画中的屋顶——对不同屋顶形状的使用价值探究

张一林 简捷 李平

摘要：本文将从屋顶的排水能力、雨水收集利用能力、房屋整体舒适度、现代意义（如生态、能源）等方面，对比坡屋顶、水平屋顶以及圆弧形屋顶的建筑，进行综合客观的评价，希望能对未来居民住宅的建筑起一定的指导作用。

关键词：屋顶形状;雨水利用与排出;日照;现代应用

引言

现在，最为普遍的居民住宅屋顶形状有坡屋顶、水平屋顶以及圆弧形屋顶。在北京放眼望去皆是水平屋顶的高楼建筑，有些单调刻板。由于厄尔尼诺现象近几年来频繁出现，中国南北方大多数地区频繁出现大规模降雨，容易造成城市内涝或者屋顶积水导致的生产活动不便;又因我国水资源稀缺，所以收集利用雨水是十分必要的。所以我们对屋顶的外形构造进行探究，将每个屋顶视为相对完美的几何模型，以北京为主要研究范围，主要研究其对雨水排出或收集的效果，同时综合光照、舒适度等诸多因素客观评价现代建筑中主要住宅类型。

1童话城堡——圆弧形屋顶

1.1数学建模

研究方法采用单一雨滴模型分析，建立雨滴撞击屋顶的物理模型，最终采用不定积分求出整个屋顶的雨水排出速度与收集量，将所计算得到的数据进行比较，从而筛出最优解。

①：标准半球形屋顶

现在，平顶楼房在北京的应用中最为广泛。进一步利用“光秃楼顶”来更好地改善生活，成为近几年来此类问题的讨论热点。

3.1加强生态化

利用屋顶的平台种植绿植是生态可持续的另一种体现形式。北京人口众多，人均建筑面积小，人均绿化面积也小，屋顶绿化是解决绿化与建筑占地的矛盾的有效途径之一。楼顶绿化可以减弱城市的热岛效应。据相关数据显示，在炎热的夏天楼顶绿化可以让室内温度降低1.2摄氏度左右。但同时也应起人们的热议：楼顶的产权不清，绿化费用无人管，种植不当可能引来严重问题等等。屋顶绿化还需要从多方面进一步改善探讨。

3.2利用太阳能

越来越多的太阳能板装上了平顶楼房，可以有效节省能源，是一种低碳生活方式。以天津市中心城区为例，若其屋顶光伏采用35度的最佳倾角安装，光伏组件的有效面积Apv为855.7万平方米，装机容量为12.4亿瓦特，光伏组件系统的运行效率λ为0.77，光伏模块转换效率η为15%。发电量的计算公式为Epotential = Apv × Gt × η × λ，根据公式计算，年发电量为1986千瓦时/年。但它受楼层高度、天气等因素影响显著。为了防雷防电，太阳能板必需低于防雷装置0.6米，并与装置保持1米的距离。

3.3绿化与能源的抉择

屋顶绿化对于提高居民室内生活质量更为有利，而屋顶光伏提高新能源的利用，是低碳生活的体现。下面主要对而这所需资金做出估算与比较。

到去年年末，北京市屋顶绿化面积达到200多万平方米。绿化工程建设和养护费用昂贵，以每平方米1千元的成本计算，北京共需支出20亿左右的资金。但绿化也为减少政府在减弱气候变暖、热岛效应以及空气污染治理等方面的资金和精力。据资料显示，200万平方米的绿化面积可以节约能耗1.5万元/天，即大约550万元/年。若将同等面积的屋顶全部安装太阳能板，价格按照70元/平方米，则平均每年应支付资金约为1.4亿。虽然绿化的资金要比能源多，但是并不能代表绿化屋顶的想法不现实。据资料显示，花园式屋顶绿化根据影響因素的主次之分（图）与二者多因素综合评价（图）。可见，作为国际大都市的北京绿化屋顶是更优的选择。事实上，北京屋顶的确以绿化偏多。通过绿色植物蒸腾水分吸收热量、冷却大气，可吸收太阳辐射热70%～85%;滞尘作用显著，花园式和简单式屋顶绿化平均滞尘量分别为12.3g/㎡/年和8.5g/m2/年，可有效改善城市空气质量，控制PM2.5;面对城市雨洪压力，花园式和简单式屋顶绿化可截留雨水分别为64.6%和21.5%。图表3主要影响因素分级排序，图表4光伏屋顶（蓝）与绿化屋顶（红）对比。

结语

中国建筑历史悠久、名扬中外。放眼国际大都市北京，代替四合院的高楼大厦“整齐划一”，已经不再是设计师专注的对象。但是，居民楼作为建筑主体（大约占建筑面积的70%），十分普通却直接影响所有人的生活，而具有不可替代的重要地位;因此，“如何合理设计和进一步改善居民楼”应该是最值得研究的话题。本文从排水能力、雨水收集利用能力、房屋整体舒适度、现代意义（如生态、能源）等方面等方面对居民房屋楼顶设计进行细致、广泛的讨论。不仅关注传统文化、与现代建筑接轨，还结合了可持续发展、创造更优美的城市等思想理念，有较强的实用价值，希望能对未来居民楼的设计有指导作用。

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（作者单位：北京市京源学校）