屋顶花园在旧建筑屋面中的设计分析.pdf

第 3 6卷第 1期 2 0 1 0年 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 8 7 屋顶花园在旧建筑屋面中的设计分析 潘俊武 ( 浙江建设职业技术学院， 浙江 杭州3 1 0 0 1 2 ) 摘要 ： 屋顶花园是城市绿化建设中新兴的、 最有潜力的绿化方式之一。目前 ， 许多城市出台了相应政策， 以保证新建建筑的 屋顶绿化率。大片的旧建筑屋顶增建屋顶花园工程， 虽然市场潜力巨大， 却乏人 问津。从结构承重安全和屋顶防水、 排水角 度出发， 探讨了旧建筑增建屋顶花园工程的设计思路， 旨在为推动旧建筑增建屋顶花园技术的研究与应用提供参考。 关键词： 旧建筑屋顶 ； 屋顶花园； 荷载； 结构安全； 防水； 排水 中图分类号 ： T U 9 8 6 ． 4 5 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 8—1 9 3 3 ( 2 0 1 0) 0 1—1 8 7— 0 4 U 刖 吾 近年来 ， 生态建筑 的概念越来越深人人们 的生 活。随着人们生活水平的提高 ， 人们对工作和居住 环境提出了更高的要求 ， 使得增加城市绿化面积、 改 善 日趋恶化的生存环境已成为急待解决的问题 。当 今 ， 城市建筑快速发展 ， 城市绿地面积逐年被无偿还 的占用。城市高楼 大厦林立 ， 众多硬质铺装 取代 自 然土壤和植被 ， 其结果导致了城市生态平衡 的失调。 为了开拓城市绿化空 间， 很多大 中城市都新建 了大 型的公园， 但总的来说 ， 水平方向的发展 已不能满足 需要。因此 ， 在新建和改建 的旧建筑 物上开辟 园林 绿化场地 ， 建造屋顶花园， 是增加城市绿地面积的有 效途径 ， 也是人类可持续发展战略的重要组成部分。 1 屋顶花 园建设发展的现状与前景 西方发达国家在 2 0世纪 6 0年代后 ， 相继建 造 了各类规模的屋顶花园， 如美 国华盛顿水门饭店屋 顶花园、 英国爱尔兰人寿中心屋顶花园、 加拿大温哥 华凯泽资源大楼屋顶花 园、 德 国霍亚市牙科诊所屋 顶花园、 E t 本 同志社女子大学 图书馆屋顶 花园等。 日本东京 明文规定 ， 新建筑 占地面积只要超过 1 0 0 0 m ， 屋顶的 1 ／ 5必须为绿色植物所覆盖 ， 否则 ， 开发 商就得接受罚款。国内如深圳 、 重庆、 成都、 广州、 上 海、 长沙 、 兰州、 武汉等城市， 都 已经对屋顶进行了开 发。深圳是 国内建造屋顶花 园起步最早 的城市， 早 在 1 9 9 9年 ， 深圳市政府就 出台了《 深圳市屋顶美化 绿化实施办 法》 ， 以扶 持和 引导屋顶 花 园的发展 。 收稿 日期 ： 2 0 0 8 -0 3 - 3 1 作者简介： 潘俊武( 1 9 6 7 一) ， 女， 上海人， 高级工程师， 一级注册结构 师， 主要从事建筑工程理论与实践研究 。 E—ma i l p a n j u n w u l @t o m． t o m 2 0 0 4～ 2 0 0 8 年， 《 北京市城市环境建设规划》 要求， 北京市 的高层建筑中， 3 0 ％要进行屋顶绿化 ， 低层建 筑 中， 6 0 ％要进行屋顶绿化 。目前 ， 国内出台的国家 园林城市标 准 规定 ， 人 均屋 顶绿 化 面积必 须达 到 0 ． 5 m 以上 。由此可见 ， 屋顶花园在我 国城市 已越 来越受到重视 。随着人们对城市居住环境要求 的不 断提高 ， 屋顶绿化必然被更 多的城市纳入规 划建设 中， 发挥其 巨大的优势。 但在 目前 ， 国内已建绿化屋顶面积所 占比例偏 小 ， 如上海现有 2亿 m 屋顶 ， 已建屋顶绿化仅为 1 2 万 m ， 而且多为新建房屋的屋顶绿化 ， 大量 的旧建 筑屋顶 闲置浪费。多年来 ， 由于屋顶花 园的建设一 直没有一个标准模式和规范工艺 ， 暴露 出了很多缺 陷和不足。比如 ： 不能长时间防渗抗漏 ， 水土流失 ， 污染严重 ， 植物配 置不合理 ， 荷载超标 ， 建造成本过 高等。尤其对 旧建筑屋顶增建屋顶花园， 由于原设 计没有考虑屋顶花园荷载及排水 ， 使得结构安全储 备不足 ， 排水管径不够 ， 设计难度更大。一旦解决了 这些难题 ， 我国的屋顶花园建设必将得到前所未有 的快速发展。 2 屋顶花园增 建工程 中存在 的 问题 及解决对策 旧建筑屋顶上增建屋顶 花园的关键技术问题 ： 一 是原建筑的结构承重能力； 二是屋顶防水构造处 理 ； 三是种植 物能否旺盛生长 ( 此为 园林专业种植 技术 ， 本文不作讨论) 。 2 ． 1 屋顶花园的荷载取值 近 4 0年来 ， 在各大、 中城市修建的工业与民用 建筑 中， 单元式多层住宅楼 占了相当大的比重 ， 这些 建筑绝大多数采用钢筋混凝土结构平屋顶 。平屋顶 分为上人屋顶和不上人屋顶两种 ， 坡屋顶均为不上 l 8 8 四川建筑科学研究 第 3 6卷 人屋顶 。一般情况下 ， 对不上人平屋顶和坡 屋顶建 筑 ， 其屋顶不能建造屋顶花园， 但可以在屋面表面攀 援各类绿化值物 ， 起绿化作用而不上人 。对 上人屋 顶 ， 要实现旧屋顶改建花园工程， 必须先验算原有建 筑物的结构承重安全。在屋顶花 园的结构设计 中， 如何确定荷载 ， 是结构设计需要解决的首要问题 。 2 ． 1 ． 1 活载 的确 定 旧屋顶增建屋顶 花园的活载宜取 1 5 0 k m ， 即普通上人屋面活载， 不宜在其上进行集会或演出。 2 ． 1 ． 2静 载 的确定 屋顶花园的静载较为复杂 ， 它包括种植区荷载、 盆花及花池荷载 、 园林水体荷载、 假 山及雕塑、 小品 及园林建筑 ， 其中后 四种荷载的确定 ， 可根据实际情 况按现规范取值 ， 设计时可施加到建筑物的梁、 柱或 承重墙上 ， 在此主要考虑种植 区荷载的确定。 2 ． 1 ． 3种植 区的荷 栽 种植区的荷载， 包括种植物、 种植土、 过滤 、 排水 层的荷载 ， 其关键是确定种植物 的荷载及种植土的 荷载 。 ( 1 ) 地被植物、 花灌木和乔木的荷重 目前 ， 国内无完整 的资料 ， 根据外 国资料 ， 地被 植物 、 花灌木的荷重见表 l 。 表 1 地被植物、 花灌木的荷重 序号 种植物种类 荷载／ ( k g ／ m ) ( 2 ) 种植土及其荷载 不同植物生长及生育所需土层的最小厚度均不 同， 植物在屋顶上 由于风载较大 ， 从植物防风要求也 需要一定的种植深度。综合 以上 因素 ， 屋顶花园种 植 区土层厚度与荷载值见表 2 。 表 2 种植 区土层厚度与荷载值 ( 3 ) 排水层荷载 厚度一般为 1 0 0～2 0 0 mm。卵石、 砾石和粗砂 的容重为 2 0 0 0— 2 5 0 0 k g ／ m。 ， 陶粒为 6 0 0 k g ／ m ， 采 用塑料空心制品时， 重量更轻。 另外 ， 种植区内除种植土、 排水层外 ， 还有过滤 层、 防水层和找平层等， 在计算屋顶花园荷载时， 可 统一算人种植土的重量 ， 以省略繁杂 的小项荷载计 算工作 。 2 ． 2减轻屋顶荷重的方法 屋顶荷载 的减轻： 一方面要借助于挖掘旧建筑 平屋顶的承载潜力 ， 减轻结构 自重和结构 自防水 问 题 ； 另一方面要减轻屋顶所需“ 绿化 材料 ” 的 自重。 如果能将上述两方面结合考 虑， 使屋顶建筑的功能 与绿化的效果完全一致 ， 既能隔热保温 ， 又能减缓柔 性防漏材料 的老化 ， 一举两得。具体方法简述如下。 2 ． 2 ． 1 开发轻质 屋 顶栽培 介质 屋顶种植 区采用人工合成种植土， 不仅可大大 减轻屋顶荷重 ， 而且 ， 可根据各类植物生长的需要配 制养分充足、 酸碱性适合的种植土。目前， 比较常用 的屋顶轻质材料有草炭、 珍珠岩 、 木屑、 蛭石等 。这 些基质每立方米重量在几百千克内， 大大低于普通 泥土 8 t ／ m 的重量 。 日本 的人工轻量土栽培技术处于世界领先水 平 ， 现已形成 自然 土壤法、 改 良土壤法 、 人工轻量法 和薄层人工轻量法这几种屋顶绿化模式。其中， 采 用灌溉型 的人工轻量法 ， 种植地被类植物时， 土重加 植物荷重仅 7 4 k g ／ m ； 种植灌 木类 时， 荷重 为 1 2 3 k g ／ m 。我 国在 2 0世纪 6 O年代开始研究屋顶花园 及相关技术 ， 于近几年开始研究用于屋顶绿化 的轻 量土栽培技术 。例如 ： 上海农 科院生态保护研究所 开展了关于轻型平屋顶绿化技术 的研究 ， 北京 园林 科研所在 2 0 0 1年引进了韩 国三逊株式会社的超轻 量绿化用无机基质等。开发适合我 国国情 、 气候 的 轻质屋顶绿化基质 ， 已成为当务之急。 2 ． 2 ． 2合 理选择 植被 植被材料尽量选用一些 中、 小型花、 灌木以及地 被植物 、 草坪等 ， 少用大乔木 。 2 ． 2 ． 3采用轻质排水层材料 建筑陶粒是 比较理想的材料。首先它较轻 ， 容 重为 6 0 0 k m ， 仅为砾石 的 1 ／ 3 。而且 ， 由于它用 黏土烧制而成， 颗粒大小均匀， 使得陶粒间孔隙较 大 ， 利于通气、 蓄水。 2 ． 2 ． 4 合理设置建筑小品及排灌 系统 ( 1 ) 设置园林小 品及选用轻质材料 ， 如竹 、 木、 铝材、 玻璃钢等制作小 品( 如凉亭 、 棚架、 假 山石、 室 外家具及灯饰) 等。可采用镀锌钢管作为棚架立 柱， 立柱下须焊一方型钢板， 使荷载分解。景点负载 大时， 应用井字形槽钢于底部， 使景点整体荷载分 解。在屋顶上建造较大型的假山置石时， 应采用塑 潘俊武 ： 屋顶花园在旧建筑屋面中的设计分析 1 8 9 假石做法。塑石可用钢丝网水泥砂浆塑成或用玻璃 钢成型 。这样 ， 既取得较好造景效果 ， 又减轻了屋顶 结构的荷重。 ( 2 )其他用塑料材料制作排灌系统及种植池。 ( 3 ) 合理布置承重 ， 把较重物件 ， 如亭台、 假 山、 水池、 花架等安排在建筑物 主梁、 柱 、 承重墙等主要 承重构件上 ， 以利用荷载传递 ， 提高安全系数 。 ( 4 )减轻防水层重量 ， 如选 用较轻 的三元 乙丙 防水布等 。 ( 5 )减轻过滤层重量 ， 尽量选用轻质材料 ， 如用 玻璃纤维布作过滤层 比粗沙要轻。 2 ． 2 ． 5充分挖掘旧建筑平屋顶的承载潜力 例如在建造时 先去掉旧屋 面隔热板 ， 这样 ， 可 使屋顶 自重减轻 6 0 k g ／ m 以上。另外 ， 旧屋顶的保 温隔热找坡层 ， 在 6 O一7 0年代时 ， 由于没有轻质保 温材料 ， 多用工业或民用煤锅炉的废品焦碴 ， 这种保 温层容重达 1 0 0 0～1 4 0 0 k g ／ m ， 如果结合修建屋顶 花园工程 ， 翻修并改变防水层和保温隔热层 的做法 和材料 ， 可以减轻屋顶 自重 ； 于是 ， 便 可将此部分挖 潜出的结构承载能力 ， 转来负担屋顶花 园所需增加 的荷载。 如果用 8 0年代后新型 的防水材料 ， 如 J G系列 防水层 、 三元 乙丙 防水布等代替 6 0年代使用 的防水 油毡层 ， 不仅可以提高屋顶花园的防水性能， 而且还 可以将其重量从 3 5 k g ／ m 减到 1 0 k g ／ m 左右。 采用轻质高强、 保温性好 的珍珠岩制品等新型 保温隔热材料来代替容重大、 保温隔热性 能差 的白 灰水泥焦碴层。例如 ， 采用 4 0 r n r n厚的 J G一 0型沥 青珍珠岩保温 隔热层 时， 其 自重仅 1 6 k g ／ m ， 以原 设计采用 1 2 0～1 8 0 m m水泥焦碴保温 隔热找坡层 为例 ， 其原静载为 1 8 0 k g ／m ， 则可减轻屋顶 自重达 1 6 4 k g ／m 。若与防水层减轻 的 2 5 k g ／m 及 隔热 板 6 0 k g ／m 合计 ， 旧建筑屋顶便可挖潜承载能力 达 2 4 9 k m 。这样 ， 屋顶上就可承受 1 5 0 k g ／m + 2 4 9 k g ／m = 3 9 9 k g ／m 屋顶的荷载。只要新增 加的荷载不超出屋顶结构所能承受的重量 ， 那么， 旧 屋顶增建花园在结构上即为安全的。 2 ． 2 ． 6 改 变旧的屋顶建 园思路 ， 开发全新概念 的 屋顶花 园专利产品 目前 ， 世界上一些著名的屋 面制造施工公 司开 发了众多绿色屋面系统 ， 如美国 AB C公司开发 的格 林格系统 ， 采用了与传统做法完全不 同的模块式 系 统。每个模块 由不同深度 的载体、 专 门的培养基质 及可由用户挑选的植物组成 。只要将预先在苗圃中 培养好 的模块运至屋顶施工现场 ， 并按设计 的图案 摆放 ， 一个 生机盎然 的绿色 屋顶立 即呈现在 眼前。 其施工非常方便、 快捷 ， 应用前景相 当广 阔： 模块重 量很轻 ， 超薄简式模板的湿重只有 4 8 k g ／m ， 简式 模块的湿重为 7 3 k g ／m 。 国内在这一领 域起步较 晚， 但近年 发展快 速。 杭州秀龙屋顶花园多用板制品厂研制的防水多用板 为国家专利产品， 获第十届全国发明展览会新技术 产品金奖。其原理是 ： 采用 1 m1 m的多用板将屋 面与堆土层进行架空 隔离 ， 屋面与堆土层之 间有一 定的空隙， 并将 雨水通 过槽板落水孔流人沟槽 ( 图 1 ) 。由沟槽按照屋面 的坡 度方 向集 中流 人天沟及 落水管。这种做法摒弃 了排水层材料 ， 并有效防止 根系发达的乔灌木穿透建材 ， 在减轻重量的同时， 还 起保护屋顶作用。槽板本 身 自重仅 1 7 ． 5 k g ／ m ， 经 某 中央花园等工程的应用证 明， 使用效果 良好 。这 项技术的推广应用 ， 为 旧屋顶改建花 园的结构承重 安全提供了保证 。 沟槽防水层 槽板防水层 草皮苗木 垫块 图 1 屋顶花 园防水处理 方法示意 除此以外 ， 对旧屋顶改建工程 ， 屋顶花园的荷载 取值往往还有一定的弹性上调空 间， 可 由设计人员 核算确定。主要是 ： ( 1 ) 设计人员在确定结构配筋量 时， 一般会 比 理论需要量大 。 ( 2 ) 屋面不同部位承载力不 同， 如小开问 的卫 生间、 厨房 以及墙体、 柱等部位的屋 面承载力较大， 荷载富余系数较大。 ( 3 ) 梁、 板、 柱 的截面尺寸和配筋大小是取活荷 载最不利的组合来确定的， 屋顶绿化后恒荷载增 大 但活荷载减少 ， 结构安全储备增大。 ( 4 ) 为提高屋 面结 构 自防水能力 ， 现 浇板 屋面 通常实行双层双向配筋 ， 厚度不小于 1 0 e m， 这使得 屋面结构安全 系数更大。 2 ． 3 处理防水、 排水的方法 旧建筑平屋顶改建成屋顶花园， 除需解决承重 1 9 0 四川建筑科学研究 第 3 6卷 问题外 ， 屋顶防水 ， 也是需要处理 的极为重要 的技术 难题 。 由于旧屋顶漏水率达 3 0 ％之多 ， 且原有建筑的 沥青油毡最多用到 1 0年左右就会 自然老化 ， 极易出 现断裂 ， 因此 ， 在增建屋顶花 园以前 ， 应先彻底翻修 一 次屋顶防水层 ， 废弃传统二毡三油做法， 改用新型 整体防水层 ( 如采用 J G系列 防水层或 A P P改性沥 青防水卷材。这种卷材已被意大利、 法 国、 美 国、 加 拿大等国家普遍使用于屋顶花园的防水工程 ， 我国 已于2 0 0 3年研制成功并投入生产使用 ) 。种植池的 排水 口应与层面排水 口结合 ， 同时注意不得在屋顶 上再穿洞打孔 ， 埋设支柱和铁件。在园林工程施工 前 ， 应先在整个屋顶上做试水试验 ， 即将屋顶全部下 水 口堵严后 ， 在屋顶上放满 1 0 0 mm深水 。待 2 4 h 后， 检查屋顶下各处室内楼板及砖墙有无渗漏现象， 找出漏水的确切原因和部位。经检修直到证实屋顶 确实无渗漏隐患后 ， 再全面地在屋顶上进行屋顶花 园的各项园林工程的建设。如果建成屋顶花园后 ， 再发现屋顶有漏水现象， 则必须将屋顶花园的各项 园林工程拆除后 ， 才能检修屋顶 。 关于排水 ， 关键是要在种植 区下设置畅通 的排 水系统 。由于种植土层的滞水作用及植物根叶、 泥 沙等杂物极易堵塞管道 ， 因此 ， 应适当增加排水 口和 增大管径。另外 ， 在造园平面布置时， 应尽量照顾到 原排水系统和排水 口的位置 。新设置的种植池、 水 体和园林建筑物等， 应让开原排水 口， 园路 的走 向及 坡度也应考虑排水 口的位置 ， 使园路成为排水通道。 3 结语 旧屋顶改造成屋顶花园在设计和施工上较为繁 琐 ， 且需要一定量的资金投入 ， 但从长远来看 屋顶 花园建筑 比普通屋顶建筑更加实惠， 因为它们可以 保护建筑物的结构层和防水层 ， 使之更持久 ， 并减少 建筑物 的后期屋顶维护费用 。 除了延长建筑物本身寿命外 ， 屋顶花园还可以 给人提供 良好的生活环境 ， 缓解城市热岛效应 。屋 顶花园通过土壤 的水分 和生长的植物 ， 可降低大约 8 0 ％的 自然 辐射。经实验 ， 夏 天室外 气温达 3 0 ~ C 时 ， 地面温度已达 4 O ℃ ～5 0 ℃ ， 而绿化屋顶基层 1 0 e m处 ， 仅为 2 O ℃； 冬天 ， 绿化屋顶则象一个 温暖的 罩子保护着建筑物 ， 从而减少保持屋 内温度的空调 能源费用。实践证明， 节约能源 的多少与栽培基质 的厚度和种植植物的类型有关。据 Wo n g 等在新加 坡实地测量试验显示 ， 在 3 0 c m 的栽培基质种植灌 木节能效果最好 ， 平均每年可节约顶层 1 5 ％电能。 屋顶花园还能带来诸多生态效益 ， 如屋顶植物 可以改善局部小气候 ， 调节城市的温度和湿度 ， 吸收 S O 和 C O ， 释放氧气 ， 吸附污染物 ， 净化大气， 阻滞 尘埃等作用。同时 ， 绿地面积的扩大 ， 增加了市 区的 生物多样性 ， 提高了城市居民生活质量 。 屋顶绿化还起到了截流雨水作用 ， 一般平屋顶 约有 8 0 ％的雨水通过檐沟和落水管排人下水道 ， 而 绿化屋顶只有 3 0 ％的雨水排人下水道 ， 减轻 了城市 排水系统 的压力 ， 减少了市政设施的投资。总之 ， 屋 顶花园所产生的巨大的经济效益和社会效益 ， 是普 通屋顶所不能 比拟的。 目前 ， 我国居住区的屋顶花园还处于起步阶段 ， 旧屋顶改建工程更属风毛麟角 ， 科学的设计、 施工和 管理方法 ， 仍然需要在实践 中不断地探索和总结。 参 考 文 献 ： [ 1 ] 赵志刚 ， 岳明． 城市屋顶花 园的建设与效应 [ J ] ． 科技情报开 发与经济 ， 2 0 0 5 ， ( 1 5 ) ： 1 6 5 — 1 6 6 ． [ 2 ] Y u mi k o，G r a h a m．格林格 屋顶花 园系统 [ J ] ． 中国建 筑防水 ， 2 0 0 5 ， ( 8 ) ： 1 6 ． [ 3 ] 殷丽 峰， 李树 华．日本屋 顶 花园技 术 [ J ] ．中国 园林 ， 2 0 0 5 ， ( 5 ) ： 6 3 - 6 4 ． [ 4 ] 黄金 锖． 屋顶 花园设计 与营造 [ M] ． 北 京 ： 中国林 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