“平”“坡”之爭：兩種屋頂形式的研究
——以“極光之家”項目為例

文／姜立文 申紹杰

引言

起初為了避免雨水對人類使用空間的侵蝕，傾斜的屋頂形式被建造出來；后來開發出了屋頂膜，平屋頂擁有持久性的防漏解決方案、簡約化的屋頂結構、集約化的屋面空間，平屋頂開始取代斜屋頂；近期提出“環境友好型”建筑，斜屋頂更有利于太陽能板的布置，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”屋頂的發展

1.1“平”“坡”屋頂的出現

屋頂是人類最早創造保護自我的空間形式，也是今天建筑圍護結構發展的元素。當人類定居下來之后，利用周圍的材料創造了可居住的空間，就開始出現了屋頂和墻壁。屋頂不僅在位置上是建筑圍護結構的上部，同時也是整體結構的一部分。隨著時間的推移，屋頂變得更加復雜和不同，它們不僅具有保護功能，而且還與建筑圍護結構的其他部分結合使用，使得建筑在世俗與神圣建筑中得到各自不同的表達。

屋頂結合特定的區域氣候，建筑個體的功能以及閣樓空間的處理，隨著時間與空間的推移，發展出不同的建造方法和建筑風格。特別是不同的氣候條件導致了屋頂類型上最顯著的差異，即斜屋頂和平屋頂的出現。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，到后來允許建筑與自然環境無縫融合的景觀屋頂的出現，它們的發展歷史始于屋面材料的技術改進。逐漸地，屋頂下的空間也獲得了越來越復雜的用途。起初，它被用來儲存和干燥貨物和食品，后來成為仆人們簡單的生活場所。到如今，有臺階的頂樓是專門為豪華的頂層公寓建造的。屋頂的形狀和構造與整個建筑的用途、外觀和意義都是密切相關的。

1.2“平”“坡”歷史上的選擇

與建筑的基座類似，屋頂在建筑圍護結構的整體組成中起著重要的作用。屋頂的形狀對建筑的比例和輪廓有很大的影響。從古典教堂經典的比例、中世紀的聯排別墅嚴格的秩序，到了現代主義，屋頂在垂直平面的視線上可以簡化為一條細線，限制在建筑頂部。當然，與斜屋頂一樣，平屋頂絕不是現代化建筑的產物，這一形式是在歷史的進程中被創造出來的。著名的例子是普韋布洛印第安人的土坯建筑，以及傳統的摩洛哥房屋，平屋頂上覆蓋著泥土和草皮，用于干燥食品。

與在圍護結構下創造可用空間的坡屋頂相比，平屋頂的上表面可以用于各種用途，例如作為夏季生活空間或作為屋頂花園。在干旱地區，可以通過使用土坯等天然材料進行定期維護來保持屋頂的防漏，但在降水較多的氣候地區，平屋頂并不可行。直到開發出了屋頂膜，如瀝青或飽和瀝青的屋頂毛氈。這一突破開發了更持久、更防泄漏的解決方案。因此，平屋頂開始取代斜屋頂，特別是在人口密集的城市地區，更好地利用建筑體量和省略復雜的屋頂結構，促進了大型建筑項目的創建。

20 世紀20 年代，在現代主義思想的影響下，體育和休閑設施開始出現在建筑物的屋頂上，如1923 年Giacomo Matte-Trucco 在意大利都靈的菲亞特工廠建筑上的測試電路，以及后來勒·柯布西耶在馬賽公寓屋頂上設計幼兒園和大泳池。平屋頂越來越多地成為一種擴展功能的方式，而不需要額外的花費。這一趨勢一直持續到今天，在人口密集的城市地區，平屋頂無處不在。

不僅如此，平屋頂除了用于休閑目的外，對城市園藝、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，正在促進這些空間的集約化利用，這些空間被整合到現有的景觀中，從而用種植面積來補償建筑下自然土地的損失。例如，洛桑聯邦理工學院的新學習中心是日內瓦湖岸邊的一個建筑景觀（圖1）；同樣，法蘭克福申德爾藝術博物館的地下擴建部分也已經建成，以保留現有的內庭院作為綠色空間的品質（圖2）。無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，對于整個圍護結構來說，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，影響著整體的設計。

圖1 洛桑聯邦理工學院的新學習中心（圖片來源：來源于參考文獻[3]）

圖2 法蘭克福申德爾藝術博物館（圖片來源：來源于參考文獻[4]）

今天，材料和施工技術日益進步，這為建筑及其屋頂，乃至整個建筑圍護結構的自由設計打開了大門。

2 影響“平”“坡”屋頂的選擇要素

2.1 屋頂結構要素

2.1.1 屋頂結構的影響

“平”“坡”屋頂形狀受其結構的影響而決定。屋面結構應在設計過程的早期階段就融入到設計和施工中。在設計屋頂結構時必須考慮以下幾個方面：

屋頂面積大小及施工跨度；施加的恒定荷載；來自當地氣候條件的負荷，如風或雪；在建筑被安置在現有的舊結構上時，可用的軸承選項所施加的限制；材料產生的勢能。

材料和施工的選擇主要取決于現有資源、所需的承載能力以及空間和設計要求。屋頂結構的功能之一是支撐建筑抵御水平荷載(風、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的結構系統。

2.1.2 屋頂結構荷載的影響

屋頂結構上的荷載可分為恒定荷載和外加荷載。恒定荷載包括結構本身和結構所承載層的重量，如子結構、屋頂、隔熱層和安裝設備，如太陽能集熱器或綠植屋面。

大風、雨雪不僅在水平方向上對建筑產生影響，還會通過吸力、負壓等作用在建筑上產生向上的作用，對建筑產生特定的荷載。根據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力可能是極端的。風荷載隨風速增大而增大。在沿海地區，風速明顯高于內陸地區，這意味著建筑表面的風壓增大。在極端情況下，風完全水平地影響建筑物。

坡度約為30°到35°或更大的屋頂迎風面會受到風壓的影響，同時屋頂背風面也將會受風的吸力影響，需要在屋頂上應用一種拉力材料。因此，屋蓋材料的選擇及固定方法（例如釘子、風托）必須設計成能同時抵消吸力。在受壓區域（例如在懸臂下）和有開放圍護結構的建筑物中，屋頂可能受到向上的力，或相反的，當風從其下方流過時，屋頂可能受到向下的力。當風在建筑物的邊緣周期性地中斷時，就可能出現帶渦流的負壓。風也會影響到外墻的頂部、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位置和盛行風速進行設計（圖3）。

圖3 DIN1055 中的特定荷載對屋頂的影響（圖片來源：來源于參考文獻[5]）

因此，形式和結構之間的相互作用，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系以及它們各自對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，設計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性（圖片來源：來源于參考文獻[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。“覆蓋層”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、用于傾斜屋頂的木板或薄板，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(有時稱為單層覆蓋層)與多層覆蓋層相比有較大比例的開口接縫，提供的保護較少。

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，以抵御在冬季可能無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在坡度低至大約11°的屋頂上。屋頂坡度越淺，對材料質量、構件尺寸穩定性和施工質量的要求就越高。這樣的屋頂構件越薄，與相鄰構件的配合越好，就越適合較淺的坡度。在板材和膜層的情況下，接頭的質量尤為重要。然而,盡管平屋頂沒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，屋面材料的選擇也決定了屋面是坡頂還是平頂。

2.3 屋頂表現要素

技術發展帶來的設計自由，特別是屋頂形狀有了更多的設計表現。屋頂的形狀是建筑的主要表現形式。住宅的原始形式仍然被許多人認為是帶有斜屋頂的矩形建筑，這是由不同地區的不同文化傳統所造成的。然而，無論是斜屋頂還是平屋頂，都有可能識別出類似的形式效果。帶有大懸挑的屋頂保護了其下方的建筑結構，因此屋頂成為整體構成的主要表現形式，而不僅僅是一個附加元素，而沒有任何懸挑的屋頂則突出了建筑體量的雕塑外觀，這個建筑將會顯得更加緊湊和封閉。

這些例子說明不同外觀可以有意識地被用來達到不同的設計效果，特別是由于技術上的可能性取得突破，關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調了一種藝術表現的形式，創造了有吸引力的和有區別的房間，并為平屋頂賦予了保護和連接的效果。建筑被簡化為一個立方體的基本形狀，它創造了一個無差別的封閉形狀，緊湊的形狀減少了空間多樣性，創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的形狀，并暗示了一種強大的視覺表達潛力。

3“極光之家”住宅的屋頂分析

3.1 項目簡介

“極光之家”住宅包括一個80 平方米的家庭住宅，通過一個30 平方米的庭院連接到一個50 平方米的小住宅。它從公共區域(庭院、客廳)到私人區域(臥室)，沿著南北軸線穿過房屋。平屋頂覆蓋了一個綠色花園，并由太陽能的坡屋頂覆蓋，兼有“平”“坡”屋頂（圖5）。

圖5 “極光之家”住宅效果圖（圖片來源：作者自繪）

3.2 屋頂體系

“極光之家”的屋頂系統有一個特點，它被分為兩個獨立的系統。第一部分是太陽能坡屋頂，被視為一種環境和建筑相互作用的特征，并在結構上使用的是木桁架系統。通過建立參數化結構模型，幫助分析不同的約束條件，如頂板曲率、傾斜和支架數量。另一部分的重點是主體建筑的平屋頂，它保護主體建筑不受外部環境的影響，提供綠植空間，剖面如圖6，材料如表1。

表1 平屋頂材料（表格來源：作者自繪）

圖6 平屋頂剖面（圖片來源：作者自繪）

3.3 屋頂坡度與傾斜度分析

使用PVSOL 軟件進行模擬，通過對頂板坡度和傾斜度的決策來優化頂板曲率。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。總共對5 個場景進行了模擬。5 例的結果如下表所示（表2）。因此，在這些模擬中，假設采用了全光伏系統。在模擬中，整個屋頂區域被52 個光伏板覆蓋。總共對5 個場景進行了模擬。這5 個案例的結果如下表所示。

表2 PVSOL 軟件模擬的5 個場景（表格來源：作者自繪）

表2 清楚地表明，增加北坡，光伏系統的光伏能量受益最大。隨著南北向坡度的增加，面板越來越朝南，這增加了光伏產量。這與光伏板放置的一般規則是一致的，即如果光伏板位于北半球，它們應該面向南。因此，在保持東西向傾斜不變的情況下，能源產量明顯增加，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/年，案例5 比案例3 的性能好960 千瓦時/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量。當傾斜角度降低，屋頂更彎曲時，能量產生明顯減少。這可以在比較案例2 和案例3 時看出，案例2 具有較低的東西傾斜，因此更平坦的屋頂結構將在一年多提供332 千瓦時發電量。而情況4 一年的發電量將比情況5多366 千瓦時發電量，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，其他的表現更好，這是因為案例1 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。

綜上所述，分析得出的最佳案例是案例4，其光伏發電量最高，為23351 千瓦時/ 年。模擬結果為屋面結構提供了以下建議：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 屋頂的荷載分析

太陽能結構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，用鋼索來使屋頂達到橫向的穩定（圖7）。太陽能屋頂向主樓屋頂傳遞荷載。通過分析，主樓屋頂通過16 個點來承接受到的結構荷載和特定荷載，這種方式最為合理（圖8）。

圖7 結構系統的視角（圖片來源：作者自繪）

圖8 平屋頂分布的荷載點（圖片來源：作者自繪）

“極光之家”住宅實現了平坡屋頂的結合，坡屋頂進行參數化分析后，給予了太陽能板最大程度的能力獲取，平屋頂可以實現綠植屋面，這是一個實驗性的研究案例。

結語

“平”“坡”屋頂形狀受到結構、荷載、材料和表現的影響和決定。屋頂的設計應在設計過程的早期階段就融入到整體的設計和施工中，以滿足對不同屋頂坡度的適用性，來達到建筑的整體表現形式。當下政策倡導了“環境友好型”建筑，太陽能板在坡屋頂建筑中的應用受到追捧，平屋頂具有屋頂平面的優勢，本研究結合實驗性案例，采用參數化分析的方法，在平坡之間找到一個平衡點，希望此類的分析方法可以為“平”“坡”形式的選擇問題提供積極性解答。