基于環境效能的屋頂綠化研究性設計
——以同濟大學屋頂花園為例

董楠楠 吳靜 石鴻 任震

2017年3月，國務院參事、中國城市科學研究會理事長仇保興提出了“立體園林”的重要性與其功能，指出立體園林是高密度城市中改善城市景觀和提高生態多樣性的有效途徑，是新時期生態文明建設實施的重要舉措。高密度城市中，城市地面綠地減少，促使綠化向立體空間延伸，屋頂綠化成為增加城市綠化覆蓋率、緩解城市能源和生態環境問題的有效措施之一[1-2]。屋頂綠化具有改善城市熱環境、緩解城市雨洪問題[3]、保護城市生物多樣性、美化城市等環境效能[4-5]，同時研究表明，城市綠色空間降低城市室外溫度的效能作用對居民健康具有積極影響[6]。

1 SCI文獻的研究方向隨時間的變化The research area of SCI literature changes over time

2 文獻關鍵詞數量分布The quantitative distribution of keywords

3 研究性設計的閉合流程圖The closed flow chart for research-oriented design

4 基于效能的風景園林全生命周期設計流程The life cycle design process of landscape architecture based on environmental efficiency

屋頂綠化建筑節能、改善城市微氣候等環境效能與建筑周圍的物理環境和氣候條件有較強的關聯性[7-8]。為使屋頂綠化更易于適應復雜的城市環境并盡可能地提升其環境效能，在屋頂綠化方案設計時引入了研究性的設計方法。

1 屋頂綠化研究性設計

1.1 研究性設計

研究性設計是一種借鑒科學研究模式去完成屋頂綠化設計的方法，強調設計過程的邏輯性、合理性[9]。屋頂綠化的研究性設計對于多專業交叉，尤其是生態、環境與工程科學的交叉提出了較高的要求。

筆者借助科學引文索引（SCI）數據庫，使用主題詞“green roof”“roof garden”“vertical greenery”“green facade”，檢索國際上發表的屋頂綠化英文文獻，文獻分析結果表明，當前屋頂綠化技術主要依托生態環境學、工程技術、農學等學科平臺，反映出當前國際實踐前沿領域對于城市生態、綠色技術和都市農業發展方向的巨大關注。

隨著屋頂綠化的廣泛實踐，工程技術趨于成熟，對屋頂綠化的研究重點逐漸轉向環境效能（圖1）。近幾年的研究主題集中于屋頂綠化的環境效益（圖2），如熱舒適、雨洪調節、雨水循環利用、太陽能利用、生物多樣性等。因此，以提高屋頂綠化環境效能為目的進行研究性設計時，設計基于研究熱點，在屋頂綠化的全生命周期基礎上，加入環境效能的科學分析，形成“預研究、深化設計、效能評估”的設計閉環流程（圖3）。

1.2 全生命周期評價

屋頂綠化全生命周期評價是以控制成本、提高效益為目的，以全生命周期優化理論和方法為主要依據，協調組合項目各種要素，實現增加屋頂綠化的環境效益以補償成本[10]。筆者將屋頂綠化項目的全生命周期過程分為初步方案設計、深化設計、施工、維護管理和效能評估5個階段，在初步方案設計階段充分考慮并利用環境因素，確保施工和運行維護過程中對建筑的影響最小，屋頂綠化的活動空間和種植區布局合理，以及運行階段的環境效能盡可能高。

眾多研究表明，屋頂綠化可以延長屋頂壽命[11-12]，一般認為，綠屋頂的平均壽命是傳統屋頂的兩倍[12]22。國外研究一般將綠屋頂的全生命周期假定為40～50年，如Susana Saiz[13]、Sproul Julian[12]22、Nyuk Hien Wong[14]等以40～50年為屋頂綠化的全生命周期，分析其經濟效益。筆者取其綜合水平，假定綠屋頂的全生命周期為40年，以分析評價設計方案中綠屋頂的環境效能和綜合成本。

2 研究性設計方法

方案設計階段，在效能層面進行的現狀分析能合理指導初步方案設計和方案優化。經過修正之后，得到盡可能最優的初步方案，為后續的詳細設計奠定基礎（圖4）。

2.1 預研究

預研究是在掌握設計建筑屋頂情況之后，對設計中的限制條件做出專項研究與分析，進而提出解決方案的過程。屋頂的立地條件是決定屋頂綠化功能分區和植物選擇的限制因素。與地面綠化相比，屋頂綠化除了景觀和植物栽植外，還需考慮屋面荷載和防水、排水等設計施工[15-16]，和防風固定、日照、灌溉等植物生長環境等問題。在確定屋頂荷載和屋面防水滿足建設要求后，利用軟件模擬建筑屋頂物理環境，以指導屋頂綠化的植物分區和景觀布局。

2.1.1 場地現狀分析

1）屋面荷載。預先調查或測試建筑屋頂荷載，根據屋面荷載，將屋頂綠化類型分為草坪式、花園式和組合式。精確計算出屋頂綠化所增加的荷載值，包括屋頂綠化防水層、排（蓄）水層、過濾層、種植基質和植被層[17]。此外，還須注意植物生長所增加的荷載，降雨后屋頂綠化蓄水所增加的荷載，以及上人后增加的荷載等。

2）屋面防水。屋面防水是決定屋頂綠化成敗的至關重要的因素。一旦屋頂發生滲漏，則會直接影響建筑安全。根據《種植屋面工程技術規程》（JGJ155—2013）和《屋面工程技術規范》（GB50345—2012），屋頂綠化防水層應滿足一級防水設防要求，且需進行二次防水處理，即在普通防水層基礎上增加耐根穿刺防水層。

2.1.2 初步方案設計

1）風環境模擬。風速與屋頂的位置與其周圍環境有關，尤其是屋頂的邊緣和屋頂的角落，致使局部區域的風力分布相差大，植物受風的影響程度相差也較為懸殊。通過模擬屋頂風環境，得知空間整體或某區域的風環境條件，從而合理地進行植物配置（如風速大的地方不宜栽種易倒伏或淺根系植物，或者栽種抗風性強的植物等），以及合理地組織功能空間（如避免使用者在體感不舒適的區域停留，或者通過設計擋風/引風等）。

2）日照模擬。日照是影響植物生長的重要因素。光照強度和光周期深刻影響著植物的生長發育，根據屋頂光照條件合理選擇植物類型，包括陽性植物、陰性植物和耐陰植物[18]。部分屋頂位于高層建筑屋頂，直接暴露在日照環境中；有些屋頂位于低、多層建筑或裙樓之上，與周邊建筑鄰近，日照時數有限。通過日照模擬，得出屋頂不同時節中日平均輻射情況，指導種植空間布局和植物種類選擇（如在相應的位置選擇喜陽/耐陰植物），以及安排活動空間功能（如避免使用者在烈日下暴曬，或設計遮陰設施）。此外，通過對日照模擬分析，可直接利用陽光進行造景設計。

2.2 深化設計

深化設計是在基于現狀和景觀布局之上，對景觀元素細節進行專項設計。除關注工程上的設計細節、保證方案的合理性和實施性以外，還要從環境效能出發，考慮屋頂綠化對城市生態的改善作用，并進行水系統設計、種植設計和建筑節能設計等專項設計。

2.2.1 建筑節能設計

綠屋頂由于其基質層和植物的共同作用而具有保溫隔熱效果，從而降低了建筑能耗。基質層厚度和植物的葉面積指數是影響節能效果的主要因素，通過屋頂種植設計，選擇適宜的植物、增加土壤厚度，有利于提高建筑的節能效果。此外，在屋頂上增加太陽能光伏發電系統，可進一步降低建筑的能耗。

2.2.2 雨洪調節設計

屋頂綠化可吸收和滯留部分雨水，延遲雨水在地面的匯聚時間，從而減少城市管網的瞬時徑流壓力。根據所在地區的降水數據和屋頂的排水系統模擬屋頂的降水—徑流模型，基于模擬數據進行合理的鋪地設計和種植設計，加強屋頂綠化對雨水的截留作用。除此之外，利用豎向設計引導屋面徑流，可提高排水效率；完善蓄排水系統，可使屋面雨水能有效地循環再利用。

2.2.3 生物多樣性設計

城市化是生物多樣性降低、外來物種入侵和本地物種滅絕的重要原因，城市的快速發展改變了生物多樣性的分布格局和功能。在深化設計階段，綜合考慮建筑高度、灌草面積、綠化開放度、植物復雜性等[19]，結合屋頂綠化的立地條件分析研究與效能研究，搭配適宜的植物種類，建造屋頂綠化，擴大潛在棲息地并加強其連通性，以便于最大限度地提高屋頂綠化的生物多樣性。

2.3 效能評估

效能評估是景觀可持續的一個環節，是檢驗設計目標效能優化結果的步驟，是對景觀更新設計的前期分析。在屋頂綠化建成之后，利用模擬或實測手段評估屋頂綠化的環境效能，如調節雨洪、改善城市微氣候、建筑節能等，評估結果為后續的景觀植物更新與布局優化提供依據。

3 同濟大學Joy Garden屋頂實驗花園

3.1 案例簡介

Joy Garden屋頂試驗花園建成于2016年，是屋頂綠化研究性設計的實踐成果，其位于同濟大學南校區一棟3層建筑的屋頂（圖5），四周被高層建筑包圍，距離地面高度約11 m，地上一層為餐廳，地上二三層為商務辦公區。屋頂可使用面積為150 m2，長23 m，最寬處8.22 m，最窄處4.47 m，形狀為不規則的長方形（圖6）。

3.2 項目預研究

1）項目所在建筑屋頂為可上人屋頂，項目功能需求包括休憩活動、教學參觀、實驗研究等。根據荷載測試結果，其可建屋頂綠化類型包括組合式和草坪式。2）按照屋頂綠化相關規范要求來設計防水層、蓄排水層和過濾層等結構層，在保證屋面防水和排水安全的前提下進行屋頂花園的預研究，包括風環境、日照條件模擬與其設計策略。3）基于預研究的設計策略初步設計出3個方案并進行方案評價與決策。

3.2.1 風環境模擬與設計策略

為了能夠精確了解屋頂的風環境，在設計之前利用WindPerfectDX軟件進行風環境模擬，還原現場條件。首先，對屋頂花園所在建筑圈定一個范圍，進行現場踏勘，將建筑實際的布局和高度反映到模型中（圖7），模型區域為314 m×266 m×88 m（x，y，z），根據《綠色建筑評價技術細則（2015）》相關要求，確定模擬邊界計算尺寸為1 370 m×13 70 m×600 m（x，y，z），中心區域網格尺寸設置為2 m×2 m×1 m（x，y，z），網格數量超過500萬。上海屬于亞熱帶季風氣候，3—8月盛行東南風，風力普遍在3～5級，但也會受到沿海臺風影響，風力最大達到8級；9—10月盛行東北風，風力基本維持在3～5級。11月至次年2月盛行西北偏北風，風力約為3～6級。因此，利用WindPerfectDX模擬的區域最大風速為17 m/s（8級），屋頂花園所處環境風速均低于5 m/s，因此，以最大風速5 m/s的西北風模擬實際項目風環境（圖8）。

屋頂風環境模擬結果表明，周邊建筑對項目所在屋頂起到了擋風墻的作用，特別是西側建筑于冬季阻擋了大部分西北風。根據風環境模擬結果，將西側作為使用者活動區域（圖9），以便于最大限度地降低大風對人的影響；屋頂其余區域則作為景觀種植區域。

3.2.2 日照模擬與設計策略

5 項目基本情況The basic situation of the project

6 項目屋頂輪廓平面圖The roof plan of the project

7 建筑布局模型Building layout model

8 區域風速分布圖Regional wind speed distributing map

9 屋頂花園風環境模擬與功能分區Wind environment simulation and functional division of roof garden

在風環境模擬基礎條件下，利用Sketchup進行日照模擬分析。春分、秋分、夏至和冬至是一年中日照發生變化的轉折點，其中夏至和冬至分別代表了一年中日照時間最長和最短的一天，因此利用Sketchup對2016年的春分、秋分、夏至和冬至進行日照模擬，模擬時段設定為06：00—18：00（圖10）。

項目所在建筑均低于東西兩側的建筑，且建筑之間的間距較小，較大地影響了屋頂的日常采光。根據日照模擬結果將區域劃分為光照區和陰影區。結合風環境模擬結果，將光照較好的區域作為活動空間，種植設計時考慮喜陽植物，增加花園入口的色彩感；將光照不好的區域作為通行道路以及功能區，設置園路、工具箱等設施，種植設計時，考慮耐陰植物，保證區域的綠量和層次感。

3.2.3 方案評價與決策

結合屋頂風環境和日照模擬結果，以及屋頂花園的功能性，將種植區域定為70 m2。一般而言，綠屋頂的建筑節能和雨水滯蓄作用等環境效能是基質層和植被共同作用的結果，基于此，本文筆者初步設計出3種方案（圖11）。方案A：基質層厚度達30 cm，種植植物以小灌木為主，輔以草本植物；方案B：基質層厚度為18 cm，植物以草本為主，輔以宿根花卉；方案C：基質層厚度為10 cm，主要種植景天科草本植物。

1）從屋頂荷載來看，3種方案的荷載由小到大依次為方案C＜方案B＜方案A。屋頂荷載安全是首要考慮的因素，考慮到屋頂花園的功能需求，方案A存在較大安全隱患，不符合項目實際需求。

2）從綠屋頂的生態效益分析，增加基質層厚度可有效延緩初始徑流時間和徑流洪峰峰值[20]、增加蓄水總量。據肖敏的研究結論[21]，當土壤厚度小于30 cm時，隨著土壤厚度的增加，綠屋頂的隔熱節能效果增加較為明顯，此外，灌木比草本類植物的隔熱降溫效果更好，其節能效果也更強。因此，3種方案的節能效果和雨水滯蓄性能由強到弱依次為：方案A＞方案B＞方案C。從生物多樣性考慮，方案B的植物種類和復雜性高于方案A和方案C。此外，方案B的觀賞性強于其余方案。

3）從全生命周期角度分析，方案A的建設成本稍高于方案B和方案C。方案B和方案C以草本植物為主，養護簡單；方案A的植被為灌木，其需要投入更多的養護時間和成本。因此，綜合成本由高到低依次為方案A＞方案B≈方案C。上海尚未征收雨水排水費，目前綠屋頂的經濟效益主要為建筑節能效益，依次為方案A＞方案B＞方案C。

綜上所述，方案A的安全隱患較高，不適用于本項目；全生命周期內方案B的環境效能高于方案C，且其觀賞性優于方案C。因此，項目方案最終定為方案B。

3.3 項目深化設計

3.3.1 建筑節能設計

通過預研究的分析結果，梳理出初步設計方案（圖12）。為節約電能，該項目在屋頂安裝太陽能光伏發電系統。結合屋頂日照模擬結果，將其置于陽光最為充足的地方，以滿足屋頂花園的用電需求。

3.3.2 雨水滯蓄性能設計

由于屋頂花園處于建筑頂部，排水系統相對獨立，在深化設計中，對該屋頂花園的雨水收集和處理系統進行了專項研究。為了實現屋頂花園雨水收集與再利用功能，通過場地調研，初步構想雨水儲集箱的位置，并通過豎向設計控制屋頂分流和徑流方向，在雨水充沛的時候充分收集雨水，將多余的雨水通過建筑排水系統排走。利用SWMM（Storm Water Management Model）軟件模擬估算上海降雨條件下雨水收集系統的儲水量，從而合理設計儲水箱的尺寸。

10屋頂花園日照模擬結果Simulation results of sunshine in roof garden

11依據風環境模擬和日照模擬結果初步設計的3種方案Three design schemes based on wind environment and sunshine simulation results

12屋頂花園初步設計方案Preliminary design of the roof garden

13 雨洪模擬SWMM of rainfall flood simulation

14熱成像儀的屋頂花園與周邊屋頂溫度對比圖Temperature comparison between the roof garden and surrounding roof under the thermography

根據初步方案的場地設計，將屋面按照下墊面材質劃分為3個匯水區，在SWMM中建立雨水匯集模型，模擬屋頂花園匯水過程（圖13）。模擬的儲水箱深度約為0.9 m[蓄水曲線為Area=Depth(m)]。綜合考慮后，將蓄水的水箱體積定為1.5 m3（共3個儲水箱，每個儲水箱規格為1 m×1 m×0.5 m）。儲水箱和控制箱設置在室外一樓地面，集成雨水收集、凈化與再利用的自動灌溉系統。

3.3.3 生物多樣性設計

為吸引蜜蜂蝴蝶等昆蟲，提高屋頂花園的生物多樣性，在方案B的基礎上增加蜜源植物，包括松果菊、藤本月季、波斯菊、風車茉莉和八仙花，植物種類由原本的15種增加到20種。

3.4 項目效能評估

由于前期的預研究和深化設計，Joy Garden結構布局合理，其建成2年多以來，植物適應生長良好，也便于進一步評估其環境效能，包括調節熱環境、建筑節能和雨水滯蓄效能等。

3.4.1 調節屋頂熱環境

選擇上海夏天較為炎熱的一天（2017年7月22日）測量Joy Garden屋頂花園與周邊建筑的屋面溫度，熱像儀選用德國InfraTec品牌的VarioCAM?hr research科研專家型紅外熱像儀，其可監測光譜范圍是7.5μm～14μm，測量溫度范圍是－40 ℃～1 200 ℃，當監測溫度在0～100 ℃時，精度為±0.15 K。監測結果（圖14）表明，與周邊建筑屋面相比，Joy Garden屋頂花園降溫最高達12.49 ℃，綠化區域平均降溫10 ℃左右，非綠化區域仍比周圍屋面低約2 ℃～6 ℃，降溫效果明顯。3.4.2 建筑節能效益

He Yang等的研究表明，夏天室內空調溫度設置為26℃時，上海市綠屋頂和普通屋頂平均熱流差為1.75 W/m[22]；冬季室內空調溫度為24 ℃時，平均熱流差為22 W/m[23]。直接利用此結論，按式（1）和式（2）計算屋頂花園的建筑節能效益：

式中，Qh為節能量（W）；H為平均熱流差（W/m2）；A為綠化面積（m2）；t為每天空調開放時間（h）；Q為每天實際節約電能（W）；EER為空調能效比。假設制冷期為5月15日—9月15日，共124 d；取暖期為11月15日至次年3月15日，共121 d；空調每天開放時間12 h。根據《上海市居住建筑節能設計標準》（DGJ 08-205—2015），空調供冷額定能效比取3.1，供熱額定能效比取2.5，結合（1）和（2）計算所得，Joy Garden每年制冷期節約電能約58.8 kW·h，取暖期節約894.4 kW·h，全生命周期內約節約電能達38.13 MW·h。

3.4.3 雨水滯蓄效能

根據國家氣象科學數據共享服務平臺提供的數據，上海市標準年降水量為1 192.59 mm。由于Joy Garden建立了雨水收集與循環利用系統，150 m2的屋頂匯集的雨水全部被收集利用，其每年可減少排放雨水約179 m3。

3.4.4 生物多樣性

Joy Garden建成一年多以來，已成功吸引過蜜蜂、蝴蝶等昆蟲。此外，屋頂花園的植物種類也有所增加，例如2019年春天增加了未曾種植過的油菜花，成功增加了屋頂花園的生物多樣性。

4 結論

屋頂綠化研究性設計建立于現狀分析和全生命周期的基礎之上。根據屋頂荷載確定屋頂綠化可實施的類型?；诃h境效能對屋頂花園進行研究性設計，提升建筑節能效果、雨水滯蓄性能、環境熱舒適度、生物多樣性等環境效能，提高了屋頂空間使用的合理性和使用者的舒適度，保障植物良性生長，降低后期維護難度。基于全生命周期評價設計方案，則有利于選擇出在滿足功能需求的前提下，同時獲得具有較高環境效能和經濟性良好的方案。

屋頂綠化的研究性設計同樣有利于其后期的更新改造，如為了保證建筑安全性，Joy Garden移除了松果菊，以防止其根系破壞防水層；Joy Garden在后期增加了智能監測系統，可實時查看屋頂花園的環境數據，有利于掌握植物的生長狀態，便于及時對植物進行灌溉、修剪等養護工作，且監測數據也有助于分析評估屋頂花園的環境效能。

圖表來源(Sources of Figures)：

文中所有圖片均由作者自繪。