城市高架桥桥阴光环境实测模拟分析*

王 可 戴 菲 殷利华

1 金华职业技术学院 浙江金华 32100 2 华中科技大学建筑与城市规划学院 武汉 430074

城市高架桥在有效缓解交通压力的同时， 由高架桥灰色空间衍生出的环境问题愈发明显[1-6]。我国大量城市高架桥桥阴多采用绿植方式美化空间， 但因高架桥架构特点， 桥阴绿化受光环境限制明显[7-9]。 目前针对高架桥光环境的研究主要集中在光分布特征及光照强度方面， 研究方法多依靠软件模拟， 少有实测性数据支撑。 已有研究发现桥阴光环境主要受桥体走向、 桥宽高比、 导光缝等方面的影响， 但影响机制研究不够深入[10-11]。 针对光环境下的桥阴绿化， 有些学者通过对典型绿化植物耐阴性的测定划分了相应的耐阴性等级， 并建议桥阴植物应进行光照测试筛选再合理布局， 但研究成果仍停留在理论层面， 实操指导性不强[12-14]。 基于此， 本文通过现场实测并结合Ecotect Analysis 软件模拟桥阴光环境特征进行综合性研究； 根据现有研究结果， 探讨光环境下几种桥阴绿化方式的植物配置模式， 为以武汉为代表的中部地区桥阴绿化设计提供实践指导。

1 研究方法

1.1 高架样本的基本情况

武汉“三环六联十三射”及其他区域的高架桥共有54 座，总长达320 km。 与此同时，武汉主城区高架桥桥阴植物生长状况差、植物类型单一等绿化景观问题明显。 基于此，本文以桥宽高比、桥体走向、桥阴绿化类型、导光缝(高架桥两方向车道之间的分隔缝)4 个因素作为样本筛选标准，同时要求测量区域均为单层、直通结构，其桥阴绿化种植时间超过1 年，且植物生长良好；最终在武汉主城区选取荷叶山段高架、关山一路立交、卓刀泉立交、珞狮北路高架作为样本，并根据样本的区域位置、利用形式、桥体走向，分成A 组、B 组(表1)。

表1 高架桥研究样本信息汇总

1.2 光照实测

本文光照实测方法借鉴已有的研究经验[10]，利用模拟软件确定桥下测量点位置， 采用照度仪进行测量， 同时将实测数据与模拟结果比对， 确定实测与模型的吻合程度。

1.2.1 模拟软件与实测仪器

依据实测数据完成样本建模， 并将三维模型导入Autodesk Ecotect Analysis 软件中， 为后续模拟4 个样本不同时间的平均日光合有效辐射(Photosynthetic Active Radiation， PAR) 做好准备。

光照强度实测选用台湾泰仕TES-1336A 型号照度仪， 测量范围为0 ～20000Lux/Fc， 测量精度为± (3%rdg ＋5dgts)， 测量数值以Lux 为单位。

1.2.2 实测时间

实测时间为2020 年1 月16—19 日， 其中16 日实测珞狮北路高架， 17 日实测卓刀泉立交， 18 日实测荷叶山段高架， 19 日实测关山一路高架。 测量时间以武汉冬季日出时间7 ∶30 开始， 以日落时间17 ∶00 结束。

1.2.3 实测点布置及分析方式

选取A、 B 两组样本标准桥段的标准墩间， 设置与桥体走向垂直的测量带。 关于测点位置的设定， 为保证测点位置的合理性， 首先利用Ecotect软件模拟不同样本测量当日的平均日PAR， 后根据模拟结果将测量点设置在不同颜色分布区域(颜色越深代表平均PAR 值越大)。 最终各样本测点布置情况如图1 所示: 关山一路测量点为A1、 A2、 A3、A4、 A5， 测点处桥阴净高为6.5 m； 荷叶山段测量点为A6、 A7、 A8、 A9、 A10， 测点处桥阴净高为9.5 m； 珞狮北路测量点为B1、 B2、 B3、 B4， 测点处桥阴净高为7.5 m； 卓刀泉测量点B5、 B6、 B7、B8， 测点处桥阴净高为4.5 m。

此外， 在4 个高架样本桥阴外不受其他遮阴物影响的点设置全日照测量对比组C， 关山一路为C1、 荷叶山段为C2、 珞狮北路C3、 卓刀泉为C4。所有测点在每个测量时刻测定3 次， 取3 次的平均数。 以每30min 循环1 次， 在测量时间内每个测点得到20 个数据。 对比分析公式为: 光照率＝桥阴下某测点光照强度/对应时刻的全日照光照强度。

1.3 光照模拟方法

依托Ecotect Analysis 软件， 将周边在无遮挡环境的A、 B 组高架样本作为基本模型， 设置A、B 组样本桥宽(W) 不变， 调节A、 B 组样本不同走向的桥阴空间净高大小(H)。 为确保普适性， 随机选取不存在规律的3 组桥宽高之比(W/H 分别为2.3、 3.6、 4.3) 进行桥阴光照模拟。选取Ecotect Analysis 软件主菜单页面“计算” 栏中“入射辐射分析” 的“天空系数和光合有效辐射(PAR) ” “投影、 遮挡和日照时数”； 指定模拟时间为夏至日、 冬至日以及植物有效生长期(4 月1 日—10 月31 日)， 分析日照时间段为7 ∶00—17 ∶00， 其中夏至日、 冬至日、 植物有效生长期的全日照PAR 为固定值， 分别为9.3 MJ/(m2·d)、 3.2 MJ/ (m2·d)、 6.2 MJ/ (m2·d)。

2 结果与分析

2.1 实测结果与分析

桥阴各测点在各时间的光照率大多低于30%，说明桥阴光环境恶劣。 各测点光照率大小排序(图2 至图5) 与前期Autodesk Ecotect Analysis 软件模拟结果(图1) 基本吻合。 对比A 组、 B 组内2 个样本的结果表明:

图1 样本高架桥桥阴空间光照测量点分布示意图

图2 珞狮北路高架1 月16 日各测点光照率趋势变化图

图5 关山一路立交1 月19 日各测点光照率趋势变化图

图3 卓刀泉立交1 月17 日各测点光照率趋势变化图

图4 荷叶山段高架1 月18 日各测点光照率趋势变化图

1) 东西走向高架桥桥阴光照不呈对称分布，桥阴南侧光照条件好， 北侧较之稍差。 关山一路高架较好光照空间是在南侧桥阴至往北约6m 宽的范围内， 关山一路北侧的较好光照空间范围则是距桥沿约1 m 宽的范围内。

2) 南北走向高架桥桥阴光照呈近似对称分布， 表现为两侧好中间差。 荷叶山段较好光照空间是在距桥阴外沿约5 m 宽的范围内， 珞狮北路的则在距外沿约4 m 宽的范围内。 桥体净高H、桥面宽度W 是导致桥阴较好光照空间范围变化的原因。 通过比较A5 和A6 测点的光照率， 发现相同桥宽、 净高， 东西走向的桥阴南侧光照条件要优于南北走向的两侧光照条件。

3) 对比关山一路及荷叶山段A3、 A8 测点结果(A3、 A8 测点位于两个高架桥导光缝正下方)发现， 导光缝在冬季对高架桥桥阴的中央光照改善不明显， 对东西走向高架改善作用最弱。

2.2 模拟结果与分析

根据植物光合作用对光强度的需求， 本文将PAR≤157 μmol·m-2·s-1作为低光强的界限标准[15]， 因Ecotect Analysis 软件中PAR 单位为MJ/(m2·d)， 依据公式[10]转化得出PAR≤1.2 MJ/(m2·d) 为植物光合作用低光强的界限标准， 而最小全日照PAR 为冬至日的3.2 MJ/ (m2·d)，因此将二者作为判别PAR 高低的界限[14]。

结合软件模拟结果， 重点分析对比低PAR[PAR ＜1.2 MJ/ (m2·d) ]面积比、 中PAR[1.2 MJ/ (m2·d) ≤PAR＜3.2 MJ/ (m2·d) ]面积比、 高PAR [PAR≥3.2 MJ/ (m2·d) ]面积比、 平均日照时长比(模拟点日照时长占全日照时长的百分比) 4 项指标， 解析桥阴光照受时间、 走向、 桥宽高之比(W/H) 的变化规律(图6、 图7)。 对比结果表明:

图6 不同W/H 与不同桥体走向下的PAR 面积比

图7 不同W/H 与不同桥体走向下的平均日照时长占比

1) 夏至日时， 相同桥体走向下随着W/H 增加， 桥阴低PAR 面积比最初上升幅度较大而后上升幅度较小， 中PAR 面积比呈下降趋势， 高PAR面积比和平均日照时长占比基本稳定； 观察不同走向下4 项指标的变化可知， 与东西走向相比，南北走向的桥阴PAR 受W/H 影响更大。

2) 冬至日时，相同桥体走向下随着W/H 增加，桥阴低PAR 面积比上升明显，中PAR 面积比下降明显，高PAR 面积比均为0，平均日照时长占比随之下降；观察不同走向下4 项指标的变化可知，与东西走向相比，南北走向桥阴PAR 受W/H 影响略小。

3) 4—10 月， 相同桥体走向下随着W/H 增加， 桥阴低PAR 面积占比上升明显， 中PAR 面积占比下降明显， 高PAR 面积占比则几乎不变，平均日照时长占比随之下降； 观察不同走向下4项指标的变化发现， 与东西走向相比， 南北走向受W/H 影响更大更显著。

3 结论与建议

3.1 结论

1) 不同桥体走向的桥阴光照条件受时间规律影响。 一年之中， 东西走向高架桥桥阴空间最差光照条件时间是夏至日， 最优是冬至日； 而南北走向桥阴空间的最差光照条件时间和最优光照条件时间则分别是冬至日和夏至日； 在植物有效生长期， 南北走向高架桥桥阴光照条件要优于东西向。

2) 不同桥体走向的桥阴光照强度在空间分布上差异较大。 南北桥体走向的光照强度空间分布呈两边高中间低的态势， 而东西走向桥阴南侧的光照强度优于北侧， 较好光照条件的范围而且比北侧也要大。

3) W/H 值对不同走向的高架桥光照条件影响程度不同。 在一定范围内， W/H 值越小， 桥阴光环境越好， 但其改善能力相对有限， W/H 值对高PAR 的提升无能为力， 最短日照时长及最长日照时长受W/H 值的影响亦极其有限； 在植物有效生长期， 南北走向高架受W/H 影响要比东西向显著。

4) 导光缝的设置对南北走向桥体桥阴光照的改善相对东西走向要大。

3.2 建议

3.2.1 适光植物设计

对于尚在规划的高架桥， 可从提升光环境的方向入手， 在其他工程条件满足的情况下， 建议高架桥尽量设置为偏南北走向； 同时建议在保障工程安全及经济允许的前提下， 通过调小W/H设计值改善桥阴的光照。

对于已经规划或建设完成的高架桥， 可根据实际情况进行植物有效生长期的桥阴空间平均日PAR模拟分析， 桥阴空间参照阴生植物、 阳生植物、 耐阴植物的需光度分类可划分为4 类区域[14-15]: 不适植物生长区， 即平均日PAR＜0.13 MJ/ (m2·d)；阴生植物生长区， 即平均日PAR 0.13 ～1.23 MJ/(m2·d)； 耐阴植物生长区， 即平均日PAR 在1.23～4.31 MJ/ (m2·d)； 阳生植物生长区， 即平均日PAR＞4.31 MJ/ (m2·d)。 随后对应不同分区选择相应的适光植物进行设计。

3.2.2 中部地区适光植物配置

桥阴绿化以带状绿化为主， 根据绿化带形态可分为全幅绿化带、 中央分车绿化带及两侧分车绿化带3 类。 针对3 种桥阴绿化形式， 结合研究结果， 参照《湖北植物志》 《认识中国植物华中分册》 等相关书籍[16-17]， 推荐可直接应用于中部地区的桥阴绿化植物如表2 所示。

表2 (续)

表2 桥阴绿化植物推荐表