 最短日照時長及最長日照時長受W/H 值的影響亦極其有限； 在植物有效生長期， 南北走向高架受W/H 影響要比東西向顯著。

4) 導光縫的設置對南北走向橋體橋陰光照的改善相對東西走向要大。

3.2 建議

3.2.1 適光植物設計

對于尚在規劃的高架橋， 可從提升光環境的方向入手， 在其他工程條件滿足的情況下， 建議高架橋盡量設置為偏南北走向； 同時建議在保障工程安全及經濟允許的前提下， 通過調小W/H設計值改善橋陰的光照。

對于已經規劃或建設完成的高架橋， 可根據實際情況進行植物有效生長期的橋陰空間平均日PAR模擬分析， 橋陰空間參照陰生植物、 陽生植物、 耐陰植物的需光度分類可劃分為4 類區域[14-15]: 不適植物生長區， 即平均日PAR＜0.13 MJ/ (m2·d)；陰生植物生長區， 即平均日PAR 0.13 ～1.23 MJ/(m2·d)； 耐陰植物生長區， 即平均日PAR 在1.23～4.31 MJ/ (m2·d)； 陽生植物生長區， 即平均日PAR＞4.31 MJ/ (m2·d)。 隨后對應不同分區選擇相應的適光植物進行設計。

3.2.2 中部地區適光植物配置

橋陰綠化以帶狀綠化為主， 根據綠化帶形態可分為全幅綠化帶、 中央分車綠化帶及兩側分車綠化帶3 類。 針對3 種橋陰綠化形式， 結合研究結果， 參照《湖北植物志》 《認識中國植物華中分冊》 等相關書籍[16-17]， 推薦可直接應用于中部地區的橋陰綠化植物如表2 所示。

表2 (續)

表2 橋陰綠化植物推薦表