新型種植屋面構(gòu)造探討及優(yōu)化實(shí)踐

左明明 ，朱曙光 ，2，徐慶和 ，陳早明 ，歐陽(yáng)匡中 ，江云

（1.安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.安徽省綠色建筑先進(jìn)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230601；3.安徽建筑大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；4.安徽廣明屋面工程有限公司，安徽 合肥 230081）

0 引言

隨著現(xiàn)代化城市建設(shè)的快速發(fā)展，種植屋面受到越來(lái)越多的關(guān)注。種植屋面亦稱綠化屋面，是鋪以種植土或設(shè)置容器種植植物的建筑屋面和地下建筑頂板[1]。種植屋面不僅為城市居民提供的舒適休憩場(chǎng)所，而且保護(hù)生態(tài)環(huán)境、調(diào)節(jié)微氣候、凈化空氣、提高城市綠化率、降低熱島效應(yīng)[2]。

歐美國(guó)家種植屋面技術(shù)起步較早，相對(duì)成熟，其研究重點(diǎn)放在了技術(shù)改進(jìn)、布局規(guī)劃、種植設(shè)計(jì)及環(huán)境生態(tài)效益方面，同時(shí)對(duì)政策指導(dǎo)、法制建設(shè)、推廣發(fā)展等方面進(jìn)行了大量的實(shí)踐。德國(guó)已有近40年的種植屋面的研究和實(shí)踐，目前30%～40%的平屋頂進(jìn)行了屋頂綠化。德國(guó)學(xué)者瓦爾特·科爾布[3]對(duì)種植屋面的設(shè)計(jì)、建筑施工和實(shí)施進(jìn)行系統(tǒng)闡述。日本則把建設(shè)節(jié)能、循環(huán)、環(huán)境共生型城市作為長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)，建立了適合不同荷重、不同氣候特點(diǎn)的屋頂綠化種植模式[4]。韓國(guó)使用法規(guī)強(qiáng)制推行種植屋面，并給予一定范圍的獎(jiǎng)勵(lì)。如2002年，首爾根據(jù)《有關(guān)綠地保護(hù)及促進(jìn)綠化的條例》，實(shí)施補(bǔ)助50%的有關(guān)種植屋面費(fèi)用措施，鼓勵(lì)民間綠化事業(yè)發(fā)展。美國(guó)學(xué)者Christian Werthmann[5]和Susan K和Katrin[6]通過(guò)案例等詳盡介紹了種植屋面的設(shè)計(jì)施工流程等內(nèi)容。國(guó)外種植屋面多以微觀分析為主，對(duì)種植屋面的單一問(wèn)題進(jìn)行透徹的分析[7]。同時(shí)研究都以具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐，能夠采用各種數(shù)學(xué)計(jì)量模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的分析。

徐峰、王仙民等進(jìn)行了種植屋面設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究[8-9]。主要從生態(tài)功能性、植物設(shè)計(jì)、景觀設(shè)計(jì)思想、管理政策、屋頂綠化技術(shù)、區(qū)域綠化建設(shè)適宜性研究等方面。從20世紀(jì)60年代起，在四川、廣東、北京等地進(jìn)行了種植屋面的實(shí)踐，建成了各具特色的種植屋面，如上海華亭、廣州中國(guó)大酒店、首都賓館等工程。

傳統(tǒng)的種植屋面主要分為草坪式種植屋面、組合式種植屋面和花園式種植屋面。傳統(tǒng)種植屋面在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)因防水層破壞導(dǎo)致屋面滲漏。種植屋面的防水性能直接影響建筑的的正常使用和安全，防水處理一旦失敗，必須將防水層以上的排水層、過(guò)濾層、種植土層等全部去除后才能找到漏水的原因和部位[10]，防水維修成本較高。本研究通過(guò)在合肥市某幼兒園等多項(xiàng)建筑屋頂進(jìn)行新型種植屋面實(shí)踐，應(yīng)用了新型的防水涂料和阻根防水卷材，簡(jiǎn)化傳統(tǒng)種植屋面施工工藝，形成了顯著的綜合優(yōu)勢(shì)，為新型種植屋面的建設(shè)實(shí)施提供了成功案例借鑒。

1 新型種植屋面的結(jié)構(gòu)工藝

新型種植屋面的結(jié)構(gòu)主要分為6個(gè)部分，圖1是新型種植屋面的實(shí)施示意圖。為了方便比較，圖2為傳統(tǒng)種植屋面的結(jié)構(gòu)示意。

圖1 新型種植屋面構(gòu)造示意

圖2 傳統(tǒng)種植屋面構(gòu)造示意

由圖1、圖2可見(jiàn)，與傳統(tǒng)種植屋面的施工工藝相比，新型的種植屋面主要是采用了新型的防水涂料和瀝青化學(xué)阻根防水卷材。

新型種植屋面系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)直接設(shè)置在結(jié)構(gòu)基層，即表面經(jīng)過(guò)拋丸處理的鋼筋混凝土屋面板上，其上層是2 mm厚非固化橡膠瀝青防水涂料。非固化橡膠瀝青防水涂料是以橡膠、瀝青和助劑混合制成，具有良好的可施工性、優(yōu)異的基層適應(yīng)性、抗老化性、耐腐蝕性、突出的自愈合能力，而且防水涂料不容易固化，彈塑性能突出，適用于混凝土、彩鋼等屋面[12]。

在防水涂料上是4 mm厚ARC-701SBS改性瀝青化學(xué)阻根防水卷材，具有防水和阻止植物根穿透的雙重功能。既防根穿刺，又不影響植物正常生長(zhǎng)；可形成高強(qiáng)度防水層，抵抗壓力水能力強(qiáng)；抗拉強(qiáng)度高，改性瀝青涂蓋層厚度大，對(duì)基層收縮、變形、開(kāi)裂的適應(yīng)能力強(qiáng)；優(yōu)異的耐高低溫性能，冷熱地區(qū)均可適用；耐腐蝕、耐霉菌、耐候性好；熱熔法施工，施工方便且熱接縫可靠耐久。適用于種植屋面及需要綠化的地下建筑物頂板的耐植物根系穿刺層，確保植物根系不對(duì)該層次以下部位的構(gòu)造形成破壞，并具有防水功能[12]。

防水卷材以上是20 mm厚凸凹型排（蓄）水板，可將多余的雨水滲流和植物澆灌多余的水排走，避免植物在生長(zhǎng)的過(guò)程中出現(xiàn)植物爛根的現(xiàn)象。塑料架空排水板（帶有錐形的塑料層板），可以用來(lái)替代種植土下面的礫石或陶粒排水層，它可將排水層的荷載大幅降低。用架空排水板排水能大大降低建筑物種植屋面的荷載，省時(shí)、省力又可節(jié)省費(fèi)用，目前已在許多工程中得到了推廣使用。

排（蓄）水板之上是土工布過(guò)濾層，可鋪聚酯無(wú)紡布或是具有良好內(nèi)部結(jié)構(gòu)、可以滲水、不易腐爛又能起到過(guò)濾作用的土工布，它不讓種植土的微小顆粒通過(guò)，又能使土中多余的水分濾出，進(jìn)入到下而的排水層中[13]。可以防止在排水的過(guò)程中土壤的流失。

在過(guò)濾層之上就是500 mm厚種植土層，由草炭土、蛭石、當(dāng)?shù)刂脖煌寥篮吞峁┓N植養(yǎng)分的供養(yǎng)成分組成，密度為800 kg/m3，能夠使屋面荷載減輕以及減小屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)。

2 新型種植屋面的性能分析

GB 50345—2012《屋面工程技術(shù)規(guī)范》明確提出屋面工程的基本功能要求：

（1）具有良好的排水功能和阻止水浸入建筑物內(nèi)的作用；

（2）冬季保溫減少建筑物的熱損失和防止結(jié)露；

（3）夏季隔熱降低建筑物對(duì)太陽(yáng)輻射熱的吸收；

（4）適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)的受力變形和溫差變形；

（5）承受風(fēng)、雪荷載的作用不產(chǎn)生破壞；

（6）具有阻止火勢(shì)蔓延的功能；

（7）滿足建筑物外觀美觀和使用要求。

規(guī)范從功能的角度闡述了屋面的構(gòu)造層次的意義，為不同于傳統(tǒng)的種植屋面系統(tǒng)提供了政策性的指導(dǎo)。新型種植屋面相較于傳統(tǒng)種植屋面不僅僅在工藝上得到了簡(jiǎn)化，降低了施工的難度和成本，而且在雨水保持率、屋面荷載、節(jié)能等性能方面都有不同程度的優(yōu)化，具體見(jiàn)表1。

表1 新型種植屋面與傳統(tǒng)種植屋面構(gòu)造比較

2.1 結(jié)構(gòu)施工

由表1可見(jiàn)：

（1）傳統(tǒng)種植屋面設(shè)計(jì)的屋面結(jié)構(gòu)層為11層，各層間的結(jié)合面為9個(gè)，優(yōu)化后的新型種植屋面結(jié)構(gòu)層為7層，各層間的結(jié)合面為5個(gè)，減少了施工的工序和材質(zhì)。

（2）取消了專門的找坡層和找平層，使得結(jié)構(gòu)層涂上防水涂料之后就可以鋪設(shè)防水卷材，這樣使得防水卷材更貼合結(jié)構(gòu)層，防水效果更好。

（3）將傳統(tǒng)的防水卷材改為改性瀝青化學(xué)阻根防水卷材，既可防水又能有效阻根，預(yù)防植物根系對(duì)屋而結(jié)構(gòu)層的破壞。

通過(guò)上述優(yōu)化不僅使種植屋面防水更加可靠，還可有效阻根，保護(hù)屋面結(jié)構(gòu)，此外，結(jié)構(gòu)層次數(shù)量減少，不僅降低了種植屋面的高度，而且降低了工程造價(jià)。

2.2 雨水保持率

作為海綿城市建設(shè)的前端，種植屋面建立蓄、滯、排相結(jié)合的排澇及雨水利用系統(tǒng)是必要的[14]。種植屋面可以截流雨水，可以將部分水分儲(chǔ)存起來(lái)，減少城市的地表徑流，能有效緩解城市內(nèi)澇。種植屋面中植物的蒸騰作用和屋頂綠地的蒸發(fā)作用可以有效地降低城市環(huán)境溫度、緩解城市熱島效應(yīng)。種植屋面通過(guò)植被截流和種植層吸納雨水，雨水徑流量較綠化前大幅降低，是美化城市、減少屋面源污染和消減城市雨水徑流的重要途徑之一[15]。

目前實(shí)行的傳統(tǒng)種植屋面對(duì)于雨水的保持率能達(dá)到15%左右。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，新型種植屋面的雨水保持率可達(dá)80%。較高的持水率有利于植被的生態(tài)用水獲取，減少后期維護(hù)的經(jīng)濟(jì)成本。

2.3 屋面荷載

種植屋面在建造時(shí)就要考慮到屋面的荷載情況，使種植屋面荷載取值符合GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定。根據(jù)該規(guī)范，種植屋面要考慮到以下2個(gè)方面：

（1）永久荷載（又稱靜荷載或恒荷載），種植屋面上的永久荷載包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如屋面板、梁）、圍護(hù)構(gòu)件（如女兒墻、屋檐）、如屋面構(gòu)造層、固定設(shè)備、植物的初栽質(zhì)量，種植土的質(zhì)量、屋頂水池中水的質(zhì)量，景觀設(shè)施以及其他需要按永久荷載考慮的荷載。

（2）可變荷載（又稱活荷載），種植屋面上的可變荷載包括屋面活荷載（因建筑物的修繕、維護(hù)、游憩等活動(dòng)產(chǎn)生的人、工具或家具的重量）、植物后期生長(zhǎng)所增長(zhǎng)的重量、雪荷載等。

表1中的新型種植屋面種植土土密度為800 kg/m3，傳統(tǒng)種植屋面的種植土密度為1300 kg/m3，水泥砂漿密度按2000 kg/m3，LC5.0輕集料混凝土密度約1000～1200 kg/m3。計(jì)算可知：傳統(tǒng)種植屋面的屋面恒荷載為630 kg/m2，新型種植屋面的屋面恒荷載為410 kg/m2。相對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，新型種植屋面的屋面恒荷載明顯減小。

2.4 傳熱性能

隨著生產(chǎn)和生活環(huán)境品質(zhì)要求的不斷提高，建筑能耗逐年增大。根據(jù)中國(guó)建筑能耗模型（CBEM）計(jì)算，1996～2008年，我國(guó)總的建筑能耗從2.59億t標(biāo)準(zhǔn)煤增長(zhǎng)到6.55億t標(biāo)準(zhǔn)煤，增加了1.5倍[16]。種植屋面在保溫、隔熱性能方面性能優(yōu)越，可有效改善建筑物頂層房間的室內(nèi)熱環(huán)境，可以擋住70%的太陽(yáng)輻射熱量；且濕潤(rùn)的土壤保溫效果良好，在夏熱冬冷地區(qū)的建筑屋面上鋪設(shè)種植屋面，可以起到很好的節(jié)能效果。經(jīng)實(shí)驗(yàn)與計(jì)算可知，傳統(tǒng)種植屋面的屋頂傳熱系數(shù)為0.405W/（m2·K），而新種植屋面的屋頂傳熱系數(shù)為0.328 W/（m2·K），保溫隔熱性能優(yōu)越。

3 結(jié)語(yǔ)

相較于傳統(tǒng)種植屋面，新型種植屋面在屋面荷載、雨水保持率、節(jié)能等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。新型種植屋面在結(jié)構(gòu)上的布設(shè)相較于傳統(tǒng)種植屋面有了較大的簡(jiǎn)化，由傳統(tǒng)種植屋面的11層工序減少為7層，降低了施工難度。較傳統(tǒng)種植屋面的630 kg/m2屋面恒荷載，新型種植屋面對(duì)屋面的荷載降至410 kg/m2。在保溫性能上，新型種植屋面的屋頂傳熱系數(shù)是0.328 W/（m2·K），比傳統(tǒng)種植屋面的屋頂傳熱系數(shù)0.405 W/（m2·K）降低了19%。持水型性能上，新型種植屋面的保水率為80%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)種植屋面的15%。因?yàn)椴捎昧诵滦偷姆浪苛虾头浪聿模滦头N植屋面的防水性能也優(yōu)于傳統(tǒng)種植屋面。

通過(guò)對(duì)新型種植屋面的探討和實(shí)踐，改善了傳統(tǒng)種植屋面的工序復(fù)雜性，解決了滲漏維修困難等問(wèn)題，在不增加原有造價(jià)的基礎(chǔ)上，有利于種植屋面的推廣應(yīng)用。

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