新型种植屋面构造探讨及优化实践

左明明 ，朱曙光 ，2，徐庆和 ，陈早明 ，欧阳匡中 ，江云

（1.安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601；2.安徽省绿色建筑先进技术研究院，安徽 合肥 230601；3.安徽建筑大学 电子与信息工程学院，安徽 合肥 230601；4.安徽广明屋面工程有限公司，安徽 合肥 230081）

0 引言

随着现代化城市建设的快速发展，种植屋面受到越来越多的关注。种植屋面亦称绿化屋面，是铺以种植土或设置容器种植植物的建筑屋面和地下建筑顶板[1]。种植屋面不仅为城市居民提供的舒适休憩场所，而且保护生态环境、调节微气候、净化空气、提高城市绿化率、降低热岛效应[2]。

欧美国家种植屋面技术起步较早，相对成熟，其研究重点放在了技术改进、布局规划、种植设计及环境生态效益方面，同时对政策指导、法制建设、推广发展等方面进行了大量的实践。德国已有近40年的种植屋面的研究和实践，目前30%～40%的平屋顶进行了屋顶绿化。德国学者瓦尔特·科尔布[3]对种植屋面的设计、建筑施工和实施进行系统阐述。日本则把建设节能、循环、环境共生型城市作为长期发展目标，建立了适合不同荷重、不同气候特点的屋顶绿化种植模式[4]。韩国使用法规强制推行种植屋面，并给予一定范围的奖励。如2002年，首尔根据《有关绿地保护及促进绿化的条例》，实施补助50%的有关种植屋面费用措施，鼓励民间绿化事业发展。美国学者Christian Werthmann[5]和Susan K和Katrin[6]通过案例等详尽介绍了种植屋面的设计施工流程等内容。国外种植屋面多以微观分析为主，对种植屋面的单一问题进行透彻的分析[7]。同时研究都以具体的实验数据作为支撑，能够采用各种数学计量模型对数据进行深入的分析。

徐峰、王仙民等进行了种植屋面设计系统研究[8-9]。主要从生态功能性、植物设计、景观设计思想、管理政策、屋顶绿化技术、区域绿化建设适宜性研究等方面。从20世纪60年代起，在四川、广东、北京等地进行了种植屋面的实践，建成了各具特色的种植屋面，如上海华亭、广州中国大酒店、首都宾馆等工程。

传统的种植屋面主要分为草坪式种植屋面、组合式种植屋面和花园式种植屋面。传统种植屋面在使用过程中容易出现因防水层破坏导致屋面渗漏。种植屋面的防水性能直接影响建筑的的正常使用和安全，防水处理一旦失败，必须将防水层以上的排水层、过滤层、种植土层等全部去除后才能找到漏水的原因和部位[10]，防水维修成本较高。本研究通过在合肥市某幼儿园等多项建筑屋顶进行新型种植屋面实践，应用了新型的防水涂料和阻根防水卷材，简化传统种植屋面施工工艺，形成了显著的综合优势，为新型种植屋面的建设实施提供了成功案例借鉴。

1 新型种植屋面的结构工艺

新型种植屋面的结构主要分为6个部分，图1是新型种植屋面的实施示意图。为了方便比较，图2为传统种植屋面的结构示意。

图1 新型种植屋面构造示意

图2 传统种植屋面构造示意

由图1、图2可见，与传统种植屋面的施工工艺相比，新型的种植屋面主要是采用了新型的防水涂料和沥青化学阻根防水卷材。

新型种植屋面系统的结构直接设置在结构基层，即表面经过抛丸处理的钢筋混凝土屋面板上，其上层是2 mm厚非固化橡胶沥青防水涂料。非固化橡胶沥青防水涂料是以橡胶、沥青和助剂混合制成，具有良好的可施工性、优异的基层适应性、抗老化性、耐腐蚀性、突出的自愈合能力，而且防水涂料不容易固化，弹塑性能突出，适用于混凝土、彩钢等屋面[12]。

在防水涂料上是4 mm厚ARC-701SBS改性沥青化学阻根防水卷材，具有防水和阻止植物根穿透的双重功能。既防根穿刺，又不影响植物正常生长；可形成高强度防水层，抵抗压力水能力强；抗拉强度高，改性沥青涂盖层厚度大，对基层收缩、变形、开裂的适应能力强；优异的耐高低温性能，冷热地区均可适用；耐腐蚀、耐霉菌、耐候性好；热熔法施工，施工方便且热接缝可靠耐久。适用于种植屋面及需要绿化的地下建筑物顶板的耐植物根系穿刺层，确保植物根系不对该层次以下部位的构造形成破坏，并具有防水功能[12]。

防水卷材以上是20 mm厚凸凹型排（蓄）水板，可将多余的雨水渗流和植物浇灌多余的水排走，避免植物在生长的过程中出现植物烂根的现象。塑料架空排水板（带有锥形的塑料层板），可以用来替代种植土下面的砾石或陶粒排水层，它可将排水层的荷载大幅降低。用架空排水板排水能大大降低建筑物种植屋面的荷载，省时、省力又可节省费用，目前已在许多工程中得到了推广使用。

排（蓄）水板之上是土工布过滤层，可铺聚酯无纺布或是具有良好内部结构、可以渗水、不易腐烂又能起到过滤作用的土工布，它不让种植土的微小颗粒通过，又能使土中多余的水分滤出，进入到下而的排水层中[13]。可以防止在排水的过程中土壤的流失。

在过滤层之上就是500 mm厚种植土层，由草炭土、蛭石、当地植被土壤和提供种植养分的供养成分组成，密度为800 kg/m3，能够使屋面荷载减轻以及减小屋顶的传热系数。

2 新型种植屋面的性能分析

GB 50345—2012《屋面工程技术规范》明确提出屋面工程的基本功能要求：

（1）具有良好的排水功能和阻止水浸入建筑物内的作用；

（2）冬季保温减少建筑物的热损失和防止结露；

（3）夏季隔热降低建筑物对太阳辐射热的吸收；

（4）适应主体结构的受力变形和温差变形；

（5）承受风、雪荷载的作用不产生破坏；

（6）具有阻止火势蔓延的功能；

（7）满足建筑物外观美观和使用要求。

规范从功能的角度阐述了屋面的构造层次的意义，为不同于传统的种植屋面系统提供了政策性的指导。新型种植屋面相较于传统种植屋面不仅仅在工艺上得到了简化，降低了施工的难度和成本，而且在雨水保持率、屋面荷载、节能等性能方面都有不同程度的优化，具体见表1。

表1 新型种植屋面与传统种植屋面构造比较

2.1 结构施工

由表1可见：

（1）传统种植屋面设计的屋面结构层为11层，各层间的结合面为9个，优化后的新型种植屋面结构层为7层，各层间的结合面为5个，减少了施工的工序和材质。

（2）取消了专门的找坡层和找平层，使得结构层涂上防水涂料之后就可以铺设防水卷材，这样使得防水卷材更贴合结构层，防水效果更好。

（3）将传统的防水卷材改为改性沥青化学阻根防水卷材，既可防水又能有效阻根，预防植物根系对屋而结构层的破坏。

通过上述优化不仅使种植屋面防水更加可靠，还可有效阻根，保护屋面结构，此外，结构层次数量减少，不仅降低了种植屋面的高度，而且降低了工程造价。

2.2 雨水保持率

作为海绵城市建设的前端，种植屋面建立蓄、滞、排相结合的排涝及雨水利用系统是必要的[14]。种植屋面可以截流雨水，可以将部分水分储存起来，减少城市的地表径流，能有效缓解城市内涝。种植屋面中植物的蒸腾作用和屋顶绿地的蒸发作用可以有效地降低城市环境温度、缓解城市热岛效应。种植屋面通过植被截流和种植层吸纳雨水，雨水径流量较绿化前大幅降低，是美化城市、减少屋面源污染和消减城市雨水径流的重要途径之一[15]。

目前实行的传统种植屋面对于雨水的保持率能达到15%左右。由试验数据可知，新型种植屋面的雨水保持率可达80%。较高的持水率有利于植被的生态用水获取，减少后期维护的经济成本。

2.3 屋面荷载

种植屋面在建造时就要考虑到屋面的荷载情况，使种植屋面荷载取值符合GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》的规定。根据该规范，种植屋面要考虑到以下2个方面：

（1）永久荷载（又称静荷载或恒荷载），种植屋面上的永久荷载包括结构构件（如屋面板、梁）、围护构件（如女儿墙、屋檐）、如屋面构造层、固定设备、植物的初栽质量，种植土的质量、屋顶水池中水的质量，景观设施以及其他需要按永久荷载考虑的荷载。

（2）可变荷载（又称活荷载），种植屋面上的可变荷载包括屋面活荷载（因建筑物的修缮、维护、游憩等活动产生的人、工具或家具的重量）、植物后期生长所增长的重量、雪荷载等。

表1中的新型种植屋面种植土土密度为800 kg/m3，传统种植屋面的种植土密度为1300 kg/m3，水泥砂浆密度按2000 kg/m3，LC5.0轻集料混凝土密度约1000～1200 kg/m3。计算可知：传统种植屋面的屋面恒荷载为630 kg/m2，新型种植屋面的屋面恒荷载为410 kg/m2。相对比可以发现，新型种植屋面的屋面恒荷载明显减小。

2.4 传热性能

随着生产和生活环境品质要求的不断提高，建筑能耗逐年增大。根据中国建筑能耗模型（CBEM）计算，1996～2008年，我国总的建筑能耗从2.59亿t标准煤增长到6.55亿t标准煤，增加了1.5倍[16]。种植屋面在保温、隔热性能方面性能优越，可有效改善建筑物顶层房间的室内热环境，可以挡住70%的太阳辐射热量；且湿润的土壤保温效果良好，在夏热冬冷地区的建筑屋面上铺设种植屋面，可以起到很好的节能效果。经实验与计算可知，传统种植屋面的屋顶传热系数为0.405W/（m2·K），而新种植屋面的屋顶传热系数为0.328 W/（m2·K），保温隔热性能优越。

3 结语

相较于传统种植屋面，新型种植屋面在屋面荷载、雨水保持率、节能等方面具有明显的优势。新型种植屋面在结构上的布设相较于传统种植屋面有了较大的简化，由传统种植屋面的11层工序减少为7层，降低了施工难度。较传统种植屋面的630 kg/m2屋面恒荷载，新型种植屋面对屋面的荷载降至410 kg/m2。在保温性能上，新型种植屋面的屋顶传热系数是0.328 W/（m2·K），比传统种植屋面的屋顶传热系数0.405 W/（m2·K）降低了19%。持水型性能上，新型种植屋面的保水率为80%，远高于传统种植屋面的15%。因为采用了新型的防水涂料和防水卷材，新型种植屋面的防水性能也优于传统种植屋面。

通过对新型种植屋面的探讨和实践，改善了传统种植屋面的工序复杂性，解决了渗漏维修困难等问题，在不增加原有造价的基础上，有利于种植屋面的推广应用。

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