建筑外墻不同形式的垂直綠化對比研究（以廣州為例）

詹 意，陳嘉琪，曾柳瑞，周萃楠，吳鈺瑩，李 雪

（廣州大學(xué) 廣州 510006）

0 引言

自然式的垂直綠化在我國的應(yīng)用歷史悠久，可追溯到2000 多年前春秋時期吳王夫差利用薛荔等藤本植物建造蘇州城墻。［1］在現(xiàn)存的蘇州古典園林中，也能看到許多古建筑外墻被植物攀援圍繞。而更多人工干預(yù)的、模塊化的垂直綠化建設(shè)工程，相較于一些發(fā)達(dá)國家應(yīng)用得較晚，但隨著環(huán)保意識的增強(qiáng)，科技的發(fā)展，國內(nèi)開始出現(xiàn)越來越多的垂直綠化。在城市推行垂直綠化的發(fā)展歷程中，廣州曾是全國的“先行者”。20世紀(jì)70年代，我國第一個屋頂花園就在廣州東方賓館 10 層屋頂建成。［2］盡管“起步”早，但廣州立體綠化的發(fā)展?fàn)顩r卻稍顯落后，且在實際運用中，廣州市內(nèi)許多已建成的垂直綠化往往未與建筑有機(jī)結(jié)合，無論從生態(tài)還是美觀上都不盡人意。在這種發(fā)展背景下，提高垂直綠化的合理應(yīng)用率顯得尤為必要。［3］

1 廣州市建筑外墻垂直綠化技術(shù)的應(yīng)用

1.1 廣州概況

廣州市位于廣東省中南部地區(qū)，地理坐標(biāo)112°57′-114°03′E，22°26′-23°56′N，總面積 7 434 km2。廣州地處亞熱帶沿海，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季長、霜期短，溫暖多雨，光熱充足，是中國年平均溫差最小的大城市之一。整體環(huán)境有利于植物生長，地帶性植被為常綠性熱帶季雨林。

1.2 調(diào)查場所

廣州現(xiàn)有建筑外墻垂直綠化實例并不算普遍，此次調(diào)研的地點主要分布在市中心，總共有10 個調(diào)查點：花城匯廣場的5 個廣場入口（北區(qū)下沉廣場、中區(qū)下沉廣場、中區(qū)APM 線路入口、北區(qū)入口、停車場入口）、廣州銀行大廈、時尚天河、天環(huán)廣場、勤建大廈、萬科峯境。［4-6］

1.3 研究方法

2017年～2018年間多次實地調(diào)研廣州建筑外墻垂直綠化場所，記錄植物種類、種植方式、種植朝向和后期管理情況，其中種植方式以固定種植槽式、骨架擺花式、模塊式、布袋式、自然垂吊式、自然附架式、自然牽引式進(jìn)行分類統(tǒng)計。結(jié)合植物本身的屬性與習(xí)性，歸納總結(jié)出廣州市建筑外墻常用綠化墻的共性與特點（見表1）。

1.4 調(diào)查結(jié)果與分析

1.4.1 建筑外墻垂直綠化概況

調(diào)查結(jié)果表明，廣州建筑外墻垂直綠化平均使用植物種類為4 種，最多為10 種，最少的僅有1 種。建筑外墻垂直綠化在植物選擇上比較單一，搭配的多樣性不強(qiáng)。且建筑外墻垂直綠化總體缺乏養(yǎng)護(hù)，有大面積掉落以及未及時更換的枯萎植物，破壞了整體的圖案紋理，影響外墻的美觀（見表2）。

1.5 垂直綠化結(jié)構(gòu)類型

表1 廣州建筑外墻綠化種植方式［7-9］Tab.1 Guangzhou Building Exterior Wall Greening Planting Method

這10 個調(diào)查點的垂直綠化類型中，有大部分建筑外墻設(shè)置的垂直綠化的種植方式，是可控性更強(qiáng)，能承載更多植物多樣性的人工式生命墻，并且盡量選擇東西立面的墻作為綠墻進(jìn)行施工。

珠江新城花城匯入口選擇布袋式的垂直綠化，總體維護(hù)良好，但植物種類較為單一。骨架擺花式的花城匯廣場的2 個下沉廣場和天河天環(huán)廣場的建筑外墻垂直綠化整體維護(hù)效果較好，會根據(jù)季節(jié)更換植物，景觀效果具有多樣性。但管理難度高，依然有部分小面積植物存在集體枯萎的現(xiàn)象?；ǔ菂RAPM 入口和廣州銀行大廈前的小建筑的建筑外墻垂直綠化是模塊式的垂直綠化，根據(jù)現(xiàn)場效果來看，由于更換植物靈活性相比于骨架擺花式較低，更換頻率低，維護(hù)難度大，景觀效果比較雜亂。花城匯廣場的固定種植槽式垂直綠化雖然和建筑的融合度很高，相較于其他需要花架結(jié)構(gòu)的垂直綠化，固定種植槽式的垂直綠化只需要覆土種植即可，整體性強(qiáng)。但也因此容易收到其他植物或者天氣的影響導(dǎo)致帶來大面積損壞，景觀效果也較為固定單一。勤建大廈的自然垂吊式和萬科峯境的附架式生長茂盛，覆蓋面積比人工式生命墻要大。但由于植物除自然垂吊、攀爬于外墻的之外，需要特定的技術(shù)來養(yǎng)護(hù)管理，且成景效果單一。時尚天河門口的自然牽引式垂直綠化可能是由于缺乏管理，生長不佳，綠化覆蓋面積很小。

表2 廣州10 個調(diào)查點的建筑外墻垂直綠化現(xiàn)狀比較Tab.2 Comparison of the Status Quo of Vertical Greening on the Exterior Walls of 10 Survey Sites in Guangzhou

1.6 植物景觀應(yīng)用情況

調(diào)查的10 個場所建筑外墻垂直綠化共使用了22種植物，隸屬于18 個科，以五加科植物為優(yōu)勢科種，占13.6%。從植物種類的角度來看，出現(xiàn)頻率較高的植物為腎蕨（17.5%）、鵝掌柴（12.5%）、花葉鵝掌柴（10%）以及吊蘭（10%），雖然腎蕨的應(yīng)用頻度高，但強(qiáng)光直射容易導(dǎo)致大面積死亡，破壞綠墻的完整性。鵝掌柴、花葉鵝掌柴和吊蘭生長情況都比較理想，適宜在華南地區(qū)廣泛使用。根據(jù)植物的習(xí)性，廣州建筑外墻垂直綠化選取的植物中，絕大部分都適合生長在溫暖濕潤的氣候，唯一的陰性植物的氣候適應(yīng)性也比較廣泛。大部分植物對光照適應(yīng)的范圍較廣，但太陽的直射會危害到一小部分植物的正常生長。在這22 種植物中，灌木最多，共有13 種，占植物總數(shù)的59.1%（見圖1）。

圖1 廣州建筑外墻垂直綠化植物應(yīng)用頻度Fig.1 Application Frequency of Vertical Greening Plants on Guangzhou Building Exterior Wall

2 廣州市建筑外墻垂直綠化現(xiàn)狀普及程度

通過向市民和路人發(fā)出微信問卷調(diào)研，對廣州市建筑外墻垂直綠化的普及程度和使用者對垂直綠化的建議進(jìn)行調(diào)研。以年齡層在18～50 周歲之間，在廣州生活的居民作為調(diào)查對象。最終獲得97 個有效問卷，對這97 份有效問卷進(jìn)行統(tǒng)計和分析。

本調(diào)查就建筑外墻垂直綠化的普遍態(tài)度，對受訪者的反饋情況進(jìn)行了統(tǒng)計與分析。有90.72%的人在廣州有見過垂直綠化，其中有57.73%的人會停留觀賞，另外的人則表示不感興趣。

在滿意度上，在“2.在廣州地區(qū)，您是否有見過綠化墻？”中回答“是”的受訪者，在“4.您對現(xiàn)在您在廣州所見過的綠化墻滿意嗎？”的選擇中，超過一半的受訪對象對廣州現(xiàn)有垂直綠化的狀態(tài)感到一般，26.14%的人對于垂直綠化比較滿意，其余的則認(rèn)為不夠滿意，以及有1 名受訪對象有其他見解。

在垂直綠化的功能優(yōu)點的調(diào)查中，大部分人認(rèn)同垂直綠化能夠減少熱島效應(yīng)、改變建筑內(nèi)部溫度、凈化空氣、美化美觀的功能，而對于過濾雨水這一功能，則多人認(rèn)為較其他選項相比不太可靠。

絕大部分受訪者認(rèn)為垂直綠化的缺點在于其維護(hù)成本高、養(yǎng)護(hù)難度大以及容易滋生蚊蟲，但對于其是否會破壞墻體認(rèn)同感不高（見表3）。

表3 綠化墻的優(yōu)點數(shù)據(jù)分布Tab.3 The Advantages and the Shortcomings of Green Wall Data Distribution （%）

由此可見，人們普遍對于廣州現(xiàn)有垂直綠化的現(xiàn)狀還是有一定的認(rèn)可和期待，同時也比較清晰地認(rèn)識到垂直綠化確實能夠為城市生態(tài)和容貌作出貢獻(xiàn)，但其中仍有很多疑惑與擔(dān)憂——成本高、養(yǎng)護(hù)難、滋生蚊蟲等。部分受訪者們也積極地給予了他們對于廣州現(xiàn)有垂直綠化的一些意見，如有人認(rèn)為現(xiàn)有垂直綠化還是太少，或者在養(yǎng)護(hù)方面認(rèn)為成本過高、不夠成熟而不宜推廣；以及美觀度不夠好，綠墻需要充分考慮其周圍環(huán)境進(jìn)行合理配置，在色彩和空間大小、形式上協(xié)調(diào)一致等，都需要在今后得到完善和重視。

3 模擬不同類型的垂直綠化對不同建筑類型的建筑能耗的影響

3.1 模擬方法

本文所使用的計算機(jī)軟件工具主要為建筑模擬能耗軟件DeST。本模擬實驗通過對建筑類型、外墻數(shù)量、外墻透明性、外墻類型、建筑朝向等影響建筑能耗的因素進(jìn)行模擬組合，從而探究不同建筑類型下垂直綠化對建筑能耗的影響。［10］

3.2 模擬過程

3.2.1 室外氣象參數(shù)

室外氣象參數(shù)使用DeST 中廣東省廣州市的典型氣象年的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行能耗模擬分析。氣象數(shù)據(jù)為逐時氣象數(shù)據(jù)，包括室外空氣干球溫度、空氣濕度、風(fēng)速和太陽輻射強(qiáng)度。

3.2.2 室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)模型參數(shù)

廣州地區(qū)夏季使用空調(diào)頻率較高，空調(diào)系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性會對實驗結(jié)果產(chǎn)生較大影響。3 種建筑類型下的空調(diào)系統(tǒng)模型參數(shù)和設(shè)備的開關(guān)作息如表4所示。

表4 建筑空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)Tab.4 Different Types of Buildings Air-conditioning System Parameters

3.2.3 垂直綠化熱工參數(shù)

在本模擬實驗中，將垂直綠化等效為導(dǎo)熱系數(shù)為一定值的100 厚綠化層，所需各參數(shù)均取等效值。廣州地區(qū)普遍的葉面積指數(shù)為LAI 3～5，故本文選區(qū)的3 種典型葉面積指數(shù)為LAI 3、LAI 4、LAI 5。又根據(jù)夏季條件下葉面積指數(shù)對植被當(dāng)量熱阻的影響曲線擬合結(jié)果，得出3 種葉面積指數(shù)下綠化層的導(dǎo)熱系數(shù)。

3.2.4 其他模型參數(shù)

在DeST 中建立一個單一房間模型，該房間在豎向上代表一個建筑的中間層，在橫向上代表一側(cè)或兩側(cè)都有房間的中間房間。模型分別根據(jù)典型住宅房間（6 m×6 m×2.8 m）、典型商店店鋪（8 m×8 m×4.2 m）、典型辦公房間（6 m×6 m×3.9 m）建立正方形房間。在上述三種建筑類型的模型中，天花板、地板和四面墻中的三面（或兩面）墻都被設(shè)定為絕熱（沒有熱傳遞和熱損失），該房間的熱傳遞只能通過一面或兩面外墻。

然后在該模型中對數(shù)個參數(shù)進(jìn)行組合模擬，參數(shù)包括建筑類型、外墻數(shù)量、外墻透明性、外墻類型、建筑朝向。詳細(xì)參數(shù)如下：

建筑類型：住宅建筑、辦公建筑、商業(yè)建筑；

外墻數(shù)量：模型僅有一面外墻、模型具有兩面外墻；

外墻透明性：完全不透明、60%透明，40%不透明；

外墻朝向：東+南，東+北；西+南，西+北；南+東，南+西；北+東，北+西。

外墻類型：灰砂磚外墻、混凝土外墻

外墻的具體構(gòu)造和熱物理性能如表5所示。40%不透明外墻的60%透明部分使用6 mm 普通單層玻璃。

3.3 實驗結(jié)果（見表6）

圖2 各類建筑西面為完全不透明灰砂磚墻節(jié)能率Fig.2 The Energy Saving Rate of Completely Opaque Grey Sand Brick Wall in the West of Various Buildings

3.4 能耗影響分析

3.4.1 建筑種類對垂直綠化節(jié)能效果的影響

如圖2所示，在相同條件下（只有西面為外墻、墻體完全不透明、墻體材料采用灰砂磚），垂直綠化墻在住宅、辦公與商業(yè)3 種建筑中的節(jié)能效果不同；且在住宅建筑中的節(jié)能效果優(yōu)于商業(yè)建筑，而商業(yè)建筑又優(yōu)于辦公建筑。3 種不同建筑類型的模型僅在室內(nèi)暖通空調(diào)系統(tǒng)模型參數(shù)與建筑內(nèi)擾及其作息參數(shù)設(shè)置不同。

3.4.2 不同葉面積指數(shù)對垂直綠化節(jié)能效果的影響

如圖3所示，在相同條件（西面為完全不透明灰砂磚墻）下，葉面積指數(shù)為LAI 5 的垂直綠化墻節(jié)能效果最佳，且節(jié)能效果隨葉面積指數(shù)降低而降低。

圖3 各類建筑西面完全不透明灰砂磚墻垂直綠化墻節(jié)能率Fig.3 The Energy Saving Rate of Vertical Greening Wall of Completely Opaque Lime Sand Brick Wall in the West of Various Buildings

表5 不同垂直綠化類型和不同材料外墻的具體熱工參數(shù)Tab.5 Different Types of Vertical Greening and Concrete Thermal Parameters of External Walls with Different Materials

表6 有一面外墻且有垂直綠化、及有兩面外墻且有垂直綠化相對無垂直綠化的建筑的年累計冷負(fù)荷減少量Tab.6 Cumulative Annual Cooling Load Reduction for Buildings with One Facade and with Two Facades，and Vertical Greenery as Opposed to Buildings without Vertical Greenery

3.4.3 不同朝向?qū)Υ怪本G化節(jié)能效果的影響

如圖4所示，在住宅建筑完全不透明的灰砂磚墻中，垂直綠化墻在西面的節(jié)能效果優(yōu)于東面，東面優(yōu)于南面，南面優(yōu)于北面。由于建筑西面墻體一天中接收到的太陽輻射最大，因此垂直綠化墻節(jié)能效果相應(yīng)較好。

圖4 住宅建筑各朝向完全不透明灰砂磚墻垂直綠化節(jié)能率Fig.4 Residential Building in Each Direction Completely Opaque Lime Sand Brick Wall Vertical Green Energy Saving Rate

3.4.4 不同外墻透明度對垂直綠化節(jié)能效果的影響

不同的外墻透明度會影響垂直綠化墻的節(jié)能效果，在商業(yè)建筑與辦公建筑中影響尤為突出。如圖5所示，西面灰砂磚墻上LAI5 垂直綠化墻在完全不透明時的節(jié)能效果遠(yuǎn)優(yōu)于40%不透明時的節(jié)能效果。且在商業(yè)建筑與辦公建筑此二類室內(nèi)能耗與熱擾較大的建筑中，當(dāng)建筑外墻部分透明時，垂直綠化墻的節(jié)能作用較小，還存在因綠化層增大外墻傳熱熱阻導(dǎo)致室內(nèi)熱量無法排出而增大能耗的情況。

圖5 各類建筑不同外墻透明度下西面LAI5 垂直綠化墻節(jié)能率Fig.5 Energy Saving Rate of Vertical Green Wall in West LAI5 under Different External Wall Transparency of Various Buildings

3.4.5 垂直綠化墻數(shù)量對垂直綠化節(jié)能效果的影響

如圖6所示，建筑中兩面垂直綠化墻的節(jié)能效果優(yōu)于一面垂直綠化墻。且西南、西北兩個方位設(shè)置垂直綠化墻效果優(yōu)于東南、東北兩個方位。

圖6 各類建筑不同數(shù)量垂直綠化墻下節(jié)能率Fig.6 The Energy-Saving Rate in Different Kinds of Buildings with Different Numbers of Vertical Green Walls

3.4.6 不同外墻材料對垂直綠化節(jié)能效果的影響

如圖7所示，在相同條件（住宅建筑中葉面積指數(shù)為LAI5 的垂直綠化墻）下，在灰砂磚墻表面設(shè)置垂直綠化墻的節(jié)能效果優(yōu)于混凝土墻，且二者節(jié)能效果相差較大。因此，在設(shè)置垂直綠化墻時還應(yīng)綜合考慮建筑本身的墻體材料。

圖7 住宅建筑中不同外墻材料設(shè)置在葉面積指數(shù)LAI5 下垂直綠化墻節(jié)能率Fig.7 In Residential Buildings，Different External Wall Materials were Used to Set LAI5 Vertical Green Wall Energy Saving Rate

4 結(jié)論

本文通過對廣州建筑外墻垂直綠化的現(xiàn)狀，結(jié)合DeST 能耗模擬軟件的分析，對影響建筑外墻與垂直綠化的契合度的因素進(jìn)行更深入的探討。在實際項目中，要讓建筑外墻垂直綠化真正形成生態(tài)作用，需要在設(shè)計前根據(jù)建筑外墻的屬性，以及使用者的需求，匹配適合的垂直綠化，并保持后期管理良好。同時也需要相關(guān)科研單位加大研發(fā)力度，開發(fā)出更多有利于垂直綠化發(fā)展的新技術(shù)。