生態(tài)文明背景下綠色屋面根阻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究*

富爾雅 趙天怡 馮小雨

（東北林業(yè)大學(xué),黑龍江哈爾濱 150006）

習(xí)近平總書記為推進(jìn)保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)，營(yíng)造綠色工作環(huán)境，在全國(guó)重要會(huì)議上提出：大力推動(dòng)我國(guó)生態(tài)環(huán)境治理文明體系管理建設(shè)，作為國(guó)家工程項(xiàng)目建設(shè)。生態(tài)文明文化體系堅(jiān)持：人與生態(tài)環(huán)境相和諧，萬金不換青山綠水，將經(jīng)濟(jì)文明產(chǎn)業(yè)生態(tài)化作為發(fā)展戰(zhàn)略，將生態(tài)文明理念在工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)里貫徹，大大促進(jìn)生態(tài)文明綠色發(fā)展、發(fā)展環(huán)境健康農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)，綠色生態(tài)更好地建設(shè)依托我國(guó)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步發(fā)展，努力將科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為科技成果，堅(jiān)持不懈生態(tài)文明建設(shè)建設(shè)和綠色發(fā)展核心理念。重點(diǎn)監(jiān)測(cè)生態(tài)文明風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目并有效以生態(tài)文明建設(shè)建設(shè)水準(zhǔn)為評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展翠綠色化的執(zhí)行，用生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范企業(yè)綠色發(fā)展，并將經(jīng)濟(jì)發(fā)展成果投入生態(tài)文明建設(shè)中，萬不要以破壞生態(tài)為基礎(chǔ)建設(shè)社會(huì)發(fā)展。堅(jiān)持控制生態(tài)環(huán)境資源的開采量并為全面發(fā)展、共同繁榮，建設(shè)具有生態(tài)文明活力的綠色城市護(hù)航。

一、研究背景

1.環(huán)境背景溯源

我國(guó)于2021年夏出臺(tái)：針對(duì)城市規(guī)劃綠色健康發(fā)展的系列意見，在此意見中國(guó)國(guó)務(wù)院提出要加大科學(xué)創(chuàng)新成果產(chǎn)出并對(duì)其以扶植態(tài)度，廣泛傳播和宣傳綠色技術(shù)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的發(fā)展，以我國(guó)市場(chǎng)行業(yè)為導(dǎo)向，加大發(fā)掘具有潛力的新技術(shù)企業(yè)，發(fā)現(xiàn)具有核心創(chuàng)造力的新鮮力量。以國(guó)家體系為發(fā)展導(dǎo)向，將國(guó)家研究中堅(jiān)力量、國(guó)家生態(tài)創(chuàng)新中堅(jiān)力量、國(guó)家科技前沿新興產(chǎn)業(yè)、新型人才進(jìn)行投入，大力支持我國(guó)綠色生態(tài)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展繁榮。用這些力量用于第一批城鄉(xiāng)規(guī)劃綠色生態(tài)建設(shè)發(fā)展的創(chuàng)新試點(diǎn)項(xiàng)目，組織開展綠色創(chuàng)新技術(shù)攻堅(jiān)戰(zhàn)，集中力度有針對(duì)性的支持一批生態(tài)文明低碳環(huán)保產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，并延伸產(chǎn)業(yè)鏈帶動(dòng)周邊產(chǎn)業(yè)的集體轉(zhuǎn)型升級(jí)。面對(duì)十四五規(guī)劃以及民生經(jīng)濟(jì)問題，中共提出前瞻性意見：要繼續(xù)大力發(fā)展大型綠色健康建筑、發(fā)展生態(tài)環(huán)境建設(shè)新形態(tài)。公元前6世紀(jì)建成的古巴比倫空中花園被視為最早的綠色屋面，雖然最初目的只是觀賞性而非環(huán)境綠化，但后世關(guān)于綠色屋面的所有研究建造都以它為雛形，將它視為綠色屋面的開端。在強(qiáng)調(diào)生態(tài)文明的時(shí)代背景下，城市面積不斷擴(kuò)大，工業(yè)文明發(fā)展迅速，這些所伴隨的是刻不容緩的環(huán)境問題，如綠化面積不足，溫室氣體排放量大，綠色生態(tài)空間不足等，這也是一個(gè)世界性的環(huán)境問題。除卻傳統(tǒng)的樹木種植保護(hù)，生態(tài)環(huán)境修復(fù)等方法，綠色屋面以一種節(jié)能環(huán)保新形態(tài)走進(jìn)大眾視野，為很多環(huán)境問題給予可行性方案。

2.環(huán)境問題

面對(duì)兩極冰川融化、海平面上升、全球氣溫變暖等一系列問題，世界溫室氣體排放量過大已經(jīng)對(duì)地球生態(tài)環(huán)境造成影響和改變。從我國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)的發(fā)展上看，經(jīng)濟(jì)工業(yè)飛速進(jìn)步的同時(shí)，溫室氣體排放總量增速也很快，所面臨生態(tài)環(huán)境污染，水土資源壓力不斷加大，這針對(duì)綠色生態(tài)綠色文明的發(fā)展方向并不開朗。面對(duì)生態(tài)問題當(dāng)下正在實(shí)施的解決辦法有退耕還林還草還水，修復(fù)擴(kuò)建防護(hù)林，限制畜牧量工業(yè)排放量等這種方式可以減輕、操縱和修補(bǔ)中國(guó)的環(huán)境問題。但是大部分適用于郊區(qū)環(huán)境，并沒有具體有效的方法面對(duì)小城鎮(zhèn)內(nèi)的綠化面積不足問題，不過綠色屋面的提出在垂直概念上為城鄉(xiāng)生態(tài)文明的發(fā)展提供了新道路，或?qū)⒊蔀槌青l(xiāng)發(fā)展新方向。

3.現(xiàn)有成果

在“十四五”整體規(guī)劃中，有關(guān)部門強(qiáng)調(diào)要發(fā)展趨勢(shì)綠色節(jié)能建筑，打造出環(huán)保產(chǎn)業(yè)，在未來數(shù)十年的發(fā)展進(jìn)程中，綠色、生態(tài)、文明將成為世界性的關(guān)鍵導(dǎo)向詞。歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家在近代以后，紛紛展開了對(duì)于生態(tài)文明的建設(shè)，這相比較我國(guó)提前領(lǐng)先了半個(gè)世紀(jì)之久，其中，以美國(guó)、歐盟以及其他發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展進(jìn)程最快，且技術(shù)領(lǐng)先于當(dāng)時(shí)的世界各國(guó)。孟慶林等學(xué)者將常用于屋面綠化的植物進(jìn)行收集取樣，計(jì)算各自的輻射參數(shù)，借此屋面綠化的平衡模型出世并為后來者的研究實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)參考。趙定國(guó)等學(xué)者對(duì)綠化屋面實(shí)際落地的各項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究并分類加以整理。在室外陽(yáng)光直射下，屋面表層所受輻射中的熱量額度的百分之30.9會(huì)通過反射入空氣消失于屋頂，另外百分之58則會(huì)通過屋頂上植物葉片的蒸騰作用消散，也就是說僅有百分之1.2的輻射會(huì)留存下來成為熱量。

由于城鄉(xiāng)建設(shè)的不斷向橫向和縱向擴(kuò)張，城鄉(xiāng)公路汽車尾氣向空氣中排放，空調(diào)制冷劑等消耗極大，城鄉(xiāng)供暖系統(tǒng)等產(chǎn)生的溫室氣體大量排放入空氣，道路大面積鋪設(shè)水泥瀝青等情況，使周邊氣溫升高，與周圍郊區(qū)形成溫度差造成熱島效應(yīng)，急需增加城鎮(zhèn)綠化面積，減緩溫室氣體的擴(kuò)散。綠色屋面作為現(xiàn)階段并未普及的項(xiàng)目，一旦加以覆蓋所增加的綠化面積無疑巨大，借此提出假設(shè)并以理想狀態(tài)推測(cè)，若將一個(gè)城市的所有屋面進(jìn)行綠色屋面的種植改造，可以吸收城市上空中約百分之80的二氧化碳具有生態(tài)效益，可以不錯(cuò)的減輕在我國(guó)綠植不夠的環(huán)境問題。綠色建筑屋面同樣可以用于涵養(yǎng)水源，這是行之有效的。除此原因，綠色屋面的建設(shè)不占用平地土地資源，施工同樣在屋面上，節(jié)約土地資源高效利用豎向空間并且不干擾路面交通和生活。為了更好地達(dá)到國(guó)家翠綠色綠色節(jié)能建筑的規(guī)定，又能減少建設(shè)成本，未來將急需新型低成本綠色建設(shè)技術(shù)，也因此研究綠色屋面的根阻技術(shù)勢(shì)在必行。綠色屋頂擋根產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)性可以合理處理目前室內(nèi)空間不能滿足城市園林綠化總面積規(guī)定的問題，將城市豎向空間合理運(yùn)用，在不對(duì)城市現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行大的改變的同時(shí)以較小成本增加綠化面積，為實(shí)際環(huán)境應(yīng)用提供可行方案。

二、技術(shù)設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)理念

植物根系生長(zhǎng)的延展力度很大，常常可以直接穿透巖石層若在屋面原有防水層上時(shí)光無疑會(huì)破壞屋頂?shù)脑蟹浪畬由踔習(xí)蚋顚哟伟l(fā)展破壞，這種根系破壞不僅對(duì)屋頂防水層進(jìn)行強(qiáng)力穿透還破壞了房屋的剛性結(jié)構(gòu)，修復(fù)成本同樣很高，如果補(bǔ)救不及時(shí)或者沒有發(fā)現(xiàn)，將會(huì)成為建筑物的安全隱患。如果植物的根系不加控制的生長(zhǎng)直至穿透結(jié)構(gòu)層,將會(huì)形成更嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損傷，威脅居民生活的安全。在綠色屋面防水技術(shù)這一領(lǐng)域內(nèi)，世界各國(guó)關(guān)于它的研究從多個(gè)方面而言，已經(jīng)有了不同程度上的成果，但并無切實(shí)且可作用于廣泛推廣。國(guó)內(nèi)外均有少數(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)例，但技術(shù)資金要求較高，無法完成普及。設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)化技術(shù)，降低成本，增加綠化面積實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明理念，以期在實(shí)際落地的應(yīng)用中兼具社會(huì)性效益以及經(jīng)濟(jì)性效益，改善城市居住環(huán)境。設(shè)計(jì)上依據(jù)植物根系的向水性引導(dǎo)，減少根系對(duì)防水層和底部的壓力，對(duì)原有施工形式經(jīng)過創(chuàng)新，不僅提高安全性和實(shí)用性，并且有效進(jìn)行根阻，裝配式結(jié)構(gòu)的運(yùn)用、可拆解的結(jié)構(gòu)相比其他綠色屋面防水方式運(yùn)輸安裝更加便利，節(jié)約了耗材，減少屋面負(fù)重。適用于現(xiàn)有大多數(shù)民用房屋商用房屋，以至于寫字樓等辦公房屋，適用范圍廣，建設(shè)成本低，在增加城市綠植面積，吸附溫室氣體，緩解熱島效應(yīng)等，不僅作用于建設(shè)海綿城市，同時(shí)美化城市環(huán)境，增加可觀賞性，浪漫又有意趣，審美獨(dú)特力爭(zhēng)發(fā)展為新型城市的標(biāo)簽，使具有合理性、審美性、科學(xué)性。

2.方案原理

該綠色屋面根阻技術(shù)包括：種植結(jié)構(gòu)，根系引導(dǎo)結(jié)構(gòu)，排水結(jié)構(gòu)等如圖一表二，總體呈現(xiàn)凹槽狀在可以平穩(wěn)置于屋面的條件下可為屋頂小景觀設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。該技術(shù)采用植物根系向水性原理，采用一植物槽一水槽的結(jié)構(gòu)形式，相互作用形成植物槽內(nèi)土壤兩側(cè)濕潤(rùn)下方干燥的結(jié)構(gòu)形式，引導(dǎo)植物的根系生長(zhǎng)，呈現(xiàn)出新型屋面結(jié)構(gòu)。運(yùn)用靈活可拆卸，成本較低且易推廣。

高分子聚合物防水且密度大，重量輕且價(jià)格低，鋪在原有防水層上貼合較好。置于土槽底部的陶粒吸水性好，堅(jiān)硬不易被根系突破，作為第二道放線。水槽與土槽的接觸處使用易滲水結(jié)構(gòu)，利用植物根系的向水性對(duì)根系進(jìn)行引導(dǎo)，減少根系向下的趨勢(shì)，與土槽底部的陶粒相互作用，使土壤形成兩側(cè)多水，底部少水的形態(tài)，從根系的習(xí)性上做到對(duì)其生長(zhǎng)的引導(dǎo)。并且在水槽的一定高度上設(shè)水限，水高于水限時(shí)，流入水槽上所設(shè)的管道中，匯集到總管流下屋頂，可以達(dá)到涵養(yǎng)水源、水資源多次利用的節(jié)約環(huán)保作用。如圖1為設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

圖1 根阻結(jié)構(gòu)圖

3.向水性實(shí)驗(yàn)

在1985年,杰夫與同事用豌豆突變體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)中的高效數(shù)據(jù)信息，證實(shí)了綠色植物根莖地向水溶性與向地性不相干。該實(shí)驗(yàn)控制變量為濕度，當(dāng)實(shí)驗(yàn)土壤中的濕度達(dá)到95%-98%時(shí),根系在生長(zhǎng)出土壤后也不再會(huì)彎曲,而是向著濕潤(rùn)度較高的空氣中生長(zhǎng)。當(dāng)把變量濕度調(diào)整為85%-90%時(shí)，原本向濕潤(rùn)度較高的空氣中生長(zhǎng)的根則會(huì)向下彎曲迅速生長(zhǎng)，直至扎根入比空氣濕潤(rùn)度更高的土壤層里面。通過這一實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得出結(jié)論：根系具有感知土壤中濕潤(rùn)度的能力，并且對(duì)于濕度的反應(yīng)較為明顯。借此實(shí)驗(yàn)我們可以證明植物根系的向水性。所以可以利用控制植物種植土內(nèi)的土壤濕潤(rùn)度引導(dǎo)根系生長(zhǎng)方向，從而實(shí)現(xiàn)綠色屋面的根阻。方案中向水性的引導(dǎo)利用兩用方式一起作用，簡(jiǎn)而言之為“一吸收，一滲透”，其一是在種植土底部鋪設(shè)吸水陶粒，將底部的水分吸收；其二是在土層的兩側(cè)設(shè)置滲水結(jié)構(gòu)網(wǎng)將水由兩側(cè)緩慢滲出，達(dá)到兩面濕潤(rùn)度高于下方，進(jìn)一步增加土壤各部分的濕潤(rùn)差值。

三、方案實(shí)施

1.研究對(duì)象

相同土壤不同濕潤(rùn)度分布情況下，同種植物根系分別生長(zhǎng)形態(tài)。

2.實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

模擬方案的實(shí)際實(shí)施過程，查驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的可行性分析，找到計(jì)劃方案的欠缺并勤奮科學(xué)研究處理，驗(yàn)證推廣性。

3.實(shí)施步驟

以根系向水性為依據(jù)制定本方案，于場(chǎng)地內(nèi)搭建模型，各參數(shù)為理想狀態(tài)進(jìn)行實(shí)地模擬研究。植物槽內(nèi)土壤位置高于滲水網(wǎng)，引導(dǎo)槽內(nèi)水位高于滲水網(wǎng)且低于控水口，植物選用地毯草，于通風(fēng)平整處進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。設(shè)置對(duì)照組，用等量土壤、同種類植物進(jìn)行平行擺放，水分來源區(qū)別于實(shí)驗(yàn)組，采取人工澆灌的方式進(jìn)行培育，每七日分別進(jìn)行觀察并拍照記錄，對(duì)比根系生長(zhǎng)區(qū)域以及對(duì)種植槽是否破壞進(jìn)行檢查。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

通過以上實(shí)驗(yàn)多次進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)在具有引導(dǎo)槽引導(dǎo)的植物根系在生長(zhǎng)時(shí)，大多數(shù)根須橫向生長(zhǎng)，多數(shù)延伸至水分較多的滲水網(wǎng)附近，而向下生長(zhǎng)的根系明顯減少。無引導(dǎo)槽引導(dǎo)的植物根系向下生長(zhǎng)，隨時(shí)間增多下方根系積累越多向下力明顯，若長(zhǎng)此以往對(duì)于種植物底部則會(huì)造成損傷。在應(yīng)用初期可選擇全國(guó)范圍內(nèi)選取不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)試點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)一是要有較好的綠色發(fā)展基礎(chǔ)，有利于進(jìn)一步實(shí)施；二是它們需要分布于不同典型氣候區(qū)，便于實(shí)際設(shè)計(jì)使用時(shí)針對(duì)不同地域條件進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，更好地服務(wù)社會(huì)應(yīng)用；另外，它們也需要不同于北上廣等大城市的房屋緊張，新建建筑用地的面積規(guī)模比較大，要保證城鎮(zhèn)運(yùn)作無壓力。從落地應(yīng)用中各試點(diǎn)的實(shí)際思考問題，這更有利于綠色屋面的普及。

五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)

實(shí)驗(yàn)過程較為嚴(yán)謹(jǐn)，通過控制變量方法，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理分析，確認(rèn)向水性引導(dǎo)根阻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有可行性，可以有助于當(dāng)下問題的解決。較我國(guó)現(xiàn)有技術(shù)的多層疊加式相比，多層疊加式成本較高，體積較大，檢修不便。而用向水性引導(dǎo)的根阻技術(shù)不是單純依靠對(duì)于根系生長(zhǎng)的抑制和阻攔，符合植物根系生長(zhǎng)習(xí)性。裝置簡(jiǎn)便減輕重量，為裝配型設(shè)計(jì)，在面對(duì)不同鋪設(shè)面積、鋪設(shè)環(huán)境、鋪設(shè)要求時(shí)變通靈活，可多次拆卸，運(yùn)輸更加便捷的同時(shí)也使檢修更加的方便，降低耗材、提高鋪設(shè)效率。綜上所述向水性引導(dǎo)型根阻結(jié)構(gòu)可以滿足市場(chǎng)需求，具有實(shí)際可推廣性。

六、方案總結(jié)

本設(shè)計(jì)主要依靠根系向水性作業(yè)，在減少成本的前提下為城市增加綠化面積。不僅可以吸收更多溫室氣體，對(duì)于原有屋面也有著保護(hù)作用，盡量避免陽(yáng)光的直射，減少自然因素造成的屋面材料損耗，如冰雹等。綠色屋面同樣具有吸收噪音屋頂隔熱的作用，以普遍而言可以減低大約8分貝以內(nèi)的環(huán)境噪音并且可以吸收太陽(yáng)輻射，冬季保持屋內(nèi)熱量的穩(wěn)定，且夏季阻礙外界熱空氣的滲入，使房屋內(nèi)部的冬暖夏涼，從另一方面減少了空調(diào)的使用，對(duì)節(jié)能環(huán)保有著很好的效益。在這樣的大環(huán)境下，市民對(duì)于綠色屋面的相關(guān)內(nèi)容了解較少，即使有愿意進(jìn)行安裝也會(huì)對(duì)于實(shí)際落實(shí)時(shí)一些并不明確的條款抱有懷疑和躊躇態(tài)度。因此，需增加普及率，呼吁加強(qiáng)國(guó)家在綠色屋面上出臺(tái)更強(qiáng)有力的明確條款，亦可增加建設(shè)補(bǔ)助等機(jī)制，減少實(shí)施方的后顧之憂。將進(jìn)行有關(guān)知識(shí)的宣講在居民中進(jìn)行，以期望從對(duì)于綠色屋面的排斥不了解轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極配合安裝，使綠色屋面的建造深入廣大群眾群體，并在這個(gè)過程中深入群眾集體，不斷完善改進(jìn)方案以期形成適合各地區(qū)發(fā)展的特色屋面。也需要對(duì)安裝人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，提高工人的技術(shù)水平，將技術(shù)普及。

結(jié)語

伴隨著科技進(jìn)步和教學(xué)的迅速發(fā)展趨勢(shì)，大家更加高度重視保護(hù)環(huán)境的意識(shí)，人民都希望真正的綠色可以在鋼鐵城市中更多的出現(xiàn)。綠色屋面作為美化改善城市生態(tài)環(huán)境的一種新的方式，成了綠化形式的一種必然趨勢(shì)，國(guó)家對(duì)于綠化生態(tài)的不斷重視強(qiáng)調(diào)，綠色屋面的設(shè)計(jì)建設(shè)具有豐富的應(yīng)用場(chǎng)景和良好的應(yīng)用前景，是生態(tài)文明新趨勢(shì)。