生態(tài)屋頂技術(shù)在城市綠色建筑中的功能與效益分析

宋丹

（廣安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣安638000）

1 前言

隨著全球氣候變暖，城市面臨著空氣污染、熱島效應(yīng)加劇等環(huán)境問題。數(shù)據(jù)顯示，到2050 年，全球城市人口將占世界總?cè)丝诘?0%，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，各國積極推進(jìn)綠色建筑發(fā)展。生態(tài)型屋面系統(tǒng)作為一種綠色建筑技術(shù)，發(fā)揮著凈化空氣、調(diào)節(jié)微氣候、節(jié)約能源等多重生態(tài)功能，在城市適應(yīng)和抵御氣候變化中發(fā)揮著重要作用。

2 生態(tài)屋頂關(guān)鍵技術(shù)

2.1 輕質(zhì)化基質(zhì)技術(shù)

輕質(zhì)化基質(zhì)技術(shù)是生態(tài)屋頂?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一，主要目的是實現(xiàn)屋頂輕量化，降低屋頂荷載。

常見的輕質(zhì)基質(zhì)包括木屑、煤矸石、陶粒、發(fā)泡玻璃等，與混凝土（密度2.3 g/cm3～2.4 g/cm3）相比，這些材料密度明顯更低，一般在0.5 g/cm3～1.5 g/cm3之間，可以減輕30%以上荷載。例如，采用煤矸石（密度1.0 g/cm3～1.6 g/cm3）和陶粒（密度0.7 g/cm3～1.1 g/cm3）制作的基質(zhì)，與相同厚度的混凝土基層相比，可減輕35%～55%荷載。

同時，這些多孔輕質(zhì)基質(zhì)還具備良好的保水性和通氣性。保水性能良好，可提供種植基質(zhì)需要的濕度水分；空隙較多，有利于空氣對植被根系的通風(fēng)和氧氣供給。煤矸石基質(zhì)孔隙率可達(dá)50%以上，保水性好，無需額外澆水。此外，陶粒基質(zhì)、珍珠巖基質(zhì)、蛭石基質(zhì)也可保持較高含水率。

2.2 防水和排水技術(shù)

生態(tài)屋頂?shù)姆浪⑴潘到y(tǒng)直接關(guān)系到屋頂?shù)姆罎B性能和使用壽命。圖1 為某生態(tài)屋頂?shù)姆浪潘到y(tǒng)。

圖1 某生態(tài)屋頂?shù)姆浪潘到y(tǒng)

常用的屋面防水材料有改性瀝青防水卷材、高分子防水卷材、防水涂料等，改性瀝青防水卷材耐老化性能差，防水涂料易開裂滲漏等問題，而高分子防水卷材具有防水性能好、耐候性能好、對環(huán)境污染小等特點，在屋面防水施工中得到了廣泛的使用。目前常用的高分子防水卷材有聚乙烯（PVC）防水卷材、熱塑性聚烯烴（TPO）防水卷材、三元乙丙橡膠(EPDM)防水卷材等，具有輕薄、施工簡便、防水性能好等優(yōu)點。這些新材料的抗裂能力達(dá)到300%以上，使用壽命可達(dá)30 年以上。屋頂排水系統(tǒng)也會直接影響雨水的排出效率，目前常用的排水層有多孔排水板、波紋復(fù)合排水板等。這些排水層厚度在20mm～50mm 之間，重量僅為815kg/m2～15kg/m2，既減輕了屋頂負(fù)荷，也保證了排水性能。需要注意的是，排水管道需要合理布置，坡度控制在1/100 以上，同時連接要可靠、無漏點。

2.3 承重結(jié)構(gòu)設(shè)計

生態(tài)屋頂?shù)某兄亟Y(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮屋頂荷載情況，選擇合適的材料承受屋頂?shù)挠谰煤奢d和臨時荷載。一般來說，與傳統(tǒng)屋頂相比，生態(tài)屋頂?shù)目偤奢d明顯增大，植被和基質(zhì)的荷載可達(dá)100kg/m2～200kg/m2，積水的荷載為1000kg/m3。為控制自重，生態(tài)屋頂?shù)某兄亟Y(jié)構(gòu)要以輕質(zhì)化為目標(biāo)，可以采用鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、索網(wǎng)結(jié)構(gòu)等輕型材料制作。

針對混凝土樓板結(jié)構(gòu)，可以在樓板上加裝輕質(zhì)的鋼結(jié)構(gòu)承重框架，采用鋼制H 型梁、C 型鋼等作為主承重構(gòu)件。對于鋼結(jié)構(gòu)屋面，可以在下弦桿上配置鋼制V 型支撐和上弦桿，形成鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，再置于其上的屋面板承受屋頂荷載。木結(jié)構(gòu)屋頂可以制作木質(zhì)桁架，或在木質(zhì)樓板上加裝木制承重構(gòu)件。桁架采用的材料包括膠合板、集成材等，增強(qiáng)承載能力。

2.4 智能監(jiān)控技術(shù)

智能監(jiān)控技術(shù)是生態(tài)屋頂?shù)闹匾M成部分，它通過各種傳感器的布置，實時監(jiān)測屋頂?shù)墓庹铡貪穸取⑼寥罎穸鹊葏?shù)，并將數(shù)據(jù)反饋給中央控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對屋頂環(huán)境的精確控制。智能監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、中央控制模塊等組成。數(shù)據(jù)采集模塊包含各種傳感器，這些傳感器布置在屋頂不同位置，實時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)。表1 為某生態(tài)屋頂?shù)臄?shù)據(jù)采集模塊。

表1 某生態(tài)屋頂?shù)臄?shù)據(jù)采集模塊

其中，光照強(qiáng)度（lux），通過光敏傳感器采集，判斷日照強(qiáng)度；溫度（℃），通過溫濕度傳感器采集；濕度（%RH），通過溫濕度傳感器采集；土壤濕度（體積含水率%），通過土壤濕度傳感器測試；雨量（mm），通過雨量計測試。

數(shù)據(jù)傳輸模塊通過RS485、ZigBee、WiFi 等有線或無線網(wǎng)絡(luò)，將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)實時傳送到中央控制模塊。中央控制模塊基于ARM或FPGA 等微處理器，內(nèi)置數(shù)據(jù)分析算法和控制模型，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，并據(jù)此決定控制策略。

3 生態(tài)屋頂技術(shù)的SWOT 分析

3.1 優(yōu)勢（S）

3.1.1 改善城市微氣候

生態(tài)屋頂可以起到調(diào)節(jié)建筑熱環(huán)境的作用。研究表明，綠化覆蓋率每增加10%，可以使建筑物屋頂溫度下降1℃～2℃。與普通混凝土屋頂相比，采用生態(tài)屋頂可以使建筑屋頂溫度降低高達(dá)4℃。這是因為植被本身可以吸收熱量，并通過蒸騰作用帶走大量的潛熱，從而降低建筑熱負(fù)荷。

3.1.2 節(jié)約建筑能源消耗

與傳統(tǒng)混凝土屋頂相比，生態(tài)屋頂可以顯著降低建筑物的制冷和采暖負(fù)荷。以溫哥華公共圖書館為例，生態(tài)屋頂可以使建筑物夏季制冷負(fù)荷減少10%以上，冬季采暖負(fù)荷減少15%以上，相當(dāng)于每年可以節(jié)省5%～10%的建筑運行能源。

3.1.3 凈化空氣質(zhì)量

各類綠色植被可以吸收空氣中的塵埃、二氧化硫、二氧化氮等污染物，并進(jìn)行光合作用產(chǎn)生氧氣。研究表明，每增加100 平方米的屋頂綠色面積，可以減少空氣中2.3 千克的塵埃和1.5 千克的有害氣體，具有明顯的空氣凈化效果。

3.2 劣勢（W）

3.2.1 建造成本和維護(hù)費用高

與普通屋頂相比，生態(tài)屋頂在設(shè)計和施工方面需要投入更多，包括配置適宜的種植基質(zhì)、高標(biāo)準(zhǔn)的防水層、完善的排水系統(tǒng)、配置適應(yīng)性強(qiáng)的植被等，這導(dǎo)致生態(tài)屋頂?shù)某跏冀ㄔ斐杀局辽僖叱?0%～30%。此外，生態(tài)屋頂后期的維護(hù)費用也較高，需要定期檢查防水層的完整性，并對植被進(jìn)行除草、補(bǔ)栽、施肥等操作，保證植被基質(zhì)和綠化效果，這些都增加了后期的運行維護(hù)費用。

3.2.2 專業(yè)技術(shù)要求高

從設(shè)計到施工再到后期運維，生態(tài)屋頂都需要跨學(xué)科的專業(yè)技術(shù)支持。在設(shè)計方面，需要植物學(xué)、景觀學(xué)和建筑學(xué)知識對屋頂植被和景觀進(jìn)行優(yōu)化配置；在材料選擇和施工方面，需要對各層材料的物理特性、協(xié)同工作原理有充分理解，才能確保屋頂?shù)姆浪团潘δ埽辉诤笃陴B(yǎng)護(hù)方面，需要對植被的生長環(huán)境和除草補(bǔ)栽方面有科學(xué)合理的管理措施。由于我國在生態(tài)屋頂?shù)募夹g(shù)研發(fā)和工程應(yīng)用方面起步較晚，直接參與生態(tài)屋頂建設(shè)的專業(yè)技術(shù)團(tuán)隊和經(jīng)驗還比較缺乏，導(dǎo)致很多生態(tài)屋頂項目在設(shè)計和施工方面存在問題。

3.3 機(jī)遇（O）

3.3.1 政策支持

近年來，國家陸續(xù)出臺了一系列政策法規(guī)，為生態(tài)屋頂?shù)陌l(fā)展提供了政策支持。2019 年，國家發(fā)展改革委發(fā)布了《綠色生活創(chuàng)建行動總體方案》，該方案根據(jù)不同地區(qū)的實際情況，實施了居住建筑的節(jié)能改造，推動公共建筑進(jìn)行綠色改造，并加強(qiáng)了綠色建筑的運行管理。同年，住建部頒布了新版的《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》，這一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和引領(lǐng)了我國綠色建筑發(fā)展的基本技術(shù)規(guī)范。2023 年，中共中央辦公廳和國務(wù)院辦公廳發(fā)表了《關(guān)于推動城鄉(xiāng)建設(shè)綠色發(fā)展的意見》，鼓勵推動綠色建筑的高質(zhì)量規(guī)模化發(fā)展，大力推廣超低能耗和近零能耗建筑，并發(fā)展零碳建筑。

3.3.2 資金支持

各地也相繼出臺資金支持政策，用于生態(tài)屋頂建設(shè)。以北京為例，北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)發(fā)布了2023 年度的綠色發(fā)展資金支持政策，主要關(guān)注污染防治、節(jié)能減碳和綠色建筑項目。目前，全國31 個省市都已經(jīng)出臺了支持綠色建筑的政策和相關(guān)補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)。例如，在三星級綠色建筑項目中，廣東補(bǔ)貼每平方米45 元（單一項目最高200 萬元），江蘇按一定比例給予配套獎勵，山東補(bǔ)貼每平方米50 元（單一項目最高不超過500 萬元）。

3.3.3 技術(shù)支持

技術(shù)支持方面，各高校和企業(yè)研發(fā)出多項新技術(shù)為生態(tài)屋頂建設(shè)提供支持，如同濟(jì)大學(xué)改造屋頂花園創(chuàng)造全新空間，朝陽科技大學(xué)開發(fā)節(jié)能生態(tài)屋頂花園技術(shù)，陜西科技大學(xué)研發(fā)光伏屋頂技術(shù)。技術(shù)的不斷創(chuàng)新和各類新材料的不斷涌現(xiàn)，豐富了生態(tài)屋頂?shù)慕ㄔ煨问健?/p>

3.4 挑戰(zhàn)（T）

3.4.1 區(qū)域性差異所帶來的挑戰(zhàn)

我國地域遼闊，不同地區(qū)的氣候條件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和居民習(xí)慣存在較大差異，這給生態(tài)屋頂?shù)耐茝V應(yīng)用帶來一定困難。南方地區(qū)降水充沛，北方地區(qū)干旱少雨，不同地區(qū)在屋頂綠化設(shè)計方案選擇上存在差異。

3.4.2 社會認(rèn)知度有限

我國居民對生態(tài)屋頂?shù)墓δ芘c效益還不夠了解，生態(tài)屋頂?shù)纳鐣J(rèn)知度有待提高，與歐美國家相比，我國居民環(huán)境保護(hù)意識整體偏弱。提高公眾對生態(tài)屋頂?shù)恼J(rèn)知，使居民理解生態(tài)屋頂?shù)沫h(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會效益，有利于生態(tài)屋頂理念的傳播和推廣。

4 SWOT 分析結(jié)論

生態(tài)屋頂作為一種建筑形式，對改善城市環(huán)境、建設(shè)生態(tài)城市具有積極意義。通過對屋頂綠化SWOT 分析可知，其環(huán)境調(diào)節(jié)功能是最大的優(yōu)勢，能明顯改善城市小氣候環(huán)境，并產(chǎn)生一系列生態(tài)效益。與地面綠地相比，屋頂綠化增加了綠化空間，提高了土地利用效率，是城市可持續(xù)發(fā)展的有效手段之一。為更好發(fā)揮生態(tài)屋頂?shù)膬?yōu)勢作用，建議采取以下對策：一是大力推廣屋頂綠化相關(guān)技術(shù)，突破屋頂承重等技術(shù)難題，拓展屋頂綠化的應(yīng)用形式；二是制定科學(xué)合理的屋頂綠化標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)屋頂綠化設(shè)計，確保質(zhì)量；三是加強(qiáng)屋頂綠化的運營維護(hù)，實施智能化監(jiān)控，提高維護(hù)效率；四是加大屋頂綠化的政策支持力度，采取財政補(bǔ)貼、示范引領(lǐng)等措施，推動屋頂綠化建設(shè)。

5 結(jié)論

綜上所述，生態(tài)屋頂作為一種綠色、可持續(xù)的建筑方式，在應(yīng)對城市化進(jìn)程中出現(xiàn)的環(huán)境問題方面發(fā)揮著重要作用。它不僅可以減少城市熱島效應(yīng)、改善空氣質(zhì)量，還可以發(fā)揮保水減排、節(jié)約能源的多功能效應(yīng)，為城市提供重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，具有重要的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會效益。隨著綠色建筑理念的推廣，各城市應(yīng)大力推進(jìn)生態(tài)屋頂?shù)慕ㄔO(shè)，并不斷完善相關(guān)技術(shù)，以發(fā)揮其在建立美麗宜居城市中的巨大潛力。