基于摩西·萨夫迪建筑设计理念下的寒地屋顶花园设计探索

2022-10-25徐强吉林建筑大学建筑与规划学院

建筑与文化 2022年10期

文／徐强吉林建筑大学建筑与规划学院教授

方箫屿吉林建筑大学建筑与规划学院硕士研究生

引言

人们的生活是越来越好的，那么相应的，我们所需的居住以及工作环境也需要随之提升，我们对工作与居住环境的需求也在增加。因此，增加城市绿地面积，改善日益恶化的生态环境势在必行。作为城市绿化的主要组成部分屋顶花园，已逐渐成为构建城市都市生态体系的一种重要趋势。但是由于北方寒地地区的特殊气候的限制，屋顶花园在寒地地区没有普及，本文针对此现状与问题对寒地地区屋顶花园做出设计探索。

1 摩西·萨夫迪建筑设计基本理念

摩西·萨夫迪（Moshe Safdie，加拿大籍以色列裔建筑师）对自然和城市历史文脉的重视也始终反映在他的建筑设计中，除此之外，还考虑了社区的经济发展以及城市规划。他表示，在这么多年的发展中，对于环境、城市秩序等方面，人们的重视程度越来越深，且对于我们的影响也是越来越大。所以，萨夫迪所设计的建筑作品都秉承着以人为本的设计理念，即与自然和谐、与自然结合。他曾认为：“人类的理想是回到大自然之中。”[1]所以在未来建筑设计的过程中，提出的主要设计方案都应该综合场所特点，利用其特点优势改造劣势。

建筑与景观并非是两个孤立的个体，它们彼此依存、包容、补充。只有通过二者的融合，他们才能实现协调发展，从而走向对人们最有利的方面，建筑通过框柱景观来衬托自己，景观也通过建筑更加完美[2]。如何把建筑物与自然景观融合，在中国古代庭园里也就开始有了它自己的手法，人们一方面用人工的方式来造园，一方面又强调了大自然，并根据人类的审美观和思维对大自然加以再创作。并且，人们在选取建筑物的地点之时，一方面又顺应了天然地貌及其自然环境，从而使建筑物和大自然达到了统一。例如由萨夫迪建筑事务所设计的秦皇岛海碧台，采用了创新的元素，如空中连接走廊、楼梯退台和空洞的建筑，创造了一个现代、开放和多样化的环境，让城市、建筑和景观紧密结合。

建筑设计和自然景观融合的主要目的是使建筑设计与自然景观融合在一起，从而创造出更为积极和愉悦的创新环境，甚至是自然环境中与人相互依存的创新环境。建筑的设计和自然景观必须互补、相互参考、相互协调，实现单体与自然景观环境的共存与融合[3]。

2 国内外屋顶花园的发展现状

2.1 国外屋顶花园的发展历史及现状

在国外，屋顶花园早在公元前2000 年左右时就已经出现。亚述古庙塔的建造者为古代苏美尔人，建造位置是幼发拉底河，这个塔又被称之为“大庙塔”，因为花卉栽种在塔体而不是塔“顶”上，这就是将其作为国外屋顶花园起源的原因。古巴比伦的“空中花园”是我们所认为的名副其实的屋顶花园，这是在约公元前500 年的时候发现的。在之后，国外屋顶花园得到持续发展，如德国、日本在近半个世纪关于屋顶花园的技术提升以及植物栽种方面有了较大的突破，并建立了较为系统、精湛的体系，成为了全球屋顶花园的领头羊[4]。

2.2 国内屋顶花园的发展历史及现状

我国屋顶花园的兴起时间较晚，因为中国古代建筑物一般为木质坡屋结构而不容易进行绿化栽植，再加上木结构的结构以及对土质和花卉的承重又成为了古代屋顶花园施工的一个难点。所以，在中国古代营建屋顶花园的情况极少。在春秋时代，吴王夫差就派人在台湖边地区修建了高度可以上人的姑苏台（图1）；从《古今图书集成》中我们可以了解到，针对植物的栽种，早在古代南京的城垣就已有记录，明朝时在山海关种植了松树和橡树；清朝乾隆二十年（公元1755 年），将一些花卉种植在了河北承德普宁寺大乘阁的平台上，这些平台的建筑结构为砖石，对于我国古代的屋顶花园，可将此看作是雏形。

近年来，由于经济的快速发展和相关的城市环境问题，越来越多的人意识到创造可持续景观的重要性，提高人们的生活质量、改善城市环境、维护生态环境逐渐成为屋顶绿化的目标，生态技术和措施开始在中国被采用，对利用屋顶空间进行了相关研究，其中北京、上海实施得较早，之后，其他一线城市也陆续开始屋顶花园的实施。

3 屋顶花园的作用与效果

3.1 促进建筑节能

在北方，作为夏季节能高效隔热方法的屋顶花园能够降低到达屋顶的太阳辐射强度，使室内的热量能够相应的减少，以下各项因素能够对屋顶接受太阳热量造成影响：（1）屋顶植物叶子的大小；（2）所用土的厚度。在这个阶段，国内和国际的共识是植物所吸收的阳光的热量是绿色屋顶对结构层的主要热保护[5]。在冬季，尤其是北方这种寒地地区，屋顶花园的绿化可以很有效地对室内进行隔冷、保暖，对消减寒冷起到极大作用。因此，屋顶花园可以对建筑设备和室内环境的能源效率作出重大贡献。

3.2 改善环境

屋顶花园从许多不同的角度和方式来改善城市和环境，但主要有以下几个方面：

（1）缓解城市热岛效应，在大规模城市中，路面以及建筑坚硬物料的表层将会吸附更多的太阳辐射，排放在城市环境中，再加上建筑区域较密集的建筑影响了室内空气流通，从而降低了热能转换，因此易于产生热岛效应。在中国，都市屋顶部分也是一个尚未被开发利用的重要空气资源区，对都市环境和城市交通的热岛效应形成了重要的影响。在任何一座中大型都市修建屋顶花园，都将会增加20%左右的植物绿化面积，也就等于提高了很多暴露在屋外的植物绿化比例，从而提高了都市吸纳阳光热量的能力，都市植被面积平均每提高约10%，热岛效应温度就会平均下降约0.6℃，极大地缓解了城市热岛效应。

（2）降温增湿，改善周围环境。天台花园在夏季时能够明显降低钢筋水泥构造和砖石构造等建筑房顶的昼夜温度，进而减少因建筑外墙热胀冷缩所产生的龟裂，因此天台花园对降低附近建筑环境的温度效应尤其显著。而按照屋顶花园的设计规格以及当地的气候情况，这种降温效果通常能够做到在零下5℃～4℃左右，绿色植物可以通过遮挡阳光曝晒、提供浓荫以及将自身水份挥发来降低附近温度。水蒸发的效果在下午、晚上和清晨最大。植物进入休眠期时出现的热应力也会对人体产生重大的负面影响。因此植物夜晚的降温效果非常重要。

城市的重要大气环境污染，如（PM2.5）、可吸收粒子（PM10）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）、一氧化碳（CO）等大多来源于城市工业生产和交通运输，长时间接触此类气体可引起肺部问题和心血管疾病。屋顶花园中的小花草，具有滞留室内空气中的灰尘、杀菌、吸收有害气体、提高空气负离子能力、降低噪音等功能，让城市居民的健康指数显著提高。

（3）城市的生物种类因屋顶花园而更加丰富，有利于鸟类等的栖息，为保护生物多样性作出贡献。

3.3 蓄积雨水

中国城市水资源环境问题为资源匮乏、水旱灾害频发，城市水资源主要来自于大气降水，尽管城市水资源数量相当充足，位居全球第六。但是由于中国人口众多，平均占有的水资源量仅有2300m2，远达不到全球平均占有水量的四分之一，被评为贫水资源大国，特别是中国北方地区耕地较多，水量不足，而这些地方60%～80%的降雨量都集中于夏季，因此，洪水和干旱等自然灾害频繁发生。

解决中国城市环境中的内涝问题，节流才是重点。屋顶花园在不同时节吸纳雨水的性能也有所不同，在夏季时近100%的雨水都能被吸纳，在春秋二季时只有40%～50%，而在冬季时则只有10%～20%的雨水被吸取，已经大大超过了传统建筑中接近于零的吸收系数。

4 屋顶花园在寒地普及过程中所面临的问题

4.1 屋面荷载

屋顶花园首先要满足的是安全问题，其次才是效果以及美化，屋顶花园需要满足人群活动、屋顶防水保温层、雨雪堆积和各类景观小品的承重，如雕塑、植物、铺装、景观池等等，一般屋顶花园的荷载应≧6.0KN/m2。北方寒地地区老建筑材料比较多，在当初的建筑设计工作领域方面并未充分考虑将来建造屋顶花园的需要，所以既无法达到大型建筑物屋顶花园的设计荷载条件，而且要对这种老旧建筑加以改装的成本费用也过高，这都形成了不利于推行屋顶花园发展的因素。

4.2 屋面防、排水

防水层、排水系统是建造屋顶花园的关键，尤其是在寒地地区，冬季降雪量大，防水层以及排水系统的设计是个难题，由于这些原因，在寒地地区结构层的建造要比南方地区更加苛刻。

4.3 植物的选择与栽种

因为在北方地区屋面影响着植物生长发育的自然环境条件也比较多，比如空气成分、光线、气温、风速等生态因子都很大地影响着植株的生长选择，以及景观观赏性，而且土壤的深度可能无法提供大树生长的自然环境，景观设计可能导致屋顶负荷和排水问题。因此，选择最适合北方景观特点的绿色植物很重要[6]。

4.4 四季屋顶景观的创造

北方地区四季差距很大，尤其是冬季植被景观消退，人流急剧下降，呈现出静态景观，如何在寒冷的气候条件下丰富冬季景观，创造有吸引力的场所，是寒冷屋顶花园景观的区域特征的转折点。

4.5 缺乏强制性政策法规

目前，有关屋顶花园相关方面的国家政策性文件已经在各地方均有颁布。比如，上海地区市于2007 年1 月颁布的《上海地区市园林绿化管理条例》是目前为止国内唯一将屋顶花园载入地区性政策的法规；另外《上海市节能省地型住房适宜科技发展指引》将屋顶花园、垂直绿化等列入了项目计划层次。在市一级层次，上海市静安区人民政府发出《对于上海市静安区楼顶园林绿化具体实施若干意见（试用）的通告》；2010 年，广西壮族自治区政府颁布《有关落实“绿满八桂”造林绿化方案的若干意见》；2011 年，北京市政府发布《有关开展城市空间立体绿化工程建设的若干意见》；还有成都市下发的《成大都市楼顶园林绿化及垂直园林绿化技术导则》[7]。不过在寒地地区这一类规定相对较少，且相较于地面园林绿化，屋顶花园的各个方面都相当高，包括施工、运营等，因此屋顶花园的落实是较难的。

5 屋顶花园在寒地普及中问题的解决方法

5.1 减轻荷载与合理布局

在进行建筑物结构设计之前，就应当优先考虑屋顶构造，因为不同的建筑构造、屋顶形式所能承担的负荷都是不同的，所以在进行屋顶花园设计中的整体负荷分析时，就必须要针对实际状况测算出屋顶的全部负荷，包括屋顶构造墙体自重、防水涂料、找平层、保温隔热层和屋面场地铺装等。此外，景观设计应以减少屋顶的承载力为原则，例如，在植物环境和建筑元素中使用轻质和坚固的建筑材料。而且，水体的设计需要减少水体的体积，使水体的深度变浅，减少水的积聚。当景观设计遇到不可避免的过度集中负荷时，应考虑对现有建筑结构进行统一规划，把较重要的物件设置在建筑主梁、柱子、承重墙等主体承载结构上，或是在这些主体承载结构的周围，以增加安全系数。

5.2 有效的防排水措施

种植屋面的各结构等级一般分为：植物层、隔根、保湿、过滤、种植层、防渗层、原建筑顶（图2）。在屋顶花园结构设计时复杂的主要是防水层和排水层。

5.2.1 防水

国家在《种植屋面工程技术规程》中规定，屋顶花园的防水层应至少由两层组成，最顶层的防水对植物根系是不渗透的。两个防水涂料之间须相连，与用于防水工程的材质也必须兼容。这是因为植物的根系非常坚韧，具有强大的渗透力。因此，除了正常的防水措施之外，还需要有一个抗根穿透的防水工序。防水是屋顶花园的技术关键。目前，中国大多数建筑物屋顶的防水工程共分三种，分别是柔性卷材防水、刚性建筑防水和涂膜防水工程。

柔性卷料防水屋面是用防水卷料和黏连剂组合在一起，以产生连接紧密的结构面层，从而实现了屋顶防水的目的，而柔性卷料防水屋面的好处则是可以应对高温、震动、不平衡沉降等各种因素的变化。最适合的防水级别为Ⅰ-Ⅳ层（表1）的屋面防水，但阻根效果不理想。

表1 屋顶防水等级划分（表格来源：作者自绘）

刚性防水屋面是指在房顶上铺砌50mm 厚以上的细石砼，一般内置双向钢筋直径，有时在砼中加入了适量的微膨胀剂、减水剂、保护剂等外加药，能够大大提高耐久性，抗渗透性能，由于刚性防水层较为牢固，因此一般可以避免对植物根部的水渗入，好处是施工简便，且结构简洁，费用也较低廉。缺陷是建筑材料易于断裂，对温度变化的抵抗能力较弱，同时由于建筑材料本身比重也很大，增加了屋顶自身的比重，因此这种建筑防水屋面通常作为中国南方地区建筑防水级别为Ⅲ层的建筑屋面防水，也可能用作建筑防水级别为Ⅰ-Ⅱ多层防水工序的其中一层。

屋顶防水材料是应用于建筑物屋顶基底的多层防水建筑材料，由建筑材料的天然不渗透性来保护干燥和固化。其主要优点是防水、粘性强、耐腐蚀、耐老化、延展性高、弹性好、安装方便。主要用于室外建筑的III、IV 级防水，也可用于多层I-II 级防水。在一般层加涂膜的防水层上多采用具有抗植物根系渗透能力的材料[8]。

5.2.2 排水

为了确保水资源的合理使用，屋顶花园内必须考虑蓄排水设施，如果排水系统不够完善，水量囤积在地表以及植物土壤里，那将直接影响到防水问题以及屋顶荷载。所以迅速排涝非常关键，方式通常是利用排水管沟、雨水斗、落水系统或者虹吸排放，也可以采用塑料制品的回蓄排放，这种材料的优势在于它的高抗压性和快速排水，以及它的重量轻，可以减少屋顶的负荷。除了溢流孔和天线外，还需进行排水管和排水沟的设置，使得有暴雨天气的情况下所需的要求得到满足。疏通、清理也需要在一定的时间内进行。

5.3 选择适宜的植物种植

由于寒冷地区的气候，有必要选择适应气候同时又具有美感的植物。根据寒地特性选出了几种适宜的植物：（1）选择耐寒、耐旱植物；（2）选择耐风和耐水的植物；（3）选择喜光、根系浅、耐贫瘠土壤的植物；（4）选择耐修剪、易种植、有良好生存潜力的植物；（5）选择地域气息浓厚的植被；（6）选择能抵抗和吸收空气污染的植物。建议在女儿墙和景观墙体的周围栽种攀援花卉，以构成绿色立体绿化，如攀爬虎、紫藤、常春藤等[9]。