程仁武 文才臻 張俊濤

（廣州市林業(yè)和園林科學研究院，廣東 廣州 510405）

屋頂綠化作為城市綠化的重要組成部分，對拓展城市綠地空間、美化景觀、緩解城市熱島效應、改善生態(tài)環(huán)境有著重要作用[1～3]。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署的一項研究表明，一個城市的屋頂綠化率如果達到70%以上，城市上空的CO2含量將下降80%，熱島效應將基本消失[4]。目前，屋頂花園的應用研究已在多個城市開展，并形成了簡單式和花園式屋頂綠化2種較為成熟的類型[5]。

屋頂花園建設(shè)形式多樣，傳統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容包括防水層、阻根層、排水層、過濾層、基質(zhì)層、植被層、灌溉系統(tǒng)等[5]，但也存在建設(shè)工藝繁雜、荷載要求高、施工進度慢、造價成本高等問題。裝配式屋頂綠化是近幾年發(fā)展起來的新技術(shù)，起源于美國，是指根據(jù)建筑物特點，將具有排水、蓄水、過濾、通風、阻隔根等功能的可移動容器拼裝成一個完整的綠化系統(tǒng)，并在其中種植植物，具有代表性的是北京奧運會主場館“鳥巢”的足球場草坪項目[6]。與傳統(tǒng)屋頂綠化相比，裝配式屋頂綠化具有很好的蓄水、排水和阻根能力，可自由拆卸移動，荷載輕，成景快且能有效降低能耗等優(yōu)點[7]。經(jīng)不斷研發(fā)改進，裝配式屋頂綠化技術(shù)已逐漸成為屋頂綠化發(fā)展的新趨勢。隨著屋頂綠化的快速發(fā)展，生態(tài)節(jié)能與智能化管理成了其建設(shè)的重要內(nèi)容。

本文探索適用于城市屋頂節(jié)能減排的技術(shù)，以廣州市林業(yè)和園林科學研究院辦公樓屋頂裝配式屋頂花園節(jié)能設(shè)計為例，應用太陽能供電、雨水收集、智能噴灌及生態(tài)景觀技術(shù)等技術(shù)建造節(jié)能屋頂花園，同時分析其對降低室內(nèi)溫度、改善空氣質(zhì)量的效果，以期改善屋頂眩光與空中景觀、延長建筑使用壽命、凈化城市高空空氣，提高生態(tài)和節(jié)能效應。

1 研究區(qū)域概況、設(shè)計理念及施工

1.1 研究區(qū)域概況

廣州市林業(yè)和園林科學研究院辦公樓建于20世紀80年代，屋頂呈長方形結(jié)構(gòu)，長20 m，寬12 m，可綠化面積約210 m2；建筑南面為小丘陵，其余三面無遮擋，光照充足。研究區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候，雨水資源豐富，年平均降水量超過1 800 mm，雨水資源充足[8]。項目定位為辦公休憩綠地，研究區(qū)域屋面為原始裸露水泥屋頂，不適宜進行大強度改造。經(jīng)專業(yè)機構(gòu)測試，屋面荷載為200 kN?m-2。

1.2 屋頂花園設(shè)計理念

該屋頂花園以“以人為本，智能管理，生態(tài)節(jié)約”為理念，結(jié)合廣州氣候特點和屋頂特殊的環(huán)境條件，借助智能管理系統(tǒng)，充分利用太陽能、雨水等再生資源，實現(xiàn)資源循環(huán)利用。同時以木亭和花架為中心，利用曲徑通幽的造園手法，實現(xiàn)綠地、園路和休憩區(qū)的有機結(jié)合，形成了豐富的空間層次，為使用者營造優(yōu)美的休憩空間。

該屋頂花園設(shè)計主要通過以下措施解決屋頂承重、屋面防水排水、植物根系穿透等技術(shù)難點：

1）通過專業(yè)評估分析，將木亭、花架、高大喬木等規(guī)劃到建筑的承重結(jié)構(gòu)部位，比如承重的梁、墻等，分散屋面承重，同時對承重部位進行加固處理，以確保安全；

2）考慮到建筑荷載、屋面防水、阻隔根系穿透等，采用具有排水、蓄水、過濾、通風、阻隔根等功能的裝配式屋頂綠化種植槽技術(shù)種植綠化植被。

1.3 屋頂花園系統(tǒng)組成與功能整合

裝配式屋頂綠化系統(tǒng)主要由種植子系統(tǒng)和智能給排水子系統(tǒng)組成。種植子系統(tǒng)包含抗旱易養(yǎng)護植物、輕質(zhì)屋頂綠化營養(yǎng)專用基質(zhì)和輕質(zhì)可蓄排水模塊化種植容器。智能給排水子系統(tǒng)又包含太陽能供電系統(tǒng)、雨水收集系統(tǒng)和智能灌溉系統(tǒng)3部分（圖1）。下雨時，一部分雨水經(jīng)基質(zhì)、種植容器的排水過濾層過濾后儲存于蓄水層中，多余的雨水經(jīng)排水槽和運輸網(wǎng)管流至蓄水池儲存。當屋頂綠化植物的土壤濕度低于標準值時，智能灌溉系統(tǒng)將收集的雨水噴灌至屋頂綠化植物種植處。太陽能供電系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，用于維持智能灌溉系統(tǒng)的運行及照明等其他需求。

2 屋頂花園施工

根據(jù)對廣州現(xiàn)有的屋頂綠化容器進行詳細調(diào)查，篩選出適合本屋頂花園的輕質(zhì)可蓄排水模塊化種植容器。該種植容器主要由保溫隔熱層、排水槽、蓄水層、阻根層和排水過濾層組成，能滿足過濾、排水、蓄水、阻根等功能需求。容器規(guī)格為500 mm×500 mm×70 mm，可根據(jù)施工現(xiàn)場需求進行機動拼裝；容器上方可以根據(jù)種植植物的不同進行圍邊的疊加，圍邊尺寸是100 mm，容器之間通過卡槽連接，由排水通道風槽連通，形成通路（圖2）。

在植物配置上，參考《屋頂綠化技術(shù)規(guī)范》（DB440100T 111-2007）要求，重點選擇耐熱、抗風、耐旱、生長緩慢、耐修剪、滯塵能力強、低維護的植物種類[9]。本案例結(jié)合實地條件并充分考慮植物特性，選用了較為輕型的毛竹Phyllostachys edulis、旅 人 蕉Ravenala madagascariensis、茶花Camellia japonica、劍麻Agave sisalana、 鶴 望 蘭Strelitzia reginae、琴葉珊瑚Jatropha integerrima、朱蕉Cordyline fruticosa等小型花灌木，地被植物則選用鋪地錦竹草Callisia repens、佛甲草Sedum lineare、錦繡莧Alternanthera bettzickiana、彩葉草Plectranthus scutellarioides等（圖3），不僅耐干旱易養(yǎng)護，且色彩豐富，綠化效果好。

圖2 項目施工現(xiàn)場圖

基質(zhì)對屋頂花園整個系統(tǒng)的長期穩(wěn)定起著關(guān)鍵作用[10～11]，李卓等[12～13]研究表明，土壤容重越小，其滯留貯水量、吸持貯水量和飽和貯水量越大。為同時滿足植物生長、屋頂荷載和蓄排水要求，屋頂花園應選用具有輕質(zhì)、潔凈、養(yǎng)分釋放持久、排水通透、施工簡便、適宜植物生長、無臭味等優(yōu)良特性的栽培基質(zhì)[14]。綜合考慮容重、肥效等因素，經(jīng)過多方篩選對比，該屋頂花園選用的基質(zhì)為廣州市林業(yè)和園林科學研究院自主研發(fā)的輕質(zhì)屋頂綠化營養(yǎng)專用基質(zhì)，其pH值為6.94，EC 值為 0.78 mS?cm-1，容重為 0.36 g?cm-3，總孔隙度為56.25%，有機質(zhì)含量為 485.63 g?kg-1。

3 智能給排水系統(tǒng)

給排水系統(tǒng)是保證屋頂花園日常養(yǎng)護的主要配套設(shè)施，包括太陽能供電系統(tǒng)、雨水收集系統(tǒng)和智能灌溉系統(tǒng)3部分（圖4），充分利用太陽能及回收雨水，通過濕度感應，啟動智能灌溉，實現(xiàn)節(jié)能節(jié)水目的，低碳環(huán)保。

3.1 太陽能供電系統(tǒng)

在辦公樓樓梯間頂部及花架上方設(shè)置薄膜太陽能光伏發(fā)電機組。薄膜光伏工作時，通過薄膜分光技術(shù)將太陽輻射分為植物需要的光能和用于太陽能發(fā)電的光能，既滿足了植物生長需求，又實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。太陽能光伏機組將太陽能的光能轉(zhuǎn)化為電能后，輸出直流電存入蓄電池中（圖5），滿足屋頂花園智能噴灌系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等提供用電需求。

發(fā)電機組裝機容3.0 kW，年理論發(fā)電量達4 000 kW?h，機組使用壽命達25年以上。通過測算噴灌系統(tǒng)、雨水收集池動力系統(tǒng)和照明系統(tǒng)用電總量，該發(fā)電機組發(fā)電量能充分滿足需求。當極端天氣蓄電池電量不足時，系統(tǒng)通過切換器自動切換到市政供電。

3.2 雨水回收系統(tǒng)

廣州雨水資源豐富，空氣質(zhì)量較好，雨水經(jīng)屋頂綠化層層過濾后水質(zhì)較佳，開展雨水回收利用具有得天獨厚的優(yōu)勢。該項目通過利用屋頂自然高差設(shè)置雨水收集系統(tǒng)，實現(xiàn)對雨水回收利用。系統(tǒng)主要包括蓄水種植容器、排水管道、蓄水池等（圖6）。

圖4 智能給排水系統(tǒng)示意圖

圖5 太陽能供電系統(tǒng)示意圖

種植容器底部設(shè)有蓄水槽，容器溢排水管孔系統(tǒng)設(shè)計可使容器的底部始終蓄有水分，雨水進入種植容器，經(jīng)植被層和基質(zhì)層滲透后被儲存于蓄水槽內(nèi)，上部土壤缺水時，蓄水槽內(nèi)的水向上蒸發(fā)，為植物補充水分。當蓄水槽內(nèi)的水到達側(cè)壁的溢水口時即可溢出，排入通風排水槽。種植容器截留的雨水及聚集在屋頂防水保護層表面的雨水，通過屋面排水匯集到排水口進入排水管道，從而進入雨水收集池。雨水在收集池經(jīng)進一步過濾、沉淀凈化后可用于灌溉用水，蓄水池水量不夠時再切換到市政管網(wǎng)補充用水。

圖6 雨水回收系統(tǒng)示意圖

德國瓦爾特·科爾布（Walter Kolb）2002年開展的研究表明，超過10 cm覆土的屋頂綠化能蓄存50%的雨水[15]。該屋頂花園按照70%的綠地率及年平均降水量1 800 mm折算，在不考慮雨水回收系統(tǒng)溢出的情況下，面積200 m2的屋頂花園1年可利用雨水量達120 m3以上。通過該屋頂花園1年的運行也表明，雨水集水量可基本滿足屋頂綠化灌溉用水，只需于秋季極端干燥時期進行少量灌溉補水。

3.3 智能灌溉系統(tǒng)

該屋頂花園智能噴灌系統(tǒng)運用美國HUNTER中央控制系統(tǒng)、SOLAR SYNC氣候傳感器及土壤濕度傳感系統(tǒng)組合，包括傳感系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)、電磁閥、輸送網(wǎng)絡(luò)等。氣候傳感器自動收集降雨量、光照強度、溫度等參數(shù)，通過內(nèi)置程序計算當天的植物ET值（蒸發(fā)蒸騰量）；土壤濕度傳感器由設(shè)置在土壤根系層中的多個土壤濕度傳感器組成，用于檢測土壤濕度；中央控制系統(tǒng)計算機分析氣候傳感器和土壤濕度傳感器傳送的信號，以決定電磁閥啟用與關(guān)閉。該屋頂花園以美國HUNTER公司ET系統(tǒng)推薦的“土壤含水量30%～50%”作為屋頂綠化植物管理的土壤濕度標準，即當土壤濕度達到50%的上限值時發(fā)送信號給控制器，控制器即停止灌溉；當土壤濕度低于30%的下限時，發(fā)送信號給控制器，避免植物因缺水凋萎。

4 效益分析

該屋頂花園通過節(jié)能智能噴灌系統(tǒng)的應用，有效利用了太陽能、雨水等再生資源，緩解暴雨形成的屋頂積水，達到節(jié)能減排目的，產(chǎn)生了很好的環(huán)境、經(jīng)濟和社會效益。節(jié)能智能噴灌系統(tǒng)中屋頂太陽能發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電4 000 kW?h；雨水回收系統(tǒng)中在不考慮溢出的情況下，可利用雨水量達120 m3以上；通過濕度感應實現(xiàn)精準灌溉，節(jié)約了用水，并且保護了植物根系因淋水過多而導致的爛根，還減少了人工運行維護的費用；蓄水容器的應用，減少了防水和阻根層建設(shè)的費用，又對屋頂起到保護作用，減少了房屋的維修費用。此外，辦公樓屋頂花園的建設(shè)能為職工提供新的花園綠地空間和休憩場所，有助于其消除工作疲勞、提升工作熱情等。

5 結(jié)語

該屋頂花園設(shè)計遵循了生態(tài)節(jié)能原則，其智能灌溉系統(tǒng)有效利用了太陽能、雨水等再生資源，通過自動采集土壤濕度，實現(xiàn)屋頂花園精準灌溉。該系統(tǒng)在屋頂花園運行一年以來，植物長勢茂盛、四季有花，顯著增加了綠量，為辦公樓增加了綠色的活動空間（圖7），有效改善熱環(huán)境，取得了較好的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益，也是海綿城市建設(shè)的有力實踐。

圖7 項目完成實景圖（航拍）

經(jīng)過一年多的實踐應用，該項目也存在一些不足，比如智能噴灌系統(tǒng)一次性投入過高，需要較長的周期進行消化。這需要加大科技創(chuàng)新力度，開展屋頂綠化新材料和新技術(shù)的專向研發(fā)與推廣，以進一步降低建設(shè)成本，為屋頂綠化事業(yè)提供強大的科技支撐。同時結(jié)合城市發(fā)展和氣候特征，總結(jié)過往屋頂花園經(jīng)驗以及借鑒、引進國外的先進經(jīng)驗技術(shù)，建設(shè)生態(tài)節(jié)能型屋頂花園，從而使屋頂花園在我國生態(tài)文明城市建設(shè)中發(fā)揮出最大的生態(tài)景觀效果。

注：本文圖片均為作者自繪自攝。