西南地区公共建筑立体绿化设计及实践研究——以成都市屋顶绿化为例

范 乐， 王燕语， 崔剑锋， 宋 宁， 卢湘蓉

(1. 中国建筑科学研究院有限公司西南分院， 四川成都 610041; 2. 四川中建研科技有限公司，四川成都 610041； 3. 哈尔滨工业大学建筑学院, 黑龙江哈尔滨 150006;4. 黑龙江省寒地建筑科学重点实验室， 黑龙江哈尔滨 150006)

自20世纪以来，随着经济的发展，城市化和工业化显着增加，人们的生活质量得到了显着提高。 然而，城市生态环境也因城市建设和城市人口的膨胀受到了极大的影响。世界上污染最严重的十个城市中有七个位于中国，中国500个大城市中只有1 %符合世界卫生组织的空气质量标准。 中国正面临着城市化带来的可持续发展的巨大挑战，例如城市化导致的空气污染等一系列的环境问题。

成都是四川省的省会城市，与中国其他大城市一样，越来越多的人在成都定居，以寻求更好工作机会、提高生活品质。因此，该城市面临着城市人口快速增长的巨大压力。随着城市发展，气候变化和空气污染等问题已日益严峻。缓解城市热岛效应也是需要解决的重点问题之一，热岛效应充分解释了城市化与城市气候变化之间复杂的关系：建筑物(例如沥青)的建筑材料，表面覆盖物(例如，不透水部分)和建筑物几何形状(例如，建筑物尺寸和它们的并置)吸收大量的热量，这些热量在城市中积聚。大规模和高强度的人类活动导致能源消耗、温室气体排放增加。根据成都气象统计数据，2016年6月的最高温度达到了34 ℃，这在同一时期很容易地打破了之前31 ℃的记录。2016年6月的平均气温为25.5 ℃，比1981年至2010年的30年观测值高出2 ℃。

立体绿化作为城市对城市绿化发展尤为重要究立体绿化意在充分贯彻了人与自然共荣和谐发展的政策和方针，推进西南地区打造绿色生态城市，为城市建设提出指导性意见。大力发展公共建筑立体绿化技术，亦有利用于推进城市绿色建筑的发展，在绿色建筑设计与运营阶段均具有积极的作用。

1 研究方法

1.1 研究区域气候概况

成都位于30.7 °N/104 °E，地处中国西南部。该市面积约12 400 km2，约有1 000万居民。根据Köppen-Geiger分类，成都的属于Cwa：气候温暖，夏季炎热，冬季干燥的气候特点。本研究中使用的长期气象数据来源于Meteonorm 7。图1～图4显示了成都气候的特征，包括年温度范围，太阳辐射，降雨量和风速，具体特征详见图1～图4。

图1 成都地区逐月温度变化

图2 成都地区逐月太阳辐射变化

图3 成都地区逐月降雨量变化

图4 成都地区逐月风速变化

如图1～图4所示，成都地区气候温和，夏季平均气温约为27 ℃，冬季约为5 ℃。夏季的平均最高温度约为35 ℃，无霜期为337 d。受季风季节的影响，夏季多降雨。成都的气候适宜，适合各类型植被生长，成都的植物种类繁多。此外，成都全年没有大风，成都市相比较于沿海城市，更有利于密集型绿化屋顶的发展。

1.2 屋顶绿化类型

屋顶绿化的分类是基于屋顶的功能或者植被的特征，影响因素主要包括土壤厚度、植被类型和承载力等因素。在实际设计过程中是根据项目情况及业主需求演变出各类型的屋顶绿化，具体变化如图5所示。成都市有地方导则《屋顶绿化及垂直绿化技术导则(试行)》，但在屋顶绿化的分类上，德国屋顶绿化导则在中国得到了广泛引用和改编。在导则中，轻质型屋顶绿化通常在不上人屋顶上，生长介质厚度介于2.5～15.2 cm之间。轻质型屋顶绿化的植物高度通常有限制，并且多为适应性、耐旱性较强的植物，较易维护。相反，密集型的屋顶绿化可能由各种灌乔木组成，植物高度通常大于25 cm，培养基厚度大于40 cm，半密集型屋顶绿化的特征介于上述两种类型之间[1](表1)。

(a)草坪(轻质型屋顶绿化) (b)草坪与灌木类 (c)草地、乔灌木(密集型屋顶绿化)图5 屋顶绿化形式

1.3 屋顶绿化的构造

屋顶绿化的构造从上到下包括:植物层、生长介质、过滤层、排水层、根屏障、防水层和屋顶平台(图6)。在进行屋顶绿化施工前，屋面需要进行闭水试验以确保防水质量。

表1 屋顶绿化具体形式

图6 屋顶绿化构造

1.4 研究方法

1.4.1 ENVI-met

ENVI-met 4.0是一个专为微气候模拟而设计的软件程序。在ENVI-met中设计了一个三维微气候模型，以模拟城市环境中的地表-植物-空气的相互作用。 整体模拟方法考虑了从小规模到大型网络的相互联系，例如建筑物与周围环境的相互作用。 建筑物的布局、建筑材料和植物分布创造了一个微气候系统，对室内和室内生活条件都有很大的影响。模拟考虑了建筑物周围的空气流动，城市表面的热量和蒸汽传递，以及植被与周围环境之间的能量交换[2]。

1.4.2 DesignBuilder

DesignBuilder是由英国DesignBuilder公司开发的仿真模拟软件。 软件开发基于EnergyPlus计算，具有图形界面，允许用户可视化界面中建模。EnergyPlus的动力热力模拟引擎拥有最完善的用户界面，具体而言，选择建筑物表面的范围，可视化表现过加热的影像、能源消费等。最适当地校核所使用的自然光，实行照明控制系统和电器照明节约的计算。同时，还可进行自然换气的温度模拟及适当的冷暖空调大小的计算。它集成了EnergyPlus的所有功能，包括冷热负荷的模拟，能耗(气体和电力)，温度和气流CFD分析等[3]。

1.4.3 DesignBuilder屋顶绿化能量守恒算法

影响屋顶绿化能量传递的关键参数包括不断增长的介质深度，土壤的热容性，植物高度，叶片气孔导度和土壤湿度等条件。 能量平衡包含来自土壤和植物表面的显热(对流)和潜热(蒸发)热通量，进入土壤基质的热传导以及进出生长介质和叶表面的长波辐射。 图7为DesignBuilder中绿色屋顶能量守恒定律：

图7 屋顶绿化能量守恒示意

潜热通量(L)、显热通量(H)、短波辐射(Is)和入射长波辐射(Iir)。 传导到土壤中以及冠层内长波(LW)辐射的复杂交换，具体公式如下：

2 建模与结果分析

2.1 ENVI-met建模与分析结果

本研究模拟对象以典型6层办公建筑为例，在ENVI-met中，首先根据建筑物总平布局确定建筑物与周边园林绿化之间的位置关系，外墙材料和植物类型。在ENVI-met中，简化了主要材料，外墙和屋顶采用默认材料：混凝土(0.2反照率)。园林绿化乔灌木采用复层绿化[4]，具体模型如图8所示，模型参数如表2所示。

图8 ENVI-met建模示意

根据成都市屋顶绿化及垂直绿化技术导则(试行)，建议绿化屋顶覆盖率应至少满足50 %的屋顶面积。模拟的三种情景是屋顶A：50 %植被屋顶，屋顶B：70 %植被屋顶，屋顶C：100 %植被屋顶(图9)。

屋顶A:50%植被屋顶 屋顶B:70%植被屋顶 屋顶C:100%植被屋顶图9 ENVI-met屋顶绿化示意

图10所示，采用2 m植物高度，50 %覆盖率的屋顶绿化，建筑室外环境有大幅度的下降，温度下降区域随着屋顶绿化面积的增加而继续增加。从ENVI-met的结果来看，绿色屋顶A，绿色屋顶B和绿色屋顶C的平均温度分别下降0.6 ℃，0.63 ℃和0.65 ℃。

图10 ENVI-met屋顶绿化温度分布

由模拟结果可见，虽然全屋顶绿化降低热岛效应的效果要优于50 %覆盖率的屋顶绿化，但50 %覆盖率的屋顶绿化已有较好的降低热岛效应的效果，且全屋顶绿化的优势并不显著。从经济成本角度考虑，50 %覆盖率的屋顶绿化为最优方案。

表2 模拟参数输入值

2.2 DesignBuilder模型与分析结果

DesignBuilder的模拟计算着重探讨建筑物全年的能耗，包括供暖和制冷等。基于第二章中的能量守恒公式，屋顶绿化几个关键参数的作用，例如生长介质的深度，叶面积指数(LAI)和生长介质的材料等。简化模型如图11所示。

图11 DesignBuilder建模示意

基础参数设计：

在DesignBuilder中屋顶绿化的基本参数设置如表3所示。为探究屋顶绿化覆土深度、植物叶片指数、植物高度等因素与建筑节能的影响关系，制定了以下13种方案，并对其对了相应的的模拟型研究(表4)。

表3 DesignBuilder模拟基础参数输入值

如图12所示，13种方案中供暖和供冷均有不同程度的减少。其中方案4LAI5绿化屋顶，土壤深度0.3 m，植物高度0.75 m的方案具有最佳的建筑节能性能， 与没有绿化屋顶的基线建筑相比，年总制冷负荷和供暖负荷减少约5.3 %。相同的LAI和植物高度，覆土厚度0.4 m的节能性能优于0.3 m的方案。在相同LAI和覆土高度的情况下植物高度1 m的方案节能效果优于植物高度0.5 m的方案。

3 结束语

ENVI-met对建筑周围微环境的研究证明，屋顶绿化对降低热岛效应有明显的效果。使用DesignBuilder进行建筑能耗模拟表明，与没有屋顶绿化的建筑相比，屋顶绿化对建筑全年节能率可达5 %。虽然相较其他被动化的建筑设计策略相比，要保持屋顶绿化最佳状态还需要后期不断的围护，但对城市环境而且，屋顶绿化还有更多的生态价值。本研究仅是对城市立体绿化实践的初探，城市立体绿化包括屋顶绿化及垂直绿化，在实践过程中植物的选择也会更多样，屋顶绿化很少由单一种类的植物组成，多为树木、灌木、草皮、攀爬类植物复合种植。进一步研究可探究不同植物组合和不同屋顶绿化布局对建筑节能及热岛强度的影响。

表4 DesignBuilder模拟方案

图12 DesignBuilder模拟结果