基于种植与构造设计的屋面绿化策略研究——以京津冀地区为例

朱赛鸿，连天成，刘诗雨

河北工业大学 建筑与艺术设计学院,天津 300401

联合国环境规划署研究表明,一个城市70 %屋顶绿化率就意味着该城市上空的CO2含量下降80 %,可以缓解热岛效应[1]与京津冀地区长年以来的雾霾问题,而花园式种植屋面无论是在住宅建筑或是在商业建筑上应用,均可增加较大面积的活动空间.

种植屋面可以补偿被混凝土占据的城市透水下垫面,营造一个宜居舒适的微气候,吸附交通或是其他途径产生的烟尘.左明明[2]对种植屋面的雨水滞蓄性的实验研究表明,种植屋面可延迟暴雨产流时间5 min～15 min,且对径流削减量为15 %～40 %.种植屋面还可以提高建筑屋面的蓄热性,降低建筑运行能耗.戚奔[3]建立基质层的数学模型并实测,数据表明简单种植屋面夏季晴天基质层深度为6 cm时,基质层表面热流由73 W/m2降低至0 W/m2.实现种植屋面绿色效益的前提是保证种植屋面的可持续性,而目前京津冀地区种植屋面发展存在一些限制种植屋面可持续性的问题,只有解决了这些问题,才能更好地保证种植屋面的绿色生态效益.

1 调研信息评价

自1984年首次建设屋顶绿化以来,北京已经陆续推广屋顶绿化150万m2.北京以及天津的“十二五”规划也设计了种植屋面共150万m2.在这期间建设完成的种植屋面因技术不成熟、人员不专业、资金不充裕等原因,还存在诸多问题.本文分别在北京朝阳区华贸中心、天津泰达图书馆、河北省人民医院医技楼附近发放调研问卷,该3栋建筑屋面均有种植屋面设计.调研受众为公建使用者、建筑周边居民,调研问卷共发放300份,回收234份,有效问卷共计232份,调研内容与调研统计见表1.

表1 种植屋面意愿及知识普及度调研

由表1可知,调研群体中大部分人虽然对种植屋面有所了解,但在种植屋面上进行活动的人却不超过半数,然而人们对种植屋面的好感以及在种植屋面上的活动意愿都较为强烈,这说明种植屋面提供可以承载人们活动的功能十分必要.涉及到住宅购买问题时,大部分人表示即便对种植屋面较为青睐,但随种植屋面而增加的经济负担使他们难以接受,因此，提高经济效益对推广种植屋面至关重要.

问卷采用计分制评价种植屋面各项指标,10分即为满分.由表2可见，大部分人对目前种植屋面的景观效果不太满意,其原因为植物种类较为单一、色彩搭配不均衡、冬季景观效果差、基础设施较差、无娱乐服务设施、雨水回收等可持续发展措施,或者部分设施存在但不可用.对于环境改善方面,大部分人持认同态度,均认为种植屋面可有效改善建筑环境,包括空气质量、光环境质量、热舒适体验均有所改善.有许多居民认为种植屋面改造或建设过程施工带来的影响较大,其施工周期较长,噪音与气味污染较为严重.在养护管理方面,大部分居民表示种植屋面在后期养护管理中问题较大,不仅景观效果受到了一定影响,甚至部分墙体也因植物生长而龟裂.

表2 既有种植屋面评价调研Table 2 Investigation of existing planting roof evaluation

2 既有问题分析

2.1 种植屋面构造问题

防水阻根层是保证屋顶花园实现的根本,可有效保护建筑第5立面——屋顶的结构安全；屋顶排(蓄)水层则是保证植物茂盛生长,实现屋顶花园“海绵”作用的基础.传统种植屋面的构造层数高达11层,不仅增大了建筑屋面荷载,而且后续如若结构层损坏,维修成本较高,且养护过程较为复杂.

2.2 种植屋面雨水管理问题

种植屋面的排水与蓄水功能是植物旺盛生长的基础,也是种植屋面径流削减功能的必要保障.目前京津冀地区大部分种植屋面排水层的雨水会直接排出建筑外,造成水资源的浪费,违背绿色建筑节水原则.

对于老旧屋面绿化改造,屋顶的防水排水构造以及设施常常会在改造过程中被破坏.刚性防水层往往在一些种植屋面的改造中被当做水泥地面使用,在其上进行的景观设计会洞穿防水层,且不能妥善保护刚性防水层的弹性填缝,导致原防水层被破坏,屋顶渗漏雨水.而既有建筑屋顶排水一般不能满足种植屋面的排水需求,会引起排水管堵塞.

2.3 种植屋面植被设计问题

京津冀地区种植屋面许多均为单一景天科地被植物,缺乏不同植物的交叉设计,冬季屋面往往会过于萧条清冷；其次植物层次较少,喜阴植物经常会被暴晒,甚至死亡.例如北京市最高法院屋顶绿化，在冬季发挥的作用价值较低,其植被设计较为单一，应更加丰富合理，如图1所示.

图1 北京市最高法院屋顶绿化Fig.1 Green roof of Beijing supreme court

3 设计策略研究

3.1 种植屋面构造设计

针对种植屋面特点,本文提出了如图2所示的模块式种植屋面构造,将保温层、防水层、耐穿刺防水层预制构成防水阻根层,将雨水回收管道设计入屋顶排水层中,并将各个构造层与植物板块预制化,简化种植屋面的构造层与安装流程.尤其在装配式建筑设计中,针对隔离过滤层可设计部分滑轨于其中,但应注意隔离过滤层应结合植物生长层分布而设计,控制其大小,方便抽出隔离过滤层清理更换.

图2 种植屋面构造Fig.2 Structure diagram of planted roof

需要特别注意的一点是,在女儿墙周围种植植被时,应在女儿墙上贴附一层或数层聚乙烯泡沫塑料板等具有弹性的材料,防止女儿墙皲裂,破坏建筑结构,方便后期养护管理.

3.2 种植屋面雨水管理设计

雨水管理设计包括过滤净化设计、雨水蓄留设计以及雨水循环设计.雨水过滤净化的关键在于隔离过滤层的设计,排水层材料的设计也能起到辅助作用.种植屋面排水层应采用多孔材料,例如陶粒和玻璃轻石等[4]多孔材料能为微生物的生长提供适宜的空间环境,同时因淋溶作用而损失的土壤养分和污染物可被利用和分解,屋面径流的二次污染将有效减少[5],具有较高生物适应性及环境协调性.

在布里斯班水智慧城市改造项目中[6],以屋顶、墙面绿化和雨水花园等管理措施可保存雨水用于其植株的浇灌以及建筑本体的中水回收利用,也可用于屋顶花园的水景营造使用.本文参考其中设计,同时考虑了目前京津冀地区雨水管理的缺陷,总结了雨水循环流程，如图3所示.

图3 种植屋面雨水管理流程Fig.3 Flow chart of rainwater managementfor planted roof

另外,由于京津冀地区夏季多雨,应增加种植屋面的排水坡度,其坡度应大于2 %,而且女儿墙周边应有卵石缓冲带,这样方可满足排水需求,达到不漏水、不渗水的要求.

3.3 种植屋面植被设计

种植屋面选择植株种类的基本原则近乎一致：种植屋面与种植地面的最大区别在于种植屋面脱离了地面的大环境,植物生长所需的营养来源单一且微生物等分解者种类偏少,失去了地面的供给调节功能,并且屋顶太阳光照度强,风速相对较大,空气湿度变化幅度大,这一切使水分成为种植屋面植物生长的关键性因素,抗旱性成为种植屋面植被的基本属性[7],并且还应具有良好的抗风、抗瘠薄、耐盐碱性.理想的种植屋面的植株还应具有抗病、抗杂草、具备喜阳、耐寒等特性,方便管理的同时也具备更好的生态效益与经济效益.

3.3.1 按季相配置景观植物

四季不同变化的植物在不同季节能带给屋顶花园不同的活力与魅力.对于花园式种植屋面,不同季节有不同的鲜花盛开,会使屋顶花园的美学价值得到较大提升.在设计之初,应安排好不同类型鲜花花期的时间分布,使屋顶花园内每个季节都有鲜花盛开.除考虑花期之外,还应考虑景观植物的组合配置,按不同植物所需营养不同互补安排,让不同花期的植物均科学合理的分布在屋顶花园中.如南方红豆杉的枝条会随季节变化而改变自身颜色,具备独特的观赏性.

京津冀地区冬季严寒、干燥,夏季炎热且多雨,春季较为干旱,四季分明，其植物选择方面应首先倾向于适应性强、易于成活且常绿的植物,例如冬青、竹类、矮化龙柏；可踩踏型的植株，如平民假俭草、结缕草和黑麦草交播,亦可实现四季常绿效果,可避免极端季节屋面出现过于萧条的景象.

运用季相理念设计花园式种植屋面时,设计者与管理者也要丰富自身对植物的认知,进而使屋顶花园具备正向成长性,随着时间的推移慢慢发展,臻于完美.

3.3.2 按层次配置景观植物

种植屋面设计中蕴含较多景观设计内容,偏向于园林景观设计.层次感对于园林景观设计极为重要,高低错落有致的景观排列或组合是园林具备高级层次感的必要条件.实现层次感需要景观设计专业在设计之初便于结构设计与建筑设计相结合,从而用最经济的设计达到最好的效果.另外,种植屋面结合植物色彩设计时,亦要重视植物的高矮粗细,使其在颜色上循序变化,自然有致,在空间结构上也高低有序,明暗分明[8].

种植屋面的空间构成可以分为纵向空间与覆盖空间两部分,纵向空间构成即植物的高低错落.海棠、大叶黄杨、金银木、木槿等小乔木结合旅人蕉、琴叶珊瑚、剑麻、丁香等小型花灌木加上覆盖屋顶的佛甲草或者普通乡土植物可以构成3个高低不同的层次.这种复合结构的多层次植物群落不仅具备美学价值,而且更有利于减少空调能耗,夏季降温效果强于单纯的乔木+地被,更强于灌木+地被以及单纯的景天科铺设[9].

在屋顶起始条件平整且结构可以承受的情况下,在女儿墙边界设置树箱以及景观花池可以抬高种植基质,利用乔木、大型灌木来围合花园空间.但注意应予以固定,确保安全.例如，在其根部土层下使用塑料网,可以扩大树木的根系固土作用；在树木的根部,堆砌少量的石体,结合屋面地形,可以起到压固根系的作用；还可以将树木的主干绑扎起来成组组合[10].

台阶的局部设置可以营造景观微地形,在地形层面上便可实现高低有致的层次设计感.例如，首发大厦6层的花园式种植屋面营造,四周的花池将覆土深度抬高,种植有美人梅、紫薇、木槿等小乔木与灌木,整个空间的绿化层次颇为丰富,在营造出的局部微地形处还种植了丝兰与油松,补充了冬季无花的缺点,丰富了冬季的植物景观效果[11].景观微地形的设计还可以营造阴阳面,满足各个植物独特光照需求,防止植物曝晒死亡的情况发生.

3.3.3 乡土地域植物优先

优先选用乡土植物有较高经济效益.从种植屋面的全生命周期来看,跨地域运输是一笔高昂的初投资费用,选用乡土植物便可节省这笔费用，且价格方面乡土植物也占尽优势.乡土植物适应本地气候环境,方便带土移植,能够在种植屋面的栽培过程中大大增加其存活率,且能够体现出较强的地域特色.

3.3.4 其他设计原则

统筹规划种植屋面,将同一区域内各建筑物的种植屋面的设计协调一致,可拼凑成有利于弘扬文化特征的图案,或者设计成遥相呼应的对称形式等,能大幅增加城市景观的可观赏性与趣味性,在鸟瞰整个城市时,能让人们体会到该城市文化的魅力.总之，合理设计京津冀地区种植屋面是解决目前京津冀生态环境、人口密度问题的重要手段.针对京津冀地区种植屋面现存的问题，从多学科的角度总结设计策略如图4所示.

图4 种植屋面设计策略Fig.4 Planting roof design strategy

4 结语

种植屋面是减缓温室效应的有效措施，应优化其设计方法，科学推广种植屋面.本文针对种植屋面构造提出了预制化的理念，针对装配式建筑创新性地设计了滑轨层,方便隔离过滤层以及各层养护.推荐屋顶排水层使用多孔材料结合隔离过滤层设计以保证雨水净化过滤效果.针对雨水蓄流与雨水循环问题提出了相应管理流程,更好地实现了种植屋面的节水功能.同时适应性地提出了京津冀地区基质层与植被设计方法,对解决目前京津冀地区的种植屋面问题有较大的指导意义与现实意义,对其他种植屋面设计提供参考.