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都市中心部の緑化:庭の柵の中の都市の屋上排水システム

*コペンハーゲンの美しい柳で覆われた柵は秘密を隠しています. それは実際には, 近くのアパートの屋根から集められた雨水を分散させる持続可能な都市排水システム(SUDS)です. 協調的なシミュレーション主導の設計プロセスにより, このインフラストラクチャーは都市のアメニティに変わりました. これにより, 近隣の庭園が保護され, 騒音公害が軽減され, 頻繁な雨が都市の排水システムから溢れるのを防ぐことができます. *

Alan Petrillo著

2021年7月

「街の緑豊かな部分は貴重です」と, コペンハーゲン大学の造園と計画の教授であるMarina Bergen Jensen氏は言います. 彼らはまた頻繁にストレスにさらされています. 私たちは, これらのしばしば見過ごされがちな土地区画に, 自然の美しさと落ち着きのあるオアシスとして機能することを期待している一方で, 空気の品質, 騒音公害, および排水の管理を支援するよう求めます. この重要な都市空間を最大限に活用するために, Jensen教授は新しい種類のインフラストラクチャーを開発するプロジェクトを主導しました. それは, 人口密度の高いコペンハーゲン地区を保護および強化し, 近くの屋上からの流出する雨水を分散させるための独創的なシステムを提供する, 木で覆われた「グリーンスクリーン」です.

都市自体と同じように, 都市の緑色の画面は, 複数の目的を果たすために組み合わされた要素の魅力的な組み合わせです. そして都市生活のように, それは人々と組織の幅広い混合によって作成され, それぞれが結果として生じるプロジェクトに彼らの独特の才能を貢献しています. エンジニア, 建築家, 市民の利害関係者のチームは, より住みやすく持続可能な都市に対するJensen教授のビジョンに導かれました. 結果として得られるコンセプトは, 人々が貴重な生活空間を建物, 車, インフラストラクチャーと共有するコミュニティに利益をもたらす可能性があります.

「都市生活の全体論的人間的視点」

Jensen教授の博士課程のトレーニングが建築や都市計画に含まれていなかったことは驚くべきことかもしれません. 「私のバックグラウンドは, 土壌学と水化学, そして土壌, 水, 植物, 微生物の間の相互作用です」と彼女は言います. 「しかし, 都市部が私の研究分野になっているので, プランナーやランドスケープアーキテクトと協力しています. 私のキャリアは, 都市生活の全体的な人間の視点を中心に構築されています. 」

コペンハーゲン(図1)では, この視点は, 密集して開発された環境での頻繁な降雨を含む必要があります. ほとんどの都市の雨水は, 土壌に浸透するのではなく, 屋上, 通り, およびその他の不浸透性の「ハードスケープ」表面に降り注いでいます. この水は通常, 雨水管によって収集されます. つまり, 大雨は下水処理システムを圧倒し, 時には雨と廃水が混ざった街の通りを氾濫させる可能性があります. これらのリスクをより適切に管理するために, Jensen教授と彼女の同僚は, 持続可能な都市排水システム(SUDS)の開発に取り組んでいます.

図1. デンマークのコペンハーゲン地方の空中写真. 挿入図は, 約10万人の居住者がいる地域を示しています. このゾーンでの雨水流出により, 年間約200の合流式下水がハレストラップ川に溢れ, カルベボーザネ河口に流れ込み, 港に流れ込みます.

「コペンハーゲンのすべての雨水の流出の少なくとも50%は屋上から発生していると推定されています. その水のほとんどは都市の下水道に流れ込みますが, そのようにする必要はありません」とJensen教授は説明します. 「私たちが自然のプロセスを模倣し, より多くの水を地面に浸透させたり, 蒸発させたりすることが可能であるはずです. 」

Carrying Rainwater from One Roof to Another

As part of a government-sponsored initiative, a multidisciplinary team began developing a SUDS program for a dense Copenhagen neighborhood in 2013 for a five-year period. They proposed a solution that collects rainwater from rooftop gutters and downspouts, but from there, the similarities to conventional urban drainage systems end. Rather than flowing down into the sewer, the system uses gravity to push rainwater up to the top of a freestanding wall structure (Figure 2). In other words, water gets removed from a building’s roof, only to be deposited on top of a different structure. Why?

図2. コペンハーゲン団地のSUDS提案の一部としての雨水の経路. 隠されたパイプは, 建物の屋上から通り側の防音壁の内側に隠された蒸発システムに水を運びます. 画像提供:Emilia Danuta LausenおよびMarina Bergen Jensen.

The purpose of this counterintuitive process is evaporation. Just as water in a puddle will eventually dry up, most of the water moving through this system will also evaporate (Figure 3). The urban green screen structure functions as a kind of vertical puddle that holds water above the ground, where it can be dispersed through evaporative action.

図3. 都市のグリーンスクリーンの水分散システムの概略図. 重力により, 屋上の流出(1, 2)がスクリーン構造(4)の上部に押し出され, 穴のあいた側溝(3)に沿って流れます. 次に, 水は側溝から吸収性のミネラルウールブロックに排出され, そこから空気中に蒸発します. スクリーンの容量を超える雨が降った場合, 余分な水は小さな土壌堤防(5)によって作られた陸地の盆地に迂回され, そこから浸透することができます. 画像提供:コペンハーゲン大学.

After gravity pushes rainwater to the top of the structure, it flows along an open perforated gutter. Some water will flow down into the body of the screen, where it is absorbed by blocks of fibrous “mineral wool”. This rock-based material is often used as heat-retaining insulation in Nordic countries. In the urban green screen, it functions as a sponge, receiving water from the roof and then gradually releasing it into the air. If the mineral wool blocks become fully saturated by heavy rains, some water will be released from the bottom of the structure. This excess water is captured in a soil-filled chamber, where it helps irrigate vines and other decorative plants. The plants' scheme was developed to ensure lush green vegetation that supports biodiversity (such as insects and birds).

“The structure is designed to disperse as much water as possible, while taking up as little space as possible,” explains Kristoffer Ulbak, a civil engineer focused on water management, who helped guide the urban green screen project. “We also thought it could be a solution to more than just the water problem. It serves as a noise barrier and it could potentially absorb particulate pollution from the roads,” he says. Also, evaporative action can create a cool spot for people to cool off, and in this way, lessen the impact of the "urban heat island", in which cities are often significantly warmer than surrounding countryside.

壁ではなく柵:近隣の都市区画の必要性

Jensen教授が説明したように, 設計チームはこれらの機能的ニーズに対応するとともに, 「全体的な人間の視点」も考慮する必要がありました. ゆっくりと蒸発する水で満たされた高くて頑丈な壁は機能的な利点をもたらすかもしれませんが, それは人々の前庭で歓迎される存在ではありません. 「プロジェクトの早い段階で住民とのミーティングがありました」とJensen教授は説明します. スクリーンがコミュニティを刑務所のように感じさせるのではないかと恐れた人もいました.

図4. 完成した都会のグリーンスクリーンと造園は, 密集した街の近所に庭のような雰囲気を作り出します. (つながった建物は写真家の後ろにあります)

住民の懸念は, 近隣の「家具」がインフラだけでなく建築としても機能しなければならないことを思い出させるものでした. これが, 都会のグリーンスクリーンのスチールフレームとミネラルウールブロックがほとんど見えない理由です. 金属や石積みの壁ではなく, 木製の柵のように見えます. スクリーンには, 座るためのベンチと牧草地の植生も装備されています(図4). 2つの窓から通りが見え, 画面の両端にある窓が歩行者の安全を確保し, 通り過ぎるときに角を曲がったところで何が起こっているかを確認できます. 魅力的で構造的に健全でありながら水管理の目標を達成するこの設計を達成することは, プロジェクトチームにとっての課題でした.

「私は土木技師です」とUlbak氏は言います. 「私は水を蒸発させる方法についてたくさん知っています!しかし, 私たちは他の問題に取り組む必要がありました. 「ガラスの壁を張ってもいいですか?」と聞かれる会議があり, 通りが見えないのではないかと心配していました. しかし, プロジェクトの概要は, 水を分散させる壁を作ることであり, ガラスから多くの水を蒸発させることはできません」と彼は説明します. 「これらは私たちが遭遇したいくつかの障害です. 前進するたびに, より良い解決策に向けて何ヶ月も前後にかかる可能性があります.」

排水システムを隠す「柳の建物」

この時点で, コンサルティング構造エンジニアおよびシミュレーションスペシャリストのTim Larsen氏がプロジェクトに参加しました. インフラストラクチャープロジェクトに関する彼のスキルと経験は, チームがグリーンスクリーンの複数の課題に対処するのに役立ちました. 「私が最初にプロジェクトに参加したとき, テーブルにはたくさんのアイデアがありました. 彼らは私に, 風が吹くと耐えられないデザインの建築図面をいくつか提示してくれました」とLarsen氏は回想します. 「私は完全な鉄骨構造を提案しましたが, コミュニティはそれを受け入れることができないと言われました. これは私がPilebygに手を差し伸べることを提案したときです.」

図5. 左側:デンマークの高速道路沿いのPilebyg防音壁. 右は, 新しいグリーンスクリーン構造のインストール中のVibe Gro氏と彼女のチーム. 画像提供:Pilebyg.

Pilebygの名前は, デンマーク語で「柳」と「建物」を組み合わせたもので, 30年以上にわたって柳の木から革新的な構造を構築してきました. 彼らのプロセスは, 幹が比較的均一な湾曲した形に成長するように柳を栽培することを含みます. 収穫された幹は, 鋼または他の種類の木材で作られたサポートフレームの周りに織ることができます(図5). 特別な処理により, 柳の鞘は数十年続くことができ, 構造を保護し, 景観を補完するのに役立ちます. 「木は古くなっても醜いとは言えません」と, Pilebygの共同所有者でグリーンスクリーンプロジェクトのプロジェクトマネージャーであるVibe Gro氏は言います. 「私たちは美しく老化できるファサードを提供します.」

Simulation Supports the Design/Build Process

Pilebyg noise barriers have become a familiar sight along Danish highways, but the company had never before built a fence that concealed a drainage/evaporation system. To help combine multiple materials and functions into a robust and harmonious structure, Tim Larsen, who has a master's degree in civil engineering, developed designs (Figures 6–8) that he then analyzed using the COMSOL Multiphysics® software (Figure 9).

図6. アーバングリーンスクリーンの最終デザインのイラスト. 鋼製の基礎と構造フレームが, 柳で覆われたミネラルウールブロックと屋根/側溝のアセンブリを支えています. 画像提供TL-Engineering.

“It was funny, because Tim was not part of the project when we started, but his work was essential to our reaching a viable solution,” explains Ulbak. He likens the use of simulation to looking at instructions for building a set of toys; the project stakeholders were able to look at the simulation results and tell how all of the pieces of their project fit together.

Tim Larsen used simulation to ensure that the structure was strong enough for Copenhagen's climate. Structural analysis helped verify that it could withstand wind pressure, the varying loads resulting from water flowing through its porous exterior, and water saturating its mineral wool core.

図7. アーバングリーンスクリーンのモデルジオメトリ. 画像提供 TL-Engineering.
図8. 計算に使用される都市のグリーンスクリーンモデルジオメトリのさまざまなビュー. 画像提供 TL-Engineering.
図9. アーバンスクリーンの応力解析の結果. モデル画像提供 TL-Engineering.

“There are a lot of materials involved in a structure like this, and small changes can have a big impact," says Larsen. "A little overhang on the top does not look like much, but when it fills with water, it can create a heavy bending moment, especially when the wind is blowing,” he explains.

As the project moved closer to completion, images from the COMSOL models were shared with other stakeholders. The same schematics provided to the crews building the structure also helped explain it to the organizations that provided funding. “The simulation was an analytical tool that also supported our design discussions, and now it helps us promote the concept to others,” says Kristoffer Ulbak.

Planting the Seeds for Growing More Green Screens

After approximately 6 years of development, the urban green screen was installed in Copenhagen in 2019 (Figure 10). The completed structure addresses the priorities of everyone who contributed to its design — including those who would have preferred a barrier made of glass. A series of vertical windows provide visual breaks in the willow-clad surface, and add “eyes on the street” to help ensure neighborhood safety.

_図10. 2019年(左)と2020年に完成したアーバングリーンスクリーンのセクション. 垂直のガラス窓と, スクリーンと建物の間の在来植物の出現に注目してください. _

So far, the structure is succeeding at both dispersing moisture and quieting traffic noise for residents (Figure 11). “When you move from the street to the housing side of the screen, it is like going into paradise,” says Prof. Jensen. Reactions from the various stakeholders have been positive, although the global COVID-19 pandemic and other factors have complicated attempts to study the installation in detail. Prof. Jensen, befitting her scholarly perspective, wants to do more research before declaring it a success.

“We believe that air quality on the residential side of the fence is better, and evaporative cooling should help reduce the ‘urban heat island’ effect. We need more testing to confirm this,” she says. “There is also the question of perception. We want to monitor how people use the space and interview the residents who live with the structure every day.”

図11. 完成した構造物の俯瞰図(左)とヤナギの鞘につる植物を示すクローズアップ(中央). 構造物の内部には, 水を分散させるミネラルウールブロックが見えます. アーバングリーンスクリーンのストリートサイドビューが右側に表示されます.

Even as the project awaits further follow-up, there is already some telling evidence of the green screen’s acceptance: It does not attract graffiti. Pilebyg’s Vibe Gro is not surprised. “Our structures are often in areas that get vandalized, but it seems like people act differently around trees, even if they are installed as part of a structure," she says. “We have a rainwater solution that solves a noise problem, and it is a structure that people feel comfortable living with,” says Gro. “In Danish we say, ‘It takes out two flies with one smash!’”