組合式容器綠化在咸陽城區老舊樓房屋頂綠化中的應用

王軍利，仝玉琴，劉建海，張 濤，韓春妮，韓振江

（1咸陽職業技術學院，陜西咸陽712056；2咸陽市城建局綠化處，陜西咸陽712000）

0 引言

屋頂綠化能提高城市綠化面積、增加綠化量、降低城市熱島效應、減少噪音粉塵等污染、提高城市蓄水排澇能力，在中國有悠久的歷史，但其大發展卻是20世紀80年代改革開放后隨著國民經濟的進步而開始的[1-2]。目前，隨著人口的增加，環境壓力增大，中國及世界各地都在研究城市綠化問題，第五立面綠化之一的屋頂綠化在各國都蔚然成風，尤其在發達國家，屋頂花園、屋頂草皮等綠化形式的研究和建造方興未艾[3-4]。21世紀以來，中國不同地區的科技工作者都在該領域進行了多方面有益的探索和研究，取得了可喜的成果，屋頂綠化這種綠化形式已成為中國城市綠化構成的重要部分[5-10]，不少經濟發達的城市，已根據科技工作者的研究以及園林工程師們的實踐，制訂了其地區性行業標準[11]。

20世紀80年代改革開放開始時，中國的經濟比較薄弱。從那時開始到21世紀初，隨著經濟能力的增強，設計之初就考慮屋頂花園、屋頂綠化的建筑在中國慢慢出現，并已成為主流。而從20世紀80年代到21世紀初的大約30年間，中國各地都建造了大量的沒有考慮屋頂綠化的多層建筑，當前，這些建筑的社會存量很大，它們大都在3～7層之間，房齡約在10～30年不等。由于當時的經濟和社會條件所限，這些建筑在設計之初基本都未設計屋頂綠化的恒荷載，其樓房層數少、較低矮、平頂等特點很適合進行屋頂綠化的改造，但其有效荷載(pay load)有限，預留的積雪、雨水回流、建筑物修繕及維護等工作需要的活荷載(temporary load)低，又阻礙在其上建造重量較重的屋頂花園。隨著經濟發展和社會進步，城鎮化建設越來越快，城市體量越來越大，城市污染隨之加重，排洪防澇壓力逐年增大，開發這些老舊建筑的屋頂綠化成為需要。中國各地的科研人員開始在既有屋面綠化方面進行各種內容及形式的研究和嘗試，取得了一些研究結論，例如邊華英、管光堯、張杰等進行的一系列試驗[12-18]。然而，在荷載、熱值、蓄排水、降噪等方面基于量化的研究還較少[19-23]，專工容器式屋頂綠化的研究則更少，且鮮有量化數據支撐[24-31]。

因此，筆者為取得組合式容器綠化增加的荷載及其在降溫、降噪、蓄排水量等方面的數據，得出量化結論來科學指導實踐，而進行該研究。

咸陽城區地處中國西北，關中平原腹地。城區有很多建于20世紀80年代到21世紀初的樓房。這些樓房樓層低（多為3～7層），平頂，非電梯房，屋頂防滲為瀝青卷材，荷載(roof load)小，建造時間跨度大約30年。這種老舊樓房存量較大的老舊小區有：建設小區、中華小區、國棉一廠生活區、國棉二廠生活區、國棉八廠生活區、彩虹小區、偏轉小區、西橡小區、注劑廠小區等。根據項目組的實地調查，整個咸陽城區這種樓房的總量超過1500棟，總屋頂面積超過9×105m2。根據其地理位置和設計建造特點，很適合用來研究重量較輕的組合式容器綠化在老舊樓房上的應用。

1 材料與方法

1.1 試驗的時間、地點

試驗于2017年7—8月在咸陽市城區建設小區進行。試驗樓房為6層。樓房建于20世紀末，房齡21年。查資料得知其樓房屋面荷載為2.3 kN/m2，可用活荷載小于等于150 kg/m2。

1.2 試驗材料

本試驗所用的塑料容器（各種形狀及規格的花盆）購買于互聯網，木質容器為項目組根據項目需要，找木匠按項目組提供的尺寸進行制作而得；栽培基質購買于花卉市場；植物材料為咸陽職業技術學院植物園種植或扦插得來；試驗數據的測量儀器為咸陽職業技術學院儀祉農林學院園林及植物生理實驗室所擁有的相關儀器設備。

1.2.1 容器 本試驗用不同規格及形狀的網購塑料花盆、自制的木質花盆作為實驗容器。規格、形狀及數量見表1。

表1 實驗用容器（花盆）描述

1.2.2 栽培基質 栽培基質用普通園土、食用菌栽培廢料以及河沙混合配成，比例為：普通園土:食用菌栽培廢料:河沙＝3:6:1。3種基質混配后按2.5 kg/m3分別加入復合肥及干雞糞，翻勻，適量澆水，用塑料薄膜覆蓋，堆放60天，于6月初裝盆。

1.2.3 植物材料的準備 正式試驗進行之前的前一年（2016年）夏末，在規格為7cm×8cm×13cm（底口直徑×上口直徑×高）的營養缽中培養佛甲草、垂盆草、蔥蘭、紫花地丁等植物待用（紫花地丁用種子播種于春天）。

1.2.4 植物材料栽入試驗容器 2017年6月初，用堆放過的栽培基質裝盆，同時移植此前定植于營養缽中的實驗植物。栽培好后澆透水，此后進行為期50天的緩苗、養護。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 為取得組合式容器綠化增加的荷載及其在降溫、降噪、蓄排水量等方面的試驗數據，得出量化結論來科學地指導實踐，筆者利用佛甲草、垂盆草、紫花地丁、韭蘭等常用屋頂綠化植物，栽種在不同規格、形狀的塑料花盆及木質花盆內，形成容器種植，然后將容器栽培移到試驗屋頂上進行拼接組合，形成組合式容器綠化。通過一段時間的養護后，使其良好生長，然后在關中地區最熱的8月對其進行相關數據測定，定量測定其在既有屋面上增加的荷載、降溫、降噪、蓄排水量等數據，并據此對其綠化可行性及效果進行評估。

具體做法是2017年5月初，先在地面上，于容器內移植各種已在營養缽內培植好的試驗植物，待緩苗完成后，7月下旬將栽培好試驗植物的容器運往試驗小區，在試驗屋頂拼接建成組合式容器屋頂綠化試驗場地，然后正常澆水管理：每天早、晚各灑水15 min，做到澆后栽培基質基本水飽和，陰雨天不澆水。12天后，待容器中植物旺盛生長時，項目組開始有關試驗數據的測取。

試驗數據的測取于8月11—20日，連續10天進行。其中，暴雨時容器綠化蓄排水數據的測取，是停止澆水后，遇到連續4個晴天，于第5天（8月19日）人工模擬暴雨降水量進行自來水微噴測取，噴水量為16mm/h（暴雨降水量標準之一）。

試驗總荷載數據為：新鋪設的防滲卷材單位面積重量+水飽和后容器綠化平均單位面積重量。

1.3.2 試驗樓房的基本情況 試驗樓屋頂為平面，中央稍鼓起約5°坡，防滲措施為瀝青卷材。試驗用樓房的基本參數見表2。

表2 試驗樓房基本情況

1.3.3 組合式容器屋頂綠化建設過程

（1）第一步。清理、打掃屋面。將待用屋頂徹底打掃，檢查并評估其保溫、防滲層。

（2）第二步。加做防水層。為節約費用，加快工期，項目試驗未揭除原防水層，只在對屋面進行徹底打掃后，將新的一層瀝青卷材鋪設到屋頂上，接縫處用熱瀝青灌膠。在鋪設前對所用全部鋪設材料進行稱重，鋪設完成后，根據鋪設材料總重量及鋪設總面積，計算出新鋪設防滲層單位面積增加的荷載kg/m2。計算見公式(1)。

（3）第三步。拼接栽有成品植物的綠化容器，形成組合式容器屋頂綠化設施。拼接方式為隨意拼接，拼接原則為盡量在容器之間不留空隙。拼接完成后，試驗屋頂形成一層容器式屋頂綠化層。

1.3.4 試驗儀器 本試驗所用的主要儀器有：TPTRHDP-1溫濕度傳感器（浙江托普云農科技股份有限公司生產，精度0.1℃）；XK3150-300計重臺秤（上海英展機電企業有限公司生產，精度0.01 kg）；SL-5866多功能噪音計（長沙騰揚儀器儀表有限公司制造，精度0.1 dB）。

2 結果與分析

2.1 容器綠化產生的額外荷載

容器綠化能不能在屋頂綠化中被采用，其產生的額外荷載是否低于屋頂的可用荷載，這是決定因子。只有當容器綠化產生的額外荷載低于屋頂可用活荷載，屋頂綠化才有安全保障，才能進行。由于所種植的植物相同，容器中所利用的栽培基質的種類及厚度也相同，相比較而言，所有容器以木質容器最重，故試驗中測木質容器的相關數據，即為容器綠化所產生的最大重量值，所以，試驗時，為得到組合式容器綠化產生的最大總荷載，具體測法為：在植物旺盛生長時，對容器綠化澆透水，測木質方形容器綠化的總重量，除以容器的面積，得到組合式容器綠化所形成的最大單位面積重量，然后加上新鋪設防滲層增加的荷載而得。

即：容器綠化產生的總荷載(kg/m2)=旺盛生長著植物的木質容器水飽和重量(kg)/容器面積(m2)+新鋪設防滲層增加的荷載(kg/m2)。

實測1 m2旺盛生長著植物的木質容器水飽和重量為36.28 kg，1 m2裸露屋面新鋪設防水層重量為19.20kg，則容器式屋頂綠化形成的總重量為55.48kg/m2，換算成荷載即為：0.5548 kN/m2。見表3。

可見，組合式容器綠化產生的最大荷載0.5548 kN/m2小于屋頂的可用荷載1.5 kN/m2，設施增加的額外重量在安全范圍以內，其安全性有可靠的保障。此結果與韓麗莉所做的試驗結果基本一致[23]。

表3 容器綠化產生的額外荷載及安全性評估

2.2 降噪效果試驗

降噪效果測試的具體做法為：用電錘在屋頂鉆同批次建筑用紅磚形成噪音，用多功能噪音計對噪音值進行測定，紅磚平放于對照裸露屋頂及容器綠化的植物層上。距離鉆孔距離2 m處測取戶外屋頂噪音數據，頂層室內距離天花板1 m處同步測取樓頂室內數據，測室內數據時，所有窗戶關閉、窗簾閉合。試驗數據，見表4。

由表4可知，當屋頂戶外的噪音為105 dB時，建造了組合式容器屋頂綠化的樓房，其頂樓室內的噪音值為46 dB，降噪率為56.2%；而同時，同樣條件下，裸露屋面樓頂噪音值為101 dB，頂樓室內的噪音值為77 dB，降噪率為23.8%。對比可見，組合式容器綠化相對于裸露屋面，其更能降低約32.4%的噪音。由此可知，組合式容器綠化的降噪效果非常顯著。

表4 降噪效果測試結果

2.3 降溫效果試驗

2017年夏季，關中地區的連續高溫天數突破50年記錄。連續多日高溫，酷暑難耐。降溫效果測試于8月11日進行，當天預報氣溫為41℃，測試時間為14:30。測試結果見表5。

由表5可知；（1）在氣溫為41℃時，裸露屋頂的表面溫度可高達61℃，其相對應的樓房頂層室內溫度在關閉窗戶、關嚴窗簾、不采取任何降溫措施時，高達47℃。而容器綠化的植物層溫度只有37℃，其對應的頂層房屋室內溫度，在和空白對照房間采取相同的措施的情況下，室溫為37℃，可見，相對于空白對照室內的47℃高溫，其造成的相對降溫溫度為：47℃-37℃=10℃，降溫效果顯著。（2）容器式屋頂綠化，其屋頂和頂樓室內的溫度差幅度小，為0℃；而對應的空白對照，其戶外樓頂表面和頂樓室內的溫度差幅度較大，為61℃-47℃=14℃。（3）在樓頂，試驗時的即時溫度，組合式容器綠化屋面與空白對照的裸露屋面，溫度差為：61℃-37℃=24℃，由此可見，組合式容器綠化能大幅降低屋頂的溫度，對屋頂防滲、保溫層有很好的保護作用。（4）空白對照的室外屋面溫度與組合式容器綠化的室內溫度差為：61℃-37℃=24℃，可見，組合式容器綠化，能夠大幅降低室內溫度，增加居住的舒適度，節約用電，降低碳排放。

表5 降溫效果測試結果℃

2.4 蓄排水能力試驗

試驗在連續4個晴天、容器綠化一直未澆水的情況下，于第5日（8月19日）早上模擬暴雨進行。方法為自來水定量噴淋，試驗按照國家暴雨標準(16mm/h)模擬：調定微噴對裸露屋面及容器式屋頂綠化屋面進行噴淋。試驗數據顯示，56 min后，容器綠化基質水飽和，開始向外穩定淌水，形成的屋面徑流流向落水管。裸露屋面90 s形成屋面液流流向落水管。試驗時，容器綠化基質中仍含有水分，故測得其蓄水量為14.93 kg/m2，小于容器綠化層飽和蓄水量36.28 kg/m2。見表6。

由表6可知，在暴雨氣象條件下(16mm/h)，容器式屋頂綠化有遲滯排水峰值的作用，可推遲排水峰值56 min，相對與裸露屋面的90 s，遲滯作用明顯；同時，組合式容器綠化有截流、蓄積雨水的作用，試驗中，其截流、蓄存的水分為14.93 kg/m2，相對于空白對照的裸露屋面，既有截流水分、推遲排水峰值、蓄存水分等作用，還具有海綿城市的功能，同時又有緩慢釋放水分增加城市濕度、降低熱島效應、為容器植物提供生長所需水分、增加空氣濕度提高人居環境舒適度等功能。由此可見，其生態環保和社會功能顯著。

表6 容器綠化與裸露屋面蓄排水對比

3 結論

通過項目的一系列試驗研究，得出以下結論：（1）在未設計屋頂綠化荷載的老舊樓房既有屋面建設容器式屋頂綠化是安全的，其增加的荷載小于屋頂可用活荷載；（2）容器式屋頂綠化具有蓄水保水、抗澇防洪、降低城市熱島效應、增加城市綠色、降低污染、保護屋頂保溫防滲層、降低頂層公寓盛夏室內溫度等環境生態效益；（3）容器式屋頂綠化具有綠化快，容器拼接形成的植物圖案不會雜生、混長，從而圖案保持時間長，屋面檢測維護容易，沒有植物根系穿透屋頂的風險等優勢；（4）由于當前全國所有城市中都大量存在這種老舊樓房，有巨大的屋頂面積，將其進行容器式屋頂綠化等簡易綠化，可大面積增加城市綠化面積。因此，組合式容器綠化這種屋頂綠化措施有很大的推廣價值[26-31]。

4 討論

（1）本研究的主要意義在于解決了未設計屋頂綠化荷載的老舊樓房屋頂綠化的問題。中國現存大量平頂老舊樓房，由于其總量多、總面積大，對其進行屋頂綠化具有較大和較深遠的生態、經濟及社會意義。（2）未設計綠化用荷載的老舊樓房，能不能進行綠化、怎樣進行綠化，其前提是綠化產生的額外荷載是否低于預留的檢修、雨雪回流等活荷載。本研究的結論支持了這種樓房的屋頂進行組合式容器綠化的可行性，與管光堯、姚軍、柯思征等的研究結果可以互相印證[16,27,29]，同時，本試驗對樓房原設計荷載進行了查閱，并將其與試驗結果進行對比，得到的結論更加科學。（3）本試驗的蓄水、遲滯雨水排放峰值與曹金露、張華的試驗結果相互印證[22,26]，同時，本試驗對遲滯水量進行了量化測量，對組合式容器綠化的海綿城市功能進行了量化論證。（4）本試驗未對容器式灌木和喬木進行相關的試驗。部分不太高大的喬、灌木是否可以在老舊樓房的綠化中應用，以及隨著時間的推移，由于其生長而增加的荷載量是否接近甚至超出活荷載等，這些試驗會增加綠化植物及綠化形式的可選性，今后應在這一方面繼續進行相關試驗。

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