華南地區屋頂菜園工程設計與建造技術研究

摘要：城市屋頂菜園是在屋頂花園基礎上衍生的新興產物。結合華南地區屋頂菜園的建設現狀，以廣東農工商職業技術學院屋頂菜園工程建造和蔬菜適生性試驗為例，從功能分區、適種品種、屋面結構、承重荷載、給排水技術、防風技術等層面入手，歸納出一套適宜華南地區屋頂菜園設計及建造的關鍵技術，以期為該區域屋頂菜園建設和發展做一些基礎性工作。

關鍵詞：屋頂菜園；屋頂花園；華南地區；設計；建造

文章編號：1671-2641（2015）04-0016-05

中圖分類號：TU986

文獻標志碼：A

屋頂菜園是城市綠化及都市農業的結合，是在屋頂花園基礎上衍生而來的新興產物，能極大緩解我國城市用地緊張的局面，同時提高城市綠化水平。國外較早開展對屋頂花園的研究，在建設理念 ，工程技術 ，植物選擇 等方面取得了一系列研究成果，這些理念影響著我國城市建設。在屋頂花園快速發展的過程中，逐步出現將城市農業與屋頂花園結合的屋頂菜園 ，例如：1919年建成的，位于美國紐約市一棟6層倉庫上的布魯克林農莊就是屋頂菜園的成功案例，對世界屋頂菜園的建設影響巨大。近年來，上海市和南京市等地的創意產業園區與高新技術園區也陸續出現了屋頂菜園的成功案例 ，并且有范圍逐步擴大的趨勢。本文在總結屋頂菜園工程建設案例及日常管養經驗的基礎上，根據華南地區的建筑條件、氣候特點、屋頂菜園設計理念及關鍵工程技術人手，歸納總結出一套屋頂菜園設計及建造的關鍵技術，以期為該區域的屋頂菜園建設和發展做一些基礎性的工作。

1 建設屋頂菜園的意義

屋頂菜園除具有一般屋頂花園減緩城市熱島效應、增加城市綠化面積、改善城市生態環境、降低建筑溫度、延長建筑壽命等優點外，還具有以下意義：

l）充分利用城市空間，提高城市農業用地面積；

2）增加城市蔬菜和家畜的產出，提高城市糧食生產量；

3）滿足人們對安全食品的需求 ；

4）提供體育鍛煉及農耕勞作空間，作為城市活動設施的有效補充；

5）填補都市人對田園農業的追求，建設城市農業教育教學基地。

因此，本文提及的屋頂菜園，是指為城市居民及建筑住戶提供休閑活動及農耕體驗的園林式、非生產型屋頂菜園，該類屋頂菜園將是未來城市綠化的重要發展方向。

2 屋頂菜園的建設理念

屋頂菜園的設計應緊扣其服務對象及功能定位：

1）依托屋頂構造。大多數屋頂菜園是對原有屋面改造建設，必須充分考慮承重、排水、防水等要求。

2）與園林造景緊密結合。城市屋頂應優先建成園林式、蔬菜主題式屋頂菜園，并控制種植區域面積。

3）滿足農耕體驗需求。結合園林造景規劃各類農業種植形式及配套設施，滿足都市人的體驗需求。

4）配套附屬設施。“城市農夫”（指在屋頂菜園開展種植體驗的城市居民）缺乏種植經驗，難以定時管養，但求知欲和學習能力較強，故宜引入自動化或半自動化設備。

3 屋頂菜園的功能分區及品種選擇

3.1 功能分區

3.1.1 育苗區

屋頂菜園種植的瓜果蔬菜多以一、二年生短周期作物為主，期間需多次育苗。菜苗相對園林植物幼苗更嬌嫩，更容易遭受環境及病蟲害的影響。育苗前營養土一般要采取藥土消毒、福爾馬林熏蒸消毒或藥液消毒等方式進行消毒處理，以殺滅土中的病菌、蟲卵和草籽。因此，需預留出一個相對獨立的育苗區域。隨著當前設施園藝的快速發展，一些組合式種植盆架可以根據使用者的需要拼接成不同形狀，也可用此類設施育苗。

3.1.2 堆肥區（堆肥設施）

居民生活產生大量廚余廢棄物，屋頂菜園管養過程中也會產生大量可利用廢棄物。當前，肥料生產行業高度重視餐廚垃圾和綠化廢棄物這兩類資源型廢棄物的開發利用，堆肥方式被公認為是以上2種廢棄物有效利用的最佳方式。堆肥設施視屋頂菜園的規模而定，簡易設施可將廢菜葉、瓜果皮、剩飯碎骨加入少許舊營養土，裝入袋中并噴上殺蟲劑后密封，放入幾個塑料桶中，經過約2～3個月的發酵至無臭即可，溫度較高季節可縮短發酵時間。生產的有機肥容易被植物吸收，并且能改良土壤，保障食品安全。

3.1.3 種植區

種植區是屋頂菜園的核心區域，也是建造最關鍵、最復雜的區域，影響建筑的使用壽命，需周全設計并謹慎施工。此外，要合理控制種植槽寬度，預留作業空間，便于使用者進入勞作。種植槽下宜細分若干種植格（圖1），每個寬1.0～1.2m，兩側可砌筑0.2～0.3m的分隔步道，起分隔及供人踩踏用。種植土控制在30～50cm厚之間，盡量選擇輕基質，底層做好排水及防水處理。當前大量針對舊式建筑屋頂的工程改造是將種植區墊高后做排水及防水處理（圖2）。

3.1.4 工具房

“城市農夫”生活水平較高，會配備大量精美和昂貴的耕作工具，故宜配套工具存放設施。同時，工具房的建設能防止臺風或大風將農用設施吹飛或吹落，極大消除高空墜物的潛在威脅。

3.2 蔬菜品種選擇及其適應性研究

屋頂菜園光照條件充足，晝夜溫差較大，病蟲害相對較少等條件有利于蔬菜的生產，但其高溫、干旱、土層較薄、烏食為害等不利條件也對部分蔬菜的種植產生較大制約。

3.2.1 不同類別蔬菜種植的特性

按蔬菜食用部位來劃分，各類蔬菜在屋頂菜園種植時應充分考慮其適生環境：

1）葉菜類：種植條件要求相對較高，需及時澆灌。屋頂種植葉菜應優先選擇全日照、喜光、耐高溫、耐旱品種。在樓面的女兒墻，電梯房，樓梯間等周邊半遮陽區域，選擇范圍可稍擴大至喜半陰品種。根據位于廣州市增城區廣東農工商職業技術學院屋頂菜園管養情況，半遮陽環境較全陽環境種植的葉菜長勢更佳。此外，屋頂葉菜種植還需注意鳥類為害（圖3）。

2）根菜類：要求種植土層較厚。土層厚意味著屋頂承重提高，必然對建筑結構提出更高要求，且該類蔬菜多喜溫和冷涼及半濕條件，并非屋頂菜園首選類型。

3）莖菜類：受土層厚度限制，優先選擇地上莖類或地下莖較小的品種。此外，該類植物也多喜溫和、冷涼、半濕條件。

4）花菜類：從植物生命周期而言，生殖階段是抗逆性最差的脆弱階段。花菜類蔬菜在生長發育階段較難抵御高溫、干旱、霜凍等不良環境，難以適應屋頂菜園相對惡劣的生長條件。

5）果菜類：多以藤本或半藤本類植物為主，攀援習性是植物為獲得陽光長期進化的結果。該類果菜類蔬菜多喜光、喜熱，較適應屋頂環境。將該類植物結合廊架造景，生態與景觀效果俱佳。

綜上所述，屋頂菜園蔬菜品種的選擇，宜優先從果菜類、葉菜類中挑選。

3.2.2 華南常見蔬菜品種的適應性

項目團隊于2013～2015年在廣東農工商職業技術學院增城校區實驗樓7樓屋頂菜園開展依季節種植蔬菜試驗。試驗地位于廣州市增城區23°28′N、113°61′E，屬熱帶與亞熱帶過渡氣候，全年平均溫度22.2℃，1月平均氣溫12℃，7月平均氣溫28℃，寒暑溫差不大，雨量充沛，年平均降雨量為1870mm，3～8月為雨季，平均無霜期346d，與廣東絕大部分地區氣候條件相似。試驗地光照充足，1/3區域有圍墻及樓梯間對日照進行半途擋，其余區域為全日照環境。菜園采用約30cm厚輕基質土露地栽培，配備灌溉設備，日常給予常規水肥管理。

此外，項目團隊還對廣州市及周邊居民區自建屋頂菜園進行開展調查。綜合試驗數據及調查結果，華南地區屋頂菜園主栽蔬菜品種及其栽植適宜度如表l所示。

4 屋頂菜園施工的技術要點

華南地區常見的平屋頂一般結構為基層、絕熱層、找坡（找平）層、防水層、保護層（面層），舊式建筑在增建屋頂菜園前，應先徹底翻修一次屋頂防水層，強化排水層及耐根穿防水層，提高屋頂防水等級及防水層強度。新建種植屋面可參照以下基本構造建設（圖4～5）：由下往上依次為基層、絕熱層、找坡（找平）層、普通防水層、耐根穿刺防水層、保護層、排（蓄）水層、過濾層、種植土層和植被層等。

4.1 做好重量預算及核算

屋頂菜園的建造必須高度重視樓面承重，一旦樓板被壓壞或壓裂，必將破壞樓面防水及排水，嚴重影響建筑結構，修復難度巨大。由于我國屋頂綠化發展緩慢，大部分構筑物修建時并未有屋頂花園計劃，屋面承重及排水防水能力有限。尤其是舊式建筑技術較落后，磚混結構等建筑形式更限制著屋頂菜園的建設。舊屋頂增建屋頂花園的活荷載宜取150kg/m2，即普通上人屋面活荷載取值，不宜在其上進行集會或演出。此外，還應對原結構安全性進行檢測鑒定，根據種植屋面的各層進行重量預算，提交建筑設計單位或專業部門核算承重。設計師計算荷載時，除屋面結構荷載外，還要考慮種質基質的荷載、初栽植物荷重和植物生長期增加的可變荷載，以確保建筑物使用安全。

4.2 使用輕質材料，減少單位壓強

土壤重量是屋頂菜園承重的重要組成部分。自然土壤容重較大，可達1000kg/m3，在屋頂承重范圍內使用自然土壤難以保證足夠的根系生長空間，而輕質營養土能在降低重量的基礎上解決這一關鍵問題。常用的輕基質以草炭土、泥炭、腐殖土、珍珠巖、有機肥、椰糠、木屑、蛭石等為原料，按比例混合成疏松種植土壤。相關報道顯示，泥炭在干重時是普通土壤重的18%～20%，濕重是普通土壤重量的33%，如果建造屋頂花園時100%用泥炭，可減輕2/3～3/4的靜荷載。除種植土外，在保證強度的基礎上還應選擇輕質建筑磚、輕型混凝土、鋁材、木、竹、玻璃鋼等輕型材料降低屋面承重。設施布置上還需減少單位壓強，較重的景觀物或構筑物需設置在承重墻體或梁、柱及廚房、衛生間、樓梯間等一些較小開間上，以提高樓面單位承重能力。

4.3 排水和防水

排水及防水嚴重影響著建筑壽命，屋頂菜園澆水量大且次數頻繁，長期浸水將加大屋頂漏水風險。新建建筑有屋頂菜園建設計劃的，應根據使用需求采用剛性防水的形式加強防水等級。根據2013年新修訂的《種植屋面工程技術規程（JGJ155-2013）》要求，種植屋面防水層必須滿足一級防水等級設防要求，不少于兩道材料相容、相鄰設置的防水設防，上道應為耐根穿刺防水材料。例如可采用4mm厚SBS改性瀝青耐根穿刺防水卷材與2mm厚SBS改性瀝青熱熔膠涂層復合，構成雙層防水屏障。如此設置的主要原因是植物根具有追水特點，為防止耐根穿刺層破損后水繼續擴散，造成大面積根穿刺，兩道防水層應相鄰鋪設，可起到協防作用。此外，良好的排水處理能進一步降低積水威脅及緩解防水壓力（圖6～7）。在舊式建筑加裝構筑設施時應特別注意避免破壞防水層，并優先考慮將支撐、連接的受力點設置在墻體或其余構筑物中。

4.4 自動噴灌系統

“城市農夫”難以按時澆水，且屋頂高溫、風大、陽光猛烈等環境進一步加速蔬菜瓜果的失水。因此，配備自動噴灌系統顯得尤為必要（圖8）。自動噴灌設備可在原有噴灌設備中加入土壤含水量監測裝置，依其信息控制控水閥，實現自動補水。建設灌溉系統還需進一步測算水壓，水壓不足時應增設增壓泵。隨著科技的發展，更多新式的自動噴灌系統不斷被研發，例如：現已有利用傳感器技術實時采集空氣溫濕度、土壤水分和光照度等多方面環境因子，經單片機處理控制執行器進行自動噴灌。

4.5 防風處理

現代建筑的防風重點放在附著物如廣告、頂層公共空間以及空調外機等的管理上，避免大風時出現高空墜物事件。屋頂菜園有大量零散設備，如發生高空墜物會嚴重威脅城市安全。屋頂菜園中零散設備應及時歸人工具房，適當加高女兒墻的高度，修建大棚、溫室等設施必須加大鋼骨架的鋼材厚度，并采用膨脹螺絲等高強度固定方式，如條件許可應在建筑修建時與建筑設計單位及時溝通，將基礎及預埋設施提前預埋混凝土中。同時，在華南地區這類臺風盛行區域，宜適當調高抗風設計標準，并進行抗風力核算。

5 前景及發展趨勢

當前，新式建筑無論從承重能力，排水防水等級、防風固定等級、水電供應條件等均明顯提高，伴隨雨水回收系統、新型管材、無土栽培、營養液栽培、高標準大棚和可調控溫室等技術的逐步引入，可以預見在不久的將來，屋頂畜牧業的迅速發展，諸如反季節栽培及跨區域蔬菜種植等的實現必將進一步增強屋頂菜園的活力。