寒地屋頂花園設計探索

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引言

人們的生活是越來越好的，那么相應的，我們所需的居住以及工作環境也需要隨之提升，我們對工作與居住環境的需求也在增加。因此，增加城市綠地面積，改善日益惡化的生態環境勢在必行。作為城市綠化的主要組成部分屋頂花園，已逐漸成為構建城市都市生態體系的一種重要趨勢。但是由于北方寒地地區的特殊氣候的限制，屋頂花園在寒地地區沒有普及，本文針對此現狀與問題對寒地地區屋頂花園做出設計探索。

1摩西·薩夫迪建筑設計基本理念

摩西·薩夫迪（MosheSafdie，加拿大籍以色列裔建筑師）對自然和城市歷史文脈的重視也始終反映在他的建筑設計中，除此之外，還考慮了社區的經濟發展以及城市規劃。他表示，在這么多年的發展中，對于環境、城市秩序等方面，人們的重視程度越來越深，且對于我們的影響也是越來越大。所以，薩夫迪所設計的建筑作品都秉承著以人為本的設計理念，即與自然和諧、與自然結合。他曾認為：“人類的理想是回到大自然之中。”[1]所以在未來建筑設計的過程中，提出的主要設計方案都應該綜合場所特點，利用其特點優勢改造劣勢。建筑與景觀并非是兩個孤立的個體，它們彼此依存、包容、補充。只有通過二者的融合，他們才能實現協調發展，從而走向對人們最有利的方面，建筑通過框柱景觀來襯托自己，景觀也通過建筑更加完美[2]。如何把建筑物與自然景觀融合，在中國古代庭園里也就開始有了它自己的手法，人們一方面用人工的方式來造園，一方面又強調了大自然，并根據人類的審美觀和思維對大自然加以再創作。并且，人們在選取建筑物的地點之時，一方面又順應了天然地貌及其自然環境，從而使建筑物和大自然達到了統一。例如由薩夫迪建筑事務所設計的秦皇島海碧臺，采用了創新的元素，如空中連接走廊、樓梯退臺和空洞的建筑，創造了一個現代、開放和多樣化的環境，讓城市、建筑和景觀緊密結合。建筑設計和自然景觀融合的主要目的是使建筑設計與自然景觀融合在一起，從而創造出更為積極和愉悅的創新環境，甚至是自然環境中與人相互依存的創新環境。建筑的設計和自然景觀必須互補、相互參考、相互協調，實現單體與自然景觀環境的共存與融合[3]。

2國內外屋頂花園的發展現狀

2.1國外屋頂花園的發展歷史及現狀在國外，屋頂花園早在公元前2000年左右時就已經出現。亞述古廟塔的建造者為古代蘇美爾人，建造位置是幼發拉底河，這個塔又被稱之為“大廟塔”，因為花卉栽種在塔體而不是塔“頂”上，這就是將其作為國外屋頂花園起源的原因。古巴比倫的“空中花園”是我們所認為的名副其實的屋頂花園，這是在約公元前500年的時候發現的。在之后，國外屋頂花園得到持續發展，如德國、日本在近半個世紀關于屋頂花園的技術提升以及植物栽種方面有了較大的突破，并建立了較為系統、精湛的體系，成為了全球屋頂花園的領頭羊[4]。

2.2國內屋頂花園的發展歷史及現狀

我國屋頂花園的興起時間較晚，因為中國古代建筑物一般為木質坡屋結構而不容易進行綠化栽植，再加上木結構的結構以及對土質和花卉的承重又成為了古代屋頂花園施工的一個難點。所以，在中國古代營建屋頂花園的情況極少。在春秋時代，吳王夫差就派人在臺湖邊地區修建了高度可以上人的姑蘇臺（圖1）；從《古今圖書集成》中我們可以了解到，針對植物的栽種，早在古代南京的城垣就已有記錄，明朝時在山海關種植了松樹和橡樹；清朝乾隆二十年（公元1755年），將一些花卉種植在了河北承德普寧寺大乘閣的平臺上，這些平臺的建筑結構為磚石，對于我國古代的屋頂花園，可將此看作是雛形。近年來，由于經濟的快速發展和相關的城市環境問題，越來越多的人意識到創造可持續景觀的重要性，提高人們的生活質量、改善城市環境、維護生態環境逐漸成為屋頂綠化的目標，生態技術和措施開始在中國被采用，對利用屋頂空間進行了相關研究，其中北京、上海實施得較早，之后，其他一線城市也陸續開始屋頂花園的實施。

3屋頂花園的作用與效果

3.1促進建筑節能

在北方，作為夏季節能高效隔熱方法的屋頂花園能夠降低到達屋頂的太陽輻射強度，使室內的熱量能夠相應的減少，以下各項因素能夠對屋頂接受太陽熱量造成影響：（1）屋頂植物葉子的大小；（2）所用土的厚度。在這個階段，國內和國際的共識是植物所吸收的陽光的熱量是綠色屋頂對結構層的主要熱保護[5]。在冬季，尤其是北方這種寒地地區，屋頂花園的綠化可以很有效地對室內進行隔冷、保暖，對消減寒冷起到極大作用。因此，屋頂花園可以對建筑設備和室內環境的能源效率作出重大貢獻。3.2改善環境屋頂花園從許多不同的角度和方式來改善城市和環境，但主要有以下幾個方面：

（1）緩解城市熱島效應，在大規模城市中，路面以及建筑堅硬物料的表層將會吸附更多的太陽輻射，排放在城市環境中，再加上建筑區域較密集的建筑影響了室內空氣流通，從而降低了熱能轉換，因此易于產生熱島效應。在中國，都市屋頂部分也是一個尚未被開發利用的重要空氣資源區，對都市環境和城市交通的熱島效應形成了重要的影響。在任何一座中大型都市修建屋頂花園，都將會增加20％左右的植物綠化面積，也就等于提高了很多暴露在屋外的植物綠化比例，從而提高了都市吸納陽光熱量的能力，都市植被面積平均每提高約10％，熱島效應溫度就會平均下降約0.6℃，極大地緩解了城市熱島效應。

（2）降溫增濕，改善周圍環境。天臺花園在夏季時能夠明顯降低鋼筋水泥構造和磚石構造等建筑房頂的晝夜溫度，進而減少因建筑外墻熱脹冷縮所產生的龜裂，因此天臺花園對降低附近建筑環境的溫度效應尤其顯著。而按照屋頂花園的設計規格以及當地的氣候情況，這種降溫效果通常能夠做到在零下5℃～4℃左右，綠色植物可以通過遮擋陽光曝曬、提供濃蔭以及將自身水份揮發來降低附近溫度。水蒸發的效果在下午、晚上和清晨最大。植物進入休眠期時出現的熱應力也會對人體產生重大的負面影響。因此植物夜晚的降溫效果非常重要。城市的重要大氣環境污染，如（PM2.5）、可吸收粒子（PM10）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）、一氧化碳（CO）等大多來源于城市工業生產和交通運輸，長時間接觸此類氣體可引起肺部問題和心血管疾病。屋頂花園中的小花草，具有滯留室內空氣中的灰塵、殺菌、吸收有害氣體、提高空氣負離子能力、降低噪音等功能，讓城市居民的健康指數顯著提高。

（3）城市的生物種類因屋頂花園而更加豐富，有利于鳥類等的棲息，為保護生物多樣性作出貢獻。3.3蓄積雨水中國城市水資源環境問題為資源匱乏、水旱災害頻發，城市水資源主要來自于大氣降水，盡管城市水資源數量相當充足，位居全球第六。但是由于中國人口眾多，平均占有的水資源量僅有2300m2，遠達不到全球平均占有水量的四分之一，被評為貧水資源大國，特別是中國北方地區耕地較多，水量不足，而這些地方60％～80％的降雨量都集中于夏季，因此，洪水和干旱等自然災害頻繁發生。解決中國城市環境中的內澇問題，節流才是重點。屋頂花園在不同時節吸納雨水的性能也有所不同，在夏季時近100％的雨水都能被吸納，在春秋二季時只有40％～50％，而在冬季時則只有10％～20％的雨水被吸取，已經大大超過了傳統建筑中接近于零的吸收系數。

4屋頂花園在寒地普及過程中所面臨的問題

4.1屋面荷載

屋頂花園首先要滿足的是安全問題，其次才是效果以及美化，屋頂花園需要滿足人群活動、屋頂防水保溫層、雨雪堆積和各類景觀小品的承重，如雕塑、植物、鋪裝、景觀池等等，一般屋頂花園的荷載應≧6.0KN/m2。北方寒地地區老建筑材料比較多，在當初的建筑設計工作領域方面并未充分考慮將來建造屋頂花園的需要，所以既無法達到大型建筑物屋頂花園的設計荷載條件，而且要對這種老舊建筑加以改裝的成本費用也過高，這都形成了不利于推行屋頂花園發展的因素。

4.2屋面防、排水

防水層、排水系統是建造屋頂花園的關鍵，尤其是在寒地地區，冬季降雪量大，防水層以及排水系統的設計是個難題，由于這些原因，在寒地地區結構層的建造要比南方地區更加苛刻。

4.3植物的選擇與栽種

因為在北方地區屋面影響著植物生長發育的自然環境條件也比較多，比如空氣成分、光線、氣溫、風速等生態因子都很大地影響著植株的生長選擇，以及景觀觀賞性，而且土壤的深度可能無法提供大樹生長的自然環境，景觀設計可能導致屋頂負荷和排水問題。因此，選擇最適合北方景觀特點的綠色植物很重要[6]。

4.4四季屋頂景觀的創造

北方地區四季差距很大，尤其是冬季植被景觀消退，人流急劇下降，呈現出靜態景觀，如何在寒冷的氣候條件下豐富冬季景觀，創造有吸引力的場所，是寒冷屋頂花園景觀的區域特征的轉折點。

4.5缺乏強制性政策法規

目前，有關屋頂花園相關方面的國家政策性文件已經在各地方均有頒布。比如，上海地區市于2007年1月頒布的《上海地區市園林綠化管理條例》是目前為止國內唯一將屋頂花園載入地區性政策的法規；另外《上海市節能省地型住房適宜科技發展指引》將屋頂花園、垂直綠化等列入了項目計劃層次。在市一級層次，上海市靜安區人民政府發出《對于上海市靜安區樓頂園林綠化具體實施若干意見（試用）的通告》；2010年，廣西壯族自治區政府頒布《有關落實“綠滿八桂”造林綠化方案的若干意見》；2011年，北京市政府發布《有關開展城市空間立體綠化工程建設的若干意見》；還有成都市下發的《成大都市樓頂園林綠化及垂直園林綠化技術導則》[7]。不過在寒地地區這一類規定相對較少，且相較于地面園林綠化，屋頂花園的各個方面都相當高，包括施工、運營等，因此屋頂花園的落實是較難的。

5屋頂花園在寒地普及中問題的解決方法

5.1減輕荷載與合理布局

在進行建筑物結構設計之前，就應當優先考慮屋頂構造，因為不同的建筑構造、屋頂形式所能承擔的負荷都是不同的，所以在進行屋頂花園設計中的整體負荷分析時，就必須要針對實際狀況測算出屋頂的全部負荷，包括屋頂構造墻體自重、防水涂料、找平層、保溫隔熱層和屋面場地鋪裝等。此外，景觀設計應以減少屋頂的承載力為原則，例如，在植物環境和建筑元素中使用輕質和堅固的建筑材料。而且，水體的設計需要減少水體的體積，使水體的深度變淺，減少水的積聚。當景觀設計遇到不可避免的過度集中負荷時，應考慮對現有建筑結構進行統一規劃，把較重要的物件設置在建筑主梁、柱子、承重墻等主體承載結構上，或是在這些主體承載結構的周圍，以增加安全系數。

5.2有效的防排水措施種植屋面的各結構等級一般分為：植物層、隔根、保濕、過濾、種植層、防滲層、原建筑頂（圖2）。在屋頂花園結構設計時復雜的主要是防水層和排水層。

5.2.1防水

國家在《種植屋面工程技術規程》中規定，屋頂花園的防水層應至少由兩層組成，最頂層的防水對植物根系是不滲透的。兩個防水涂料之間須相連，與用于防水工程的材質也必須兼容。這是因為植物的根系非常堅韌，具有強大的滲透力。因此，除了正常的防水措施之外，還需要有一個抗根穿透的防水工序。防水是屋頂花園的技術關鍵。目前，中國大多數建筑物屋頂的防水工程共分三種，分別是柔性卷材防水、剛性建筑防水和涂膜防水工程。柔性卷料防水屋面是用防水卷料和黏連劑組合在一起，以產生連接緊密的結構面層，從而實現了屋頂防水的目的，而柔性卷料防水屋面的好處則是可以應對高溫、震動、不平衡沉降等各種因素的變化。最適合的防水級別為Ⅰ-Ⅳ層（表1）的屋面防水，但阻根效果不理想。剛性防水屋面是指在房頂上鋪砌50mm厚以上的細石砼，一般內置雙向鋼筋直徑，有時在砼中加入了適量的微膨脹劑、減水劑、保護劑等外加藥，能夠大大提高耐久性，抗滲透性能，由于剛性防水層較為牢固，因此一般可以避免對植物根部的水滲入，好處是施工簡便，且結構簡潔，費用也較低廉。缺陷是建筑材料易于斷裂，對溫度變化的抵抗能力較弱，同時由于建筑材料本身比重也很大，增加了屋頂自身的比重，因此這種建筑防水屋面通常作為中國南方地區建筑防水級別為Ⅲ層的建筑屋面防水，也可能用作建筑防水級別為Ⅰ-Ⅱ多層防水工序的其中一層。屋頂防水材料是應用于建筑物屋頂基底的多層防水建筑材料，由建筑材料的天然不滲透性來保護干燥和固化。其主要優點是防水、粘性強、耐腐蝕、耐老化、延展性高、彈性好、安裝方便。主要用于室外建筑的III、IV級防水，也可用于多層I-II級防水。在一般層加涂膜的防水層上多采用具有抗植物根系滲透能力的材料[8]。

5.2.2排水

為了確保水資源的合理使用，屋頂花園內必須考慮蓄排水設施，如果排水系統不夠完善，水量囤積在地表以及植物土壤里，那將直接影響到防水問題以及屋頂荷載。所以迅速排澇非常關鍵，方式通常是利用排水管溝、雨水斗、落水系統或者虹吸排放，也可以采用塑料制品的回蓄排放，這種材料的優勢在于它的高抗壓性和快速排水，以及它的重量輕，可以減少屋頂的負荷。除了溢流孔和天線外，還需進行排水管和排水溝的設置，使得有暴雨天氣的情況下所需的要求得到滿足。疏通、清理也需要在一定的時間內進行。

5.3選擇適宜的植物種植

由于寒冷地區的氣候，有必要選擇適應氣候同時又具有美感的植物。根據寒地特性選出了幾種適宜的植物：（1）選擇耐寒、耐旱植物；（2）選擇耐風和耐水的植物；（3）選擇喜光、根系淺、耐貧瘠土壤的植物；（4）選擇耐修剪、易種植、有良好生存潛力的植物；（5）選擇地域氣息濃厚的植被；（6）選擇能抵抗和吸收空氣污染的植物。建議在女兒墻和景觀墻體的周圍栽種攀援花卉，以構成綠色立體綠化，如攀爬虎、紫藤、常春藤等[9]。

5.4提供四季可用的休閑景觀

可以提供適當的座位和季節性景觀，并且可以使用低導熱性的材料，作為座位接觸面。在冬季可以發揮寒地地區冰雪的藝術性，如冰燈、冰雕等。

結語

我國寒地地區實現屋頂花園全面普及是一項漫長而又繁重的任務，不僅僅需要民眾的理解與配合，同時也需要相關部門出臺一系列有效的、易于實施的政策，培養更多的技術人才，加強水系統控制管理、植物種類的栽培等技術方面，能讓寒地屋頂花園一開始就朝著正確的道路前行，使屋頂花園更好地服務于人類。

參考文獻：

[1]潘冰.摩西·薩夫迪:微型城市主義設計大師[J].中

作者:徐強 方簫嶼 單位:吉林建筑大學建筑與規劃學院 吉林建筑大學建筑與規劃學院