畫中的屋頂——對不同屋頂形狀的使用價值探究

張一林 簡捷 李平

摘要：本文將從屋頂的排水能力、雨水收集利用能力、房屋整體舒適度、現代意義（如生態、能源）等方面，對比坡屋頂、水平屋頂以及圓弧形屋頂的建筑，進行綜合客觀的評價，希望能對未來居民住宅的建筑起一定的指導作用。

關鍵詞：屋頂形狀;雨水利用與排出;日照;現代應用

引言

現在，最為普遍的居民住宅屋頂形狀有坡屋頂、水平屋頂以及圓弧形屋頂。在北京放眼望去皆是水平屋頂的高樓建筑，有些單調刻板。由于厄爾尼諾現象近幾年來頻繁出現，中國南北方大多數地區頻繁出現大規模降雨，容易造成城市內澇或者屋頂積水導致的生產活動不便;又因我國水資源稀缺，所以收集利用雨水是十分必要的。所以我們對屋頂的外形構造進行探究，將每個屋頂視為相對完美的幾何模型，以北京為主要研究范圍，主要研究其對雨水排出或收集的效果，同時綜合光照、舒適度等諸多因素客觀評價現代建筑中主要住宅類型。

1童話城堡——圓弧形屋頂

1.1數學建模

研究方法采用單一雨滴模型分析，建立雨滴撞擊屋頂的物理模型，最終采用不定積分求出整個屋頂的雨水排出速度與收集量，將所計算得到的數據進行比較，從而篩出最優解。

①：標準半球形屋頂

現在，平頂樓房在北京的應用中最為廣泛。進一步利用“光禿樓頂”來更好地改善生活，成為近幾年來此類問題的討論熱點。

3.1加強生態化

利用屋頂的平臺種植綠植是生態可持續的另一種體現形式。北京人口眾多，人均建筑面積小，人均綠化面積也小，屋頂綠化是解決綠化與建筑占地的矛盾的有效途徑之一。樓頂綠化可以減弱城市的熱島效應。據相關數據顯示，在炎熱的夏天樓頂綠化可以讓室內溫度降低1.2攝氏度左右。但同時也應起人們的熱議：樓頂的產權不清，綠化費用無人管，種植不當可能引來嚴重問題等等。屋頂綠化還需要從多方面進一步改善探討。

3.2利用太陽能

越來越多的太陽能板裝上了平頂樓房，可以有效節省能源，是一種低碳生活方式。以天津市中心城區為例，若其屋頂光伏采用35度的最佳傾角安裝，光伏組件的有效面積Apv為855.7萬平方米，裝機容量為12.4億瓦特，光伏組件系統的運行效率λ為0.77，光伏模塊轉換效率η為15%。發電量的計算公式為Epotential = Apv × Gt × η × λ，根據公式計算，年發電量為1986千瓦時/年。但它受樓層高度、天氣等因素影響顯著。為了防雷防電，太陽能板必需低于防雷裝置0.6米，并與裝置保持1米的距離。

3.3綠化與能源的抉擇

屋頂綠化對于提高居民室內生活質量更為有利，而屋頂光伏提高新能源的利用，是低碳生活的體現。下面主要對而這所需資金做出估算與比較。

到去年年末，北京市屋頂綠化面積達到200多萬平方米。綠化工程建設和養護費用昂貴，以每平方米1千元的成本計算，北京共需支出20億左右的資金。但綠化也為減少政府在減弱氣候變暖、熱島效應以及空氣污染治理等方面的資金和精力。據資料顯示，200萬平方米的綠化面積可以節約能耗1.5萬元/天，即大約550萬元/年。若將同等面積的屋頂全部安裝太陽能板，價格按照70元/平方米，則平均每年應支付資金約為1.4億。雖然綠化的資金要比能源多，但是并不能代表綠化屋頂的想法不現實。據資料顯示，花園式屋頂綠化根據影響因素的主次之分（圖）與二者多因素綜合評價（圖）。可見，作為國際大都市的北京綠化屋頂是更優的選擇。事實上，北京屋頂的確以綠化偏多。通過綠色植物蒸騰水分吸收熱量、冷卻大氣，可吸收太陽輻射熱70%～85%;滯塵作用顯著，花園式和簡單式屋頂綠化平均滯塵量分別為12.3g/㎡/年和8.5g/m2/年，可有效改善城市空氣質量，控制PM2.5;面對城市雨洪壓力，花園式和簡單式屋頂綠化可截留雨水分別為64.6%和21.5%。圖表3主要影響因素分級排序，圖表4光伏屋頂（藍）與綠化屋頂（紅）對比。

結語

中國建筑歷史悠久、名揚中外。放眼國際大都市北京，代替四合院的高樓大廈“整齊劃一”，已經不再是設計師專注的對象。但是，居民樓作為建筑主體（大約占建筑面積的70%），十分普通卻直接影響所有人的生活，而具有不可替代的重要地位;因此，“如何合理設計和進一步改善居民樓”應該是最值得研究的話題。本文從排水能力、雨水收集利用能力、房屋整體舒適度、現代意義（如生態、能源）等方面等方面對居民房屋樓頂設計進行細致、廣泛的討論。不僅關注傳統文化、與現代建筑接軌，還結合了可持續發展、創造更優美的城市等思想理念，有較強的實用價值，希望能對未來居民樓的設計有指導作用。

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（作者單位：北京市京源學校）