“平”“坡”之争：两种屋顶形式的研究——以“极光之家”项目为例

文／姜立文 申绍杰

引言

起初为了避免雨水对人类使用空间的侵蚀，倾斜的屋顶形式被建造出来；后来开发出了屋顶膜，平屋顶拥有持久性的防漏解决方案、简约化的屋顶结构、集约化的屋面空间，平屋顶开始取代斜屋顶；近期提出“环境友好型”建筑，斜屋顶更有利于太阳能板的布置，如何在平屋顶与斜屋顶之间找到平衡，本文最后一部分提出案例，为这一讨论添砖加瓦。

1“平”“坡”屋顶的发展

1.1“平”“坡”屋顶的出现

屋顶是人类最早创造保护自我的空间形式，也是今天建筑围护结构发展的元素。当人类定居下来之后，利用周围的材料创造了可居住的空间，就开始出现了屋顶和墙壁。屋顶不仅在位置上是建筑围护结构的上部，同时也是整体结构的一部分。随着时间的推移，屋顶变得更加复杂和不同，它们不仅具有保护功能，而且还与建筑围护结构的其他部分结合使用，使得建筑在世俗与神圣建筑中得到各自不同的表达。

屋顶结合特定的区域气候，建筑个体的功能以及阁楼空间的处理，随着时间与空间的推移，发展出不同的建造方法和建筑风格。特别是不同的气候条件导致了屋顶类型上最显著的差异，即斜屋顶和平屋顶的出现。从1755 年由建筑师维特鲁威（Vitruvius）描述、阿尔伯蒂（Alberti）绘制的原始小屋，用树枝组装而成的陡峭屋顶，到后来允许建筑与自然环境无缝融合的景观屋顶的出现，它们的发展历史始于屋面材料的技术改进。逐渐地，屋顶下的空间也获得了越来越复杂的用途。起初，它被用来储存和干燥货物和食品，后来成为仆人们简单的生活场所。到如今，有台阶的顶楼是专门为豪华的顶层公寓建造的。屋顶的形状和构造与整个建筑的用途、外观和意义都是密切相关的。

1.2“平”“坡”历史上的选择

与建筑的基座类似，屋顶在建筑围护结构的整体组成中起着重要的作用。屋顶的形状对建筑的比例和轮廓有很大的影响。从古典教堂经典的比例、中世纪的联排别墅严格的秩序，到了现代主义，屋顶在垂直平面的视线上可以简化为一条细线，限制在建筑顶部。当然，与斜屋顶一样，平屋顶绝不是现代化建筑的产物，这一形式是在历史的进程中被创造出来的。著名的例子是普韦布洛印第安人的土坯建筑，以及传统的摩洛哥房屋，平屋顶上覆盖着泥土和草皮，用于干燥食品。

与在围护结构下创造可用空间的坡屋顶相比，平屋顶的上表面可以用于各种用途，例如作为夏季生活空间或作为屋顶花园。在干旱地区，可以通过使用土坯等天然材料进行定期维护来保持屋顶的防漏，但在降水较多的气候地区，平屋顶并不可行。直到开发出了屋顶膜，如沥青或饱和沥青的屋顶毛毡。这一突破开发了更持久、更防泄漏的解决方案。因此，平屋顶开始取代斜屋顶，特别是在人口密集的城市地区，更好地利用建筑体量和省略复杂的屋顶结构，促进了大型建筑项目的创建。

20 世纪20 年代，在现代主义思想的影响下，体育和休闲设施开始出现在建筑物的屋顶上，如1923 年Giacomo Matte-Trucco 在意大利都灵的菲亚特工厂建筑上的测试电路，以及后来勒·柯布西耶在马赛公寓屋顶上设计幼儿园和大泳池。平屋顶越来越多地成为一种扩展功能的方式，而不需要额外的花费。这一趋势一直持续到今天，在人口密集的城市地区，平屋顶无处不在。

不仅如此，平屋顶除了用于休闲目的外，对城市园艺、城市绿化等也起到了重要作用。屋顶种植和建造花园甚至公园的可能性，正在促进这些空间的集约化利用，这些空间被整合到现有的景观中，从而用种植面积来补偿建筑下自然土地的损失。例如，洛桑联邦理工学院的新学习中心是日内瓦湖岸边的一个建筑景观（图1）；同样，法兰克福申德尔艺术博物馆的地下扩建部分也已经建成，以保留现有的内庭院作为绿色空间的品质（图2）。无论我们考虑的是斜屋顶还是平屋顶，不管它是被屋顶材料覆盖，还是作为种植屋面，对于整个围护结构来说，选择合适的屋顶形式是影响建筑形状的决定因素。屋顶不仅是建筑的必要附属品，而且是空间形成元素，影响着整体的设计。

图1 洛桑联邦理工学院的新学习中心（图片来源：来源于参考文献[3]）

图2 法兰克福申德尔艺术博物馆（图片来源：来源于参考文献[4]）

今天，材料和施工技术日益进步，这为建筑及其屋顶，乃至整个建筑围护结构的自由设计打开了大门。

2 影响“平”“坡”屋顶的选择要素

2.1 屋顶结构要素

2.1.1 屋顶结构的影响

“平”“坡”屋顶形状受其结构的影响而决定。屋面结构应在设计过程的早期阶段就融入到设计和施工中。在设计屋顶结构时必须考虑以下几个方面：

屋顶面积大小及施工跨度；施加的恒定荷载；来自当地气候条件的负荷，如风或雪；在建筑被安置在现有的旧结构上时，可用的轴承选项所施加的限制；材料产生的势能。

材料和施工的选择主要取决于现有资源、所需的承载能力以及空间和设计要求。屋顶结构的功能之一是支撑建筑抵御水平荷载(风、地震、承重)，屋顶本身也吸收水平荷载。这意味着屋顶平面必须有足够的刚度，以使力传递到承重点的结构系统。

2.1.2 屋顶结构荷载的影响

屋顶结构上的荷载可分为恒定荷载和外加荷载。恒定荷载包括结构本身和结构所承载层的重量，如子结构、屋顶、隔热层和安装设备，如太阳能集热器或绿植屋面。

大风、雨雪不仅在水平方向上对建筑产生影响，还会通过吸力、负压等作用在建筑上产生向上的作用，对建筑产生特定的荷载。根据建筑物的高度和地理位置的海拔，作用在建筑物及其屋顶上的风力可能是极端的。风荷载随风速增大而增大。在沿海地区，风速明显高于内陆地区，这意味着建筑表面的风压增大。在极端情况下，风完全水平地影响建筑物。

坡度约为30°到35°或更大的屋顶迎风面会受到风压的影响，同时屋顶背风面也将会受风的吸力影响，需要在屋顶上应用一种拉力材料。因此，屋盖材料的选择及固定方法（例如钉子、风托）必须设计成能同时抵消吸力。在受压区域（例如在悬臂下）和有开放围护结构的建筑物中，屋顶可能受到向上的力，或相反的，当风从其下方流过时，屋顶可能受到向下的力。当风在建筑物的边缘周期性地中断时，就可能出现带涡流的负压。风也会影响到外墙的顶部、建筑边缘的密封装置和组件（屋檐、闪光板），这意味着这些部分必须根据位置和盛行风速进行设计（图3）。

图3 DIN1055 中的特定荷载对屋顶的影响（图片来源：来源于参考文献[5]）

因此，形式和结构之间的相互作用，影响着“平”“坡”的选择。

2.2 屋顶材料要素：

图4 展示了屋面材料之间的关系以及它们各自对不同屋顶坡度的适用性。在为某一屋顶形状选择屋面材料时，设计者必须检查所选材料是否具有足够的防渗能力。该图清楚地显示了历史上的屋顶材料，如稻草和芦苇，或普通瓦片，需要陡峭的屋顶坡度，而屋面膜和金属屋顶覆盖物的引入使平屋顶建筑在这种气候下成为可能。

图4 屋顶材料的不同坡度适应性（图片来源：来源于参考文献[5]）

屋顶材料如茅草、瓦、粘土或混凝土瓦只能铺在坡屋顶上，覆盖层如屋面膜和金属屋面材料也可以铺在平屋顶上。“覆盖层”一词指的是一种防水的表皮，而“覆盖层”的元素则被广泛归类为鳞片、用于倾斜屋顶的木板或薄板，这样就可以排走雨水。不透水性随屋面材料覆盖密度的增大而增大。木瓦和平面砖等屋面材料(有时称为单层覆盖层)与多层覆盖层相比有较大比例的开口接缝，提供的保护较少。

因此，在斜度小于20°的屋顶上采用任何水垢式覆盖方法，都需要额外的衬垫，以提供足够的保护，以抵御在冬季可能无法从屋顶排走的大雨和水。如果提供这样的衬底，这些材料也可以敷设在坡度低至大约11°的屋顶上。屋顶坡度越浅，对材料质量、构件尺寸稳定性和施工质量的要求就越高。这样的屋顶构件越薄，与相邻构件的配合越好，就越适合较浅的坡度。在板材和膜层的情况下，接头的质量尤为重要。然而,尽管平屋顶没有膜在理论上是可行的,建议轻微下降至少2%,最好是5%,为了防止水坑形成水洼,从而避免潜在的破坏,特别是在薄膜和薄膜的接缝处。

由此可见，屋面材料的选择也决定了屋面是坡顶还是平顶。

2.3 屋顶表现要素

技术发展带来的设计自由，特别是屋顶形状有了更多的设计表现。屋顶的形状是建筑的主要表现形式。住宅的原始形式仍然被许多人认为是带有斜屋顶的矩形建筑，这是由不同地区的不同文化传统所造成的。然而，无论是斜屋顶还是平屋顶，都有可能识别出类似的形式效果。带有大悬挑的屋顶保护了其下方的建筑结构，因此屋顶成为整体构成的主要表现形式，而不仅仅是一个附加元素，而没有任何悬挑的屋顶则突出了建筑体量的雕塑外观，这个建筑将会显得更加紧凑和封闭。

这些例子说明不同外观可以有意识地被用来达到不同的设计效果，特别是由于技术上的可能性取得突破，关于材料的限制已不再适用。建筑师密斯·凡德罗在他的展厅中使用的加法原则强调了一种艺术表现的形式，创造了有吸引力的和有区别的房间，并为平屋顶赋予了保护和连接的效果。建筑被简化为一个立方体的基本形状，它创造了一个无差别的封闭形状，紧凑的形状减少了空间多样性，创造了精确的几何图形。

因此，材料和建筑以及形式和用途决定了屋顶的形状，并暗示了一种强大的视觉表达潜力。

3“极光之家”住宅的屋顶分析

3.1 项目简介

“极光之家”住宅包括一个80 平方米的家庭住宅，通过一个30 平方米的庭院连接到一个50 平方米的小住宅。它从公共区域(庭院、客厅)到私人区域(卧室)，沿着南北轴线穿过房屋。平屋顶覆盖了一个绿色花园，并由太阳能的坡屋顶覆盖，兼有“平”“坡”屋顶（图5）。

图5 “极光之家”住宅效果图（图片来源：作者自绘）

3.2 屋顶体系

“极光之家”的屋顶系统有一个特点，它被分为两个独立的系统。第一部分是太阳能坡屋顶，被视为一种环境和建筑相互作用的特征，并在结构上使用的是木桁架系统。通过建立参数化结构模型，帮助分析不同的约束条件，如顶板曲率、倾斜和支架数量。另一部分的重点是主体建筑的平屋顶，它保护主体建筑不受外部环境的影响，提供绿植空间，剖面如图6，材料如表1。

表1 平屋顶材料（表格来源：作者自绘）

图6 平屋顶剖面（图片来源：作者自绘）

3.3 屋顶坡度与倾斜度分析

使用PVSOL 软件进行模拟，通过对顶板坡度和倾斜度的决策来优化顶板曲率。模拟的目的是找出屋顶倾斜和方向如何影响光伏能源的生产。总共对5 个场景进行了模拟。5 例的结果如下表所示（表2）。因此，在这些模拟中，假设采用了全光伏系统。在模拟中，整个屋顶区域被52 个光伏板覆盖。总共对5 个场景进行了模拟。这5 个案例的结果如下表所示。

表2 PVSOL 软件模拟的5 个场景（表格来源：作者自绘）

表2 清楚地表明，增加北坡，光伏系统的光伏能量受益最大。随着南北向坡度的增加，面板越来越朝南，这增加了光伏产量。这与光伏板放置的一般规则是一致的，即如果光伏板位于北半球，它们应该面向南。因此，在保持东西向倾斜不变的情况下，能源产量明显增加，南北坡度从4.4°增加到10°。因此，案例4比案例2 的性能好994 千瓦时/年，案例5 比案例3 的性能好960 千瓦时/年。从表格中也可以清楚地看出，更平坦的屋顶将提供更高的能源产量。当倾斜角度降低，屋顶更弯曲时，能量产生明显减少。这可以在比较案例2 和案例3 时看出，案例2 具有较低的东西倾斜，因此更平坦的屋顶结构将在一年多提供332 千瓦时发电量。而情况4 一年的发电量将比情况5多366 千瓦时发电量，且东西倾斜度更高。然而，与案例1 中东西倾斜度最小的平屋顶相比，其他的表现更好，这是因为案例1 中的光伏板面向天空，而不是向南倾斜，从而最大化了能源生产。

综上所述，分析得出的最佳案例是案例4，其光伏发电量最高，为23351 千瓦时/ 年。模拟结果为屋面结构提供了以下建议：最佳南北向坡为10° ( 越高越好)，最好的东西倾角为6.4° ( 越低越好)。

3.4 屋顶的荷载分析

太阳能结构安装在木屋顶板顶部，然后沿着东西方向卸载到木椽子上，木椽子依次卸载到桁架上，用钢索来使屋顶达到横向的稳定（图7）。太阳能屋顶向主楼屋顶传递荷载。通过分析，主楼屋顶通过16 个点来承接受到的结构荷载和特定荷载，这种方式最为合理（图8）。

图7 结构系统的视角（图片来源：作者自绘）

图8 平屋顶分布的荷载点（图片来源：作者自绘）

“极光之家”住宅实现了平坡屋顶的结合，坡屋顶进行参数化分析后，给予了太阳能板最大程度的能力获取，平屋顶可以实现绿植屋面，这是一个实验性的研究案例。

结语

“平”“坡”屋顶形状受到结构、荷载、材料和表现的影响和决定。屋顶的设计应在设计过程的早期阶段就融入到整体的设计和施工中，以满足对不同屋顶坡度的适用性，来达到建筑的整体表现形式。当下政策倡导了“环境友好型”建筑，太阳能板在坡屋顶建筑中的应用受到追捧，平屋顶具有屋顶平面的优势，本研究结合实验性案例，采用参数化分析的方法，在平坡之间找到一个平衡点，希望此类的分析方法可以为“平”“坡”形式的选择问题提供积极性解答。