“平”“坡”之爭(zhēng)：兩種屋頂形式的研究
——以“極光之家”項(xiàng)目為例

文／姜立文 申紹杰

引言

起初為了避免雨水對(duì)人類使用空間的侵蝕，傾斜的屋頂形式被建造出來(lái)；后來(lái)開(kāi)發(fā)出了屋頂膜，平屋頂擁有持久性的防漏解決方案、簡(jiǎn)約化的屋頂結(jié)構(gòu)、集約化的屋面空間，平屋頂開(kāi)始取代斜屋頂；近期提出“環(huán)境友好型”建筑，斜屋頂更有利于太陽(yáng)能板的布置，如何在平屋頂與斜屋頂之間找到平衡，本文最后一部分提出案例，為這一討論添磚加瓦。

1“平”“坡”屋頂?shù)陌l(fā)展

1.1“平”“坡”屋頂?shù)某霈F(xiàn)

屋頂是人類最早創(chuàng)造保護(hù)自我的空間形式，也是今天建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)展的元素。當(dāng)人類定居下來(lái)之后，利用周圍的材料創(chuàng)造了可居住的空間，就開(kāi)始出現(xiàn)了屋頂和墻壁。屋頂不僅在位置上是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的上部，同時(shí)也是整體結(jié)構(gòu)的一部分。隨著時(shí)間的推移，屋頂變得更加復(fù)雜和不同，它們不僅具有保護(hù)功能，而且還與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的其他部分結(jié)合使用，使得建筑在世俗與神圣建筑中得到各自不同的表達(dá)。

屋頂結(jié)合特定的區(qū)域氣候，建筑個(gè)體的功能以及閣樓空間的處理，隨著時(shí)間與空間的推移，發(fā)展出不同的建造方法和建筑風(fēng)格。特別是不同的氣候條件導(dǎo)致了屋頂類型上最顯著的差異，即斜屋頂和平屋頂?shù)某霈F(xiàn)。從1755 年由建筑師維特魯威（Vitruvius）描述、阿爾伯蒂（Alberti）繪制的原始小屋，用樹枝組裝而成的陡峭屋頂，到后來(lái)允許建筑與自然環(huán)境無(wú)縫融合的景觀屋頂?shù)某霈F(xiàn)，它們的發(fā)展歷史始于屋面材料的技術(shù)改進(jìn)。逐漸地，屋頂下的空間也獲得了越來(lái)越復(fù)雜的用途。起初，它被用來(lái)儲(chǔ)存和干燥貨物和食品，后來(lái)成為仆人們簡(jiǎn)單的生活場(chǎng)所。到如今，有臺(tái)階的頂樓是專門為豪華的頂層公寓建造的。屋頂?shù)男螤詈蜆?gòu)造與整個(gè)建筑的用途、外觀和意義都是密切相關(guān)的。

1.2“平”“坡”歷史上的選擇

與建筑的基座類似，屋頂在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體組成中起著重要的作用。屋頂?shù)男螤顚?duì)建筑的比例和輪廓有很大的影響。從古典教堂經(jīng)典的比例、中世紀(jì)的聯(lián)排別墅嚴(yán)格的秩序，到了現(xiàn)代主義，屋頂在垂直平面的視線上可以簡(jiǎn)化為一條細(xì)線，限制在建筑頂部。當(dāng)然，與斜屋頂一樣，平屋頂絕不是現(xiàn)代化建筑的產(chǎn)物，這一形式是在歷史的進(jìn)程中被創(chuàng)造出來(lái)的。著名的例子是普韋布洛印第安人的土坯建筑，以及傳統(tǒng)的摩洛哥房屋，平屋頂上覆蓋著泥土和草皮，用于干燥食品。

與在圍護(hù)結(jié)構(gòu)下創(chuàng)造可用空間的坡屋頂相比，平屋頂?shù)纳媳砻婵梢杂糜诟鞣N用途，例如作為夏季生活空間或作為屋頂花園。在干旱地區(qū)，可以通過(guò)使用土坯等天然材料進(jìn)行定期維護(hù)來(lái)保持屋頂?shù)姆缆诮邓^多的氣候地區(qū)，平屋頂并不可行。直到開(kāi)發(fā)出了屋頂膜，如瀝青或飽和瀝青的屋頂毛氈。這一突破開(kāi)發(fā)了更持久、更防泄漏的解決方案。因此，平屋頂開(kāi)始取代斜屋頂，特別是在人口密集的城市地區(qū)，更好地利用建筑體量和省略復(fù)雜的屋頂結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了大型建筑項(xiàng)目的創(chuàng)建。

20 世紀(jì)20 年代，在現(xiàn)代主義思想的影響下，體育和休閑設(shè)施開(kāi)始出現(xiàn)在建筑物的屋頂上，如1923 年Giacomo Matte-Trucco 在意大利都靈的菲亞特工廠建筑上的測(cè)試電路，以及后來(lái)勒·柯布西耶在馬賽公寓屋頂上設(shè)計(jì)幼兒園和大泳池。平屋頂越來(lái)越多地成為一種擴(kuò)展功能的方式，而不需要額外的花費(fèi)。這一趨勢(shì)一直持續(xù)到今天，在人口密集的城市地區(qū)，平屋頂無(wú)處不在。

不僅如此，平屋頂除了用于休閑目的外，對(duì)城市園藝、城市綠化等也起到了重要作用。屋頂種植和建造花園甚至公園的可能性，正在促進(jìn)這些空間的集約化利用，這些空間被整合到現(xiàn)有的景觀中，從而用種植面積來(lái)補(bǔ)償建筑下自然土地的損失。例如，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的新學(xué)習(xí)中心是日內(nèi)瓦湖岸邊的一個(gè)建筑景觀（圖1）；同樣，法蘭克福申德?tīng)査囆g(shù)博物館的地下擴(kuò)建部分也已經(jīng)建成，以保留現(xiàn)有的內(nèi)庭院作為綠色空間的品質(zhì)（圖2）。無(wú)論我們考慮的是斜屋頂還是平屋頂，不管它是被屋頂材料覆蓋，還是作為種植屋面，對(duì)于整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，選擇合適的屋頂形式是影響建筑形狀的決定因素。屋頂不僅是建筑的必要附屬品，而且是空間形成元素，影響著整體的設(shè)計(jì)。

圖1 洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的新學(xué)習(xí)中心（圖片來(lái)源：來(lái)源于參考文獻(xiàn)[3]）

圖2 法蘭克福申德?tīng)査囆g(shù)博物館（圖片來(lái)源：來(lái)源于參考文獻(xiàn)[4]）

今天，材料和施工技術(shù)日益進(jìn)步，這為建筑及其屋頂，乃至整個(gè)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的自由設(shè)計(jì)打開(kāi)了大門。

2 影響“平”“坡”屋頂?shù)倪x擇要素

2.1 屋頂結(jié)構(gòu)要素

2.1.1 屋頂結(jié)構(gòu)的影響

“平”“坡”屋頂形狀受其結(jié)構(gòu)的影響而決定。屋面結(jié)構(gòu)應(yīng)在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期階段就融入到設(shè)計(jì)和施工中。在設(shè)計(jì)屋頂結(jié)構(gòu)時(shí)必須考慮以下幾個(gè)方面：

屋頂面積大小及施工跨度；施加的恒定荷載；來(lái)自當(dāng)?shù)貧夂驐l件的負(fù)荷，如風(fēng)或雪；在建筑被安置在現(xiàn)有的舊結(jié)構(gòu)上時(shí)，可用的軸承選項(xiàng)所施加的限制；材料產(chǎn)生的勢(shì)能。

材料和施工的選擇主要取決于現(xiàn)有資源、所需的承載能力以及空間和設(shè)計(jì)要求。屋頂結(jié)構(gòu)的功能之一是支撐建筑抵御水平荷載(風(fēng)、地震、承重)，屋頂本身也吸收水平荷載。這意味著屋頂平面必須有足夠的剛度，以使力傳遞到承重點(diǎn)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

2.1.2 屋頂結(jié)構(gòu)荷載的影響

屋頂結(jié)構(gòu)上的荷載可分為恒定荷載和外加荷載。恒定荷載包括結(jié)構(gòu)本身和結(jié)構(gòu)所承載層的重量，如子結(jié)構(gòu)、屋頂、隔熱層和安裝設(shè)備，如太陽(yáng)能集熱器或綠植屋面。

大風(fēng)、雨雪不僅在水平方向上對(duì)建筑產(chǎn)生影響，還會(huì)通過(guò)吸力、負(fù)壓等作用在建筑上產(chǎn)生向上的作用，對(duì)建筑產(chǎn)生特定的荷載。根據(jù)建筑物的高度和地理位置的海拔，作用在建筑物及其屋頂上的風(fēng)力可能是極端的。風(fēng)荷載隨風(fēng)速增大而增大。在沿海地區(qū)，風(fēng)速明顯高于內(nèi)陸地區(qū)，這意味著建筑表面的風(fēng)壓增大。在極端情況下，風(fēng)完全水平地影響建筑物。

坡度約為30°到35°或更大的屋頂迎風(fēng)面會(huì)受到風(fēng)壓的影響，同時(shí)屋頂背風(fēng)面也將會(huì)受風(fēng)的吸力影響，需要在屋頂上應(yīng)用一種拉力材料。因此，屋蓋材料的選擇及固定方法（例如釘子、風(fēng)托）必須設(shè)計(jì)成能同時(shí)抵消吸力。在受壓區(qū)域（例如在懸臂下）和有開(kāi)放圍護(hù)結(jié)構(gòu)的建筑物中，屋頂可能受到向上的力，或相反的，當(dāng)風(fēng)從其下方流過(guò)時(shí)，屋頂可能受到向下的力。當(dāng)風(fēng)在建筑物的邊緣周期性地中斷時(shí)，就可能出現(xiàn)帶渦流的負(fù)壓。風(fēng)也會(huì)影響到外墻的頂部、建筑邊緣的密封裝置和組件（屋檐、閃光板），這意味著這些部分必須根據(jù)位置和盛行風(fēng)速進(jìn)行設(shè)計(jì)（圖3）。

圖3 DIN1055 中的特定荷載對(duì)屋頂?shù)挠绊懀▓D片來(lái)源：來(lái)源于參考文獻(xiàn)[5]）

因此，形式和結(jié)構(gòu)之間的相互作用，影響著“平”“坡”的選擇。

2.2 屋頂材料要素：

圖4 展示了屋面材料之間的關(guān)系以及它們各自對(duì)不同屋頂坡度的適用性。在為某一屋頂形狀選擇屋面材料時(shí)，設(shè)計(jì)者必須檢查所選材料是否具有足夠的防滲能力。該圖清楚地顯示了歷史上的屋頂材料，如稻草和蘆葦，或普通瓦片，需要陡峭的屋頂坡度，而屋面膜和金屬屋頂覆蓋物的引入使平屋頂建筑在這種氣候下成為可能。

圖4 屋頂材料的不同坡度適應(yīng)性（圖片來(lái)源：來(lái)源于參考文獻(xiàn)[5]）

屋頂材料如茅草、瓦、粘土或混凝土瓦只能鋪在坡屋頂上，覆蓋層如屋面膜和金屬屋面材料也可以鋪在平屋頂上?！案采w層”一詞指的是一種防水的表皮，而“覆蓋層”的元素則被廣泛歸類為鱗片、用于傾斜屋頂?shù)哪景寤虮“?，這樣就可以排走雨水。不透水性隨屋面材料覆蓋密度的增大而增大。木瓦和平面磚等屋面材料(有時(shí)稱為單層覆蓋層)與多層覆蓋層相比有較大比例的開(kāi)口接縫，提供的保護(hù)較少。

因此，在斜度小于20°的屋頂上采用任何水垢式覆蓋方法，都需要額外的襯墊，以提供足夠的保護(hù)，以抵御在冬季可能無(wú)法從屋頂排走的大雨和水。如果提供這樣的襯底，這些材料也可以敷設(shè)在坡度低至大約11°的屋頂上。屋頂坡度越淺，對(duì)材料質(zhì)量、構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性和施工質(zhì)量的要求就越高。這樣的屋頂構(gòu)件越薄，與相鄰構(gòu)件的配合越好，就越適合較淺的坡度。在板材和膜層的情況下，接頭的質(zhì)量尤為重要。然而,盡管平屋頂沒(méi)有膜在理論上是可行的,建議輕微下降至少2%,最好是5%,為了防止水坑形成水洼,從而避免潛在的破壞,特別是在薄膜和薄膜的接縫處。

由此可見(jiàn)，屋面材料的選擇也決定了屋面是坡頂還是平頂。

2.3 屋頂表現(xiàn)要素

技術(shù)發(fā)展帶來(lái)的設(shè)計(jì)自由，特別是屋頂形狀有了更多的設(shè)計(jì)表現(xiàn)。屋頂?shù)男螤钍墙ㄖ闹饕憩F(xiàn)形式。住宅的原始形式仍然被許多人認(rèn)為是帶有斜屋頂?shù)木匦谓ㄖ?，這是由不同地區(qū)的不同文化傳統(tǒng)所造成的。然而，無(wú)論是斜屋頂還是平屋頂，都有可能識(shí)別出類似的形式效果。帶有大懸挑的屋頂保護(hù)了其下方的建筑結(jié)構(gòu)，因此屋頂成為整體構(gòu)成的主要表現(xiàn)形式，而不僅僅是一個(gè)附加元素，而沒(méi)有任何懸挑的屋頂則突出了建筑體量的雕塑外觀，這個(gè)建筑將會(huì)顯得更加緊湊和封閉。

這些例子說(shuō)明不同外觀可以有意識(shí)地被用來(lái)達(dá)到不同的設(shè)計(jì)效果，特別是由于技術(shù)上的可能性取得突破，關(guān)于材料的限制已不再適用。建筑師密斯·凡德羅在他的展廳中使用的加法原則強(qiáng)調(diào)了一種藝術(shù)表現(xiàn)的形式，創(chuàng)造了有吸引力的和有區(qū)別的房間，并為平屋頂賦予了保護(hù)和連接的效果。建筑被簡(jiǎn)化為一個(gè)立方體的基本形狀，它創(chuàng)造了一個(gè)無(wú)差別的封閉形狀，緊湊的形狀減少了空間多樣性，創(chuàng)造了精確的幾何圖形。

因此，材料和建筑以及形式和用途決定了屋頂?shù)男螤?，并暗示了一種強(qiáng)大的視覺(jué)表達(dá)潛力。

3“極光之家”住宅的屋頂分析

3.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

“極光之家”住宅包括一個(gè)80 平方米的家庭住宅，通過(guò)一個(gè)30 平方米的庭院連接到一個(gè)50 平方米的小住宅。它從公共區(qū)域(庭院、客廳)到私人區(qū)域(臥室)，沿著南北軸線穿過(guò)房屋。平屋頂覆蓋了一個(gè)綠色花園，并由太陽(yáng)能的坡屋頂覆蓋，兼有“平”“坡”屋頂（圖5）。

圖5 “極光之家”住宅效果圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

3.2 屋頂體系

“極光之家”的屋頂系統(tǒng)有一個(gè)特點(diǎn)，它被分為兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。第一部分是太陽(yáng)能坡屋頂，被視為一種環(huán)境和建筑相互作用的特征，并在結(jié)構(gòu)上使用的是木桁架系統(tǒng)。通過(guò)建立參數(shù)化結(jié)構(gòu)模型，幫助分析不同的約束條件，如頂板曲率、傾斜和支架數(shù)量。另一部分的重點(diǎn)是主體建筑的平屋頂，它保護(hù)主體建筑不受外部環(huán)境的影響，提供綠植空間，剖面如圖6，材料如表1。

表1 平屋頂材料（表格來(lái)源：作者自繪）

圖6 平屋頂剖面（圖片來(lái)源：作者自繪）

3.3 屋頂坡度與傾斜度分析

使用PVSOL 軟件進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)頂板坡度和傾斜度的決策來(lái)優(yōu)化頂板曲率。模擬的目的是找出屋頂傾斜和方向如何影響光伏能源的生產(chǎn)?？偣矊?duì)5 個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行了模擬。5 例的結(jié)果如下表所示（表2）。因此，在這些模擬中，假設(shè)采用了全光伏系統(tǒng)。在模擬中，整個(gè)屋頂區(qū)域被52 個(gè)光伏板覆蓋?？偣矊?duì)5 個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行了模擬。這5 個(gè)案例的結(jié)果如下表所示。

表2 PVSOL 軟件模擬的5 個(gè)場(chǎng)景（表格來(lái)源：作者自繪）

表2 清楚地表明，增加北坡，光伏系統(tǒng)的光伏能量受益最大。隨著南北向坡度的增加，面板越來(lái)越朝南，這增加了光伏產(chǎn)量。這與光伏板放置的一般規(guī)則是一致的，即如果光伏板位于北半球，它們應(yīng)該面向南。因此，在保持東西向傾斜不變的情況下，能源產(chǎn)量明顯增加，南北坡度從4.4°增加到10°。因此，案例4比案例2 的性能好994 千瓦時(shí)/年，案例5 比案例3 的性能好960 千瓦時(shí)/年。從表格中也可以清楚地看出，更平坦的屋頂將提供更高的能源產(chǎn)量。當(dāng)傾斜角度降低，屋頂更彎曲時(shí)，能量產(chǎn)生明顯減少。這可以在比較案例2 和案例3 時(shí)看出，案例2 具有較低的東西傾斜，因此更平坦的屋頂結(jié)構(gòu)將在一年多提供332 千瓦時(shí)發(fā)電量。而情況4 一年的發(fā)電量將比情況5多366 千瓦時(shí)發(fā)電量，且東西傾斜度更高。然而，與案例1 中東西傾斜度最小的平屋頂相比，其他的表現(xiàn)更好，這是因?yàn)榘咐? 中的光伏板面向天空，而不是向南傾斜，從而最大化了能源生產(chǎn)。

綜上所述，分析得出的最佳案例是案例4，其光伏發(fā)電量最高，為23351 千瓦時(shí)/ 年。模擬結(jié)果為屋面結(jié)構(gòu)提供了以下建議：最佳南北向坡為10° ( 越高越好)，最好的東西傾角為6.4° ( 越低越好)。

3.4 屋頂?shù)暮奢d分析

太陽(yáng)能結(jié)構(gòu)安裝在木屋頂板頂部，然后沿著東西方向卸載到木椽子上，木椽子依次卸載到桁架上，用鋼索來(lái)使屋頂達(dá)到橫向的穩(wěn)定（圖7）。太陽(yáng)能屋頂向主樓屋頂傳遞荷載。通過(guò)分析，主樓屋頂通過(guò)16 個(gè)點(diǎn)來(lái)承接受到的結(jié)構(gòu)荷載和特定荷載，這種方式最為合理（圖8）。

圖7 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的視角（圖片來(lái)源：作者自繪）

圖8 平屋頂分布的荷載點(diǎn)（圖片來(lái)源：作者自繪）

“極光之家”住宅實(shí)現(xiàn)了平坡屋頂?shù)慕Y(jié)合，坡屋頂進(jìn)行參數(shù)化分析后，給予了太陽(yáng)能板最大程度的能力獲取，平屋頂可以實(shí)現(xiàn)綠植屋面，這是一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的研究案例。

結(jié)語(yǔ)

“平”“坡”屋頂形狀受到結(jié)構(gòu)、荷載、材料和表現(xiàn)的影響和決定。屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)應(yīng)在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期階段就融入到整體的設(shè)計(jì)和施工中，以滿足對(duì)不同屋頂坡度的適用性，來(lái)達(dá)到建筑的整體表現(xiàn)形式。當(dāng)下政策倡導(dǎo)了“環(huán)境友好型”建筑，太陽(yáng)能板在坡屋頂建筑中的應(yīng)用受到追捧，平屋頂具有屋頂平面的優(yōu)勢(shì)，本研究結(jié)合實(shí)驗(yàn)性案例，采用參數(shù)化分析的方法，在平坡之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，希望此類的分析方法可以為“平”“坡”形式的選擇問(wèn)題提供積極性解答。