北方种植绿化屋面的设计与应用

在国家不断倡导创造和谐社会的今天，作为城市重要景观之一的屋面绿化工程已经在全国启动，从北京、上海、浙江到福建，屋面绿化技术都得到了广泛应用。从北京市出台的《北京市城市环境建设规划》中看到北京市的高层建筑中30%要进行屋顶绿化，低层建筑中60%要进行屋顶绿化。在我国北方地区种植绿化的研究也仅仅是刚刚起步的摸索阶段，由于种植屋面的构造层次较多，技术要求也比较高，涉及了建筑、园艺及农林等学科，是一个范围比较广的系统工程，所以必须从设计、选材、施工、管理、维护等方面进行综合研究和处理。本文粗浅地分析了绿化屋面的设计特点及技术难题，以此与各位设计师探讨从而寻找一个合适的适合北方地区的屋面绿化解决方案，使我们的城市建设变得越来越美丽。
 

1 传统构造方式的绿化屋面

传统绿化屋面的做法主要目的是解决屋面的渗漏问题及排水。它由以下几层构造组成：①种植土层（ 300mm～600mm 厚）。种植介质的厚度一般根据植物和介质的种类而定。一般草坪选用150mm~250mm；小灌木为300mm~400mm；大灌木为500mm~600mm，乔木为800mm 以上。②滤水层。该层位于种植介质层与排水层之间，采用250g/m2 聚酯纤维土工布做隔离过滤层，起到保水和滤水作用。它的主要作用是将种植介质层中因下雨或浇水后多余的水及时通过过滤后排除出去，以防止植物烂根，同时也可以将种植介质保留下来，以免发生流失。③排水层。选用80mm 厚(粒径为20mm~40mm)卵石、陶粒、绿保石(粒径30mm~60mm)等级配合理的粒度，有效地防止细小颗粒阻塞排水系统，增加排水通透能力。④保护层。采用40mm~60mm 厚的细石混凝土刚性防水层，但是根系发达的植物所产生的应力仍然能够破坏混凝土层，即使是混凝土产生一点点裂缝，植物的根系也会从缝隙处不断生长而破坏屋面的防水效果。由于屋面增加了刚性防水层，还大大增加了屋顶的承载量。⑤防水层。选用聚酯胎改性沥青防水卷材，如APP 改性沥青、SBS 改性沥青、合成高分子防水卷材或涂料等复合防水层。⑥找平层。⑦保温层。⑧隔汽层。⑨结构层。

传统绿化屋面特点：①容易就地取材，施工简便，经济合理，但是对种植土厚度及土壤环境要求较高。由于屋面增加一层细石混凝土刚性保护层，屋面荷载增加许多，结构厚度加大了，相应增加了土建造价。②屋顶种植土层薄，热容量小，土壤温度变化幅度大。植物根部冬季易受冻害，夏季易受灼伤。普通土壤容易板结，屋面养护投入量大，造成资源浪费。所以要选择种植介质具有自重轻、不易板结、保水保肥好、耐久性强、施工简便、经济环保等性能的土壤。一般可供选用的土壤有种植土、草炭、膨胀蛭石、膨胀珍珠岩、细砂和经过发酵处理的动物粪便等材料，按一定比例混合配制而成。草炭和发酵后的动物粪便可以为植物生长提供有机质、腐植酸和缓效的基肥；膨胀蛭石和膨胀珍珠岩不仅具有重量轻，而且有利于保水、透气、预防植物烂根、促进植物生长等作用。已建完成的项目有北京郦城云楼屋面、沈阳市图书馆及儿童活动中心屋面。
 

2 屋面绿化系统

屋面绿化系统(Green Roof System)有较完整的构造要求。国内有Zinco 公司、上海威达公司代理屋面绿化系统。系统构造有以下几个层次：①种植植物。②土壤层。③滤水层。阻挡小的颗粒渗透到排水层，保证排水层的畅通。④排水层“。系统”中的排水层采用了专用的留有足够空隙并有一定承载能力的成品塑料排水板、橡胶排水板排水层分离层。用以保护防水层不受结冰所产生的应力的影响。分离层材料选用聚乙烯膜。⑤保湿层。可以起到保持土壤滋润及土中氧分，保护根阻拦层的作用。⑥根阻拦层。该层是“ 系统”中技术核心，它的设置主要是防止植物根系穿入防水层及保温层。国内一般防水层的材料大都采用沥青基防水材料，系统中的防水层是采用弹性沥青（ SBS）涂层中加入可以抑制植物根系生长的生物添加剂。由于沥青是比较柔软的有机材料，很容易与添加剂融合，当植物根的尖端生长到涂层时，根在添加剂的作用下角质化，不会继续生长以至于破坏下面的胎基，从而使卷材还可以继续发挥防水功能。⑦第一层防水层及根阻拦层。除采用防根系穿刺的防水层外，尚应在其下部再铺设1~2 道具有耐水、耐腐蚀、耐霉烂和对基层伸缩或开裂变形适应性强的卷材（ 如聚酯胎改性沥青防水卷材、合成高分子防水卷材）或涂料（ 如双组分或单组分聚氨酯防水涂料等）作柔性防水层；在一般的柔性防水层之上，再空铺或粘贴一道具有足够耐根系穿刺功能的材料，如高密度聚乙烯（ HDPE）土工膜、低密度聚乙烯（ LDPE）土工膜、聚氯乙烯（ PVC）、聚烯烃（ TPO）卷材和铝合金（ PSS）卷材等作耐根系穿刺防水层。增加根阻拦层的目的在于提高植物穿透防水层的保险系数。⑧保温层。⑨隔汽层。⑩结构层。采用该系统后，比使用原土、卵石排水的传统做法重量轻70%左右。

目前这种屋面系统由于在经济、施工及气候等因素的不同在我国辽宁地区应用的比较少。以往的种植屋面设计，我们在屋面防渗漏方面考虑较多，而对植物生长及其对屋面的破坏力问题的研究较少，这在以后的工作中应当值得借鉴。
3 无土栽培技术在屋面中的应用

(1)无土栽培技术。即由落叶松树皮经特殊加工处理的人工有机质作为种植层可以大大减少种植层厚度，一般20mm～30mm 即可，同时在人工有机质内加入某些生物菌群，对屋面草坪的生长有极强地促进作用。这种人工有机质土干重时仅为200 kg/m3，水饱和重为800 kg/m3。

(2)环保无土草坪。即采用环保无土草坪实现快速屋顶绿化。无土营养床利用工农业废料加工成海绵状载体，具有保水、保肥、松软、透气等特性，适宜植物生长。根据实际需求的不同，草种可选用早熟禾系列、佛甲草系列、高羊茅系列、百慕大系列和其他品种混种系列。但专家指出，这种无土草坪技术在北方的推广还应有一段市场考验期，只有经历10 年以上的时间才能够进行广泛的推广。

(3)采用韩国引进专利技术的BIO-PARASO（ 城市人工基础绿化专利技术）工法，采用硅质火山岩和粘土质矿物制作超轻量无机土壤BIO-PARASO。它具有防辐射、美观、防止飞散等功效，BIO-PARASO 饱和吸水时重量低于450kg/m3（ 一般土壤约为1800kg/m3），因此，可以在原有建筑屋面上种植2m～4m 的高大乔灌木，解决了屋面楼盖的承重问题，大大降低了房屋屋面系统的荷载，提高了室内净空高度，更加有利于房间的使用。以屋面植栽草坪为例：土壤深度为150mm，采用BIO-PARASO 工法，单位面积荷重为67.5 kg/m2，而若采用混合土壤同样厚度的屋面荷重为336 kg/m2。这项技术的应用可以使屋面的土壤使用期延长到十五年以上，远期的经济效益非常明显。已建成的有北京市的中组部绿化屋面。
 

4 种植绿化屋面的一次工程尝试

2005 年在沈阳市图书馆及儿童活动中心工程项目中我们对种植绿化屋面在北方地区大面积屋面的应用进行了一次尝试。该项工程用地位于沈阳金廊的文体展示中心区，青年大街与文体东路交汇处，介于科学宫、夏宫之间。用地原为沈阳市苗圃，绿化植被非常丰富，是保护得比较好的一块城市绿地。这里良好的天然植被条件优雅的环境和图书馆的选址条件非常契合。由于城市主要干道青年大街在基地附近进行了转折，使基地形状不规则也不宽裕。在不足6hm2 的基地内要规划两栋总建筑面积达到6 万m2 的有动、静需要，面积高度各不相同的建筑，我们以一种折中的方式调和减弱与基地周边已有的矛盾，并以一座似引领航行的巨船形的绿化屋面建筑与儿童中心环抱古树这种阴、阳互补的相互关系求得内在的独立性和外在的自由感的设计提案，获得专家的一致认同（ 如图2）。该项方案的成功之处恰好在于以绿化屋面这一特色主题与原有场景进行角色“ 转换”，保留原来苗圃地区自然风貌，构筑原生态环境，将绿化景观以三维空间方式再现，创造出这组新建筑与已有的科普公园的新型关系。

设计及总体环境方案确定后，在施工图设计中我们主要是完成了以下几个重要环节。

(1)屋面绿化系统的确定。由于方案的特色在于“ 绿色”这一主题，所以在项目深化阶段我们碰到的第一个难关就是如何能够完美展现设计的创意。图书馆的屋面绿化面积9500m2，东西长156m，南北最宽处100m，最高点高30.8m, 最低点0m。屋面倾斜度为10°。这样的大屋面本身就是一个创举，更何况屋面上种植花草。在经历了调研、走访及与德国设计师共同探讨后我们的设计思路也越来越清晰。首先确定屋面防水等级，新建成的沈阳市图书馆预计藏书200 万册，因此，防水等级确定为一级，防水层使用年限为25 年。为了保证防水层设计的安全性，我们分别在防潮层、防水层、保护层三个部位进行了防水处理：位于最下面的隔汽层采用聚合物高分子涂膜防水层1.5mm 厚，防水层则分别采用聚乙烯合成防水卷材两道及SBS 改性沥青防水卷材一道。在综合考虑屋面经济性、施工进度等多种因素并结合市建委专家、园艺设计师的建议，我们放弃了拟采用的绿化屋面系统方案，而采用了传统绿化屋面设计。为了最大限度地减轻屋面荷载，屋面的植物只考虑种植草坪，选用经过处理的腐植土为植栽介质。由于整个屋面倾斜角度较大，水流速度很快，屋面排水非常顺畅，但随之而来的是水土保持不好，考虑将来雨水有可能不断带走土壤及泥沙，除了将种植土厚度加厚到300mm 以外，在土壤下还增加一层聚氯乙烯固土网，通过固土网可以把部分土壤保留在空隙内，保证了植物所需的生长环境。

(2)坡屋顶上的绿化固土设施。沈阳地区春、秋、冬季风速高、风力大，设计上要重点考虑强风作用下绿化屋面各层材料的稳定性。巨大的斜屋面即使不采用绿化种植屋面，保温材料的固定也是一项比较艰难的任务，较好的固土办法是采用分仓。在建筑屋顶上种植植物，在不同的高度下风速的系数是不一样的，根据国家标准荷载规范的规定，高层建筑最大的风速系数可达3 倍。由于土壤本身的重量及图书馆结构设计年限按照100 年考虑，所以屋面的设计荷载取值为800kg/m3。固土设计结合结构的反梁形成间距为8000mm 的分仓，仓体的分隔底部留有过水的小孔保证排水通畅，过水孔之间的间距为3000mm，经过一个寒冬的考验，屋面绿化效果非常好。

(3)屋面维修通道。大面积的屋面绿化需要有专业人员定期维护，从设计开始我们就将维修通道的设置与设计结合起来考虑，为了让维修通道看起来不显得那么突出，我们结合裙房的特点设计了一个大的边沿，不仅可以作为裙房的挑檐而且从远处看起来很美观。从青年大街直接进入图书馆的前广场步道，步道一直通向绿化屋面的斜坡下，斜坡的周边则留出1750mm 宽的平台可供工作人员使用。平台的材料选择了与主体墙面一致的灰色机刨石，与广场地砖之间的衔接过渡非常自然。屋面上的固土设施则形成水平方向的检修带，检修带顶面高出屋面结构层800mm，检修带的侧面高出草地部位安装了灯具，在夜晚降临彩灯齐放时则好似天空中一道道美丽的彩虹。

5 种植绿化屋面的发展前景