海綿城市理論下建筑綠色屋頂設計研究

湯瑋 韓童威

中國市政工程中南設計研究總院有限公司 湖北 武漢 430014

引言

我國水資源相對短缺且南北分布嚴重不均，城市的快速擴張破壞了原有的水生態，地面的硬化導致城市內澇和熱島效應明顯[1]。如今，我國多個城市均發生過因雨水過多導致的城市內澇、水處理壓力嚴重超限、居民出行困難等現象[2]。究其原因，在降雨天氣中因為缺少綠植和池塘的蓄水和消納作用，近七層的城市降水形成徑流被直接排放至市政雨水管道，導致城市內澇嚴重，生態環境惡化[3]。

為了解決我國城市發展出現的問題，近十年來海綿城市的理念廣泛應用于城市的建設中。建設海綿城市的最終目的是實現彈性吸收和利用雨水，具體來講就是通過構建“海綿體”與現有的基礎設施相結合，增強對雨水的消納能力[4-5]。其中綠色屋頂作為城市“海綿體”的重要組成部分，憑借其不擠占原有城市空間、具備較好的觀賞性和蓄水能力較強的優勢，已經在我國多個試點城市取得了良好的生態環境效益[6]。為了更科學地進行海綿城市的建設，本文選擇綠色屋頂為研究的切入點，研究海綿城市的基本理論和技術路徑，綠色屋頂的具體構造和作用機理，結合具體的案例探究綠色屋頂的具體實施方案，初步估算相應的生態效益，以期推動海綿城市理論下的綠色屋頂的建設。

1 海綿城市

海綿城市理論是以水科學和生態學為基礎，利用水循環和水生態系統的理論，將城市建設成為像海綿一樣，通過吸收、凈化、蓄積雨水，將城市納入到自然界水循環的過程中，實現對雨水的生態處理，讓城市的環境更貼近自然，讓雨水緩慢的釋放，降低雨水引發的自然災害。

圖1 海綿城市的概念圖

1.1 海綿城市建設的基本路徑

由于城市面積較大，海綿城市的建設需要在不同層面和不同區域針對性的建設海綿體，實現不同的功能，實現海綿城市建設效果的最大生態和環境效益。根據海綿體的建設范圍一般可以分為：區域和城市層面、基礎設施層面、社區層面，三個層面相互作用、循環結合，形成水循環的良好閉環，更好地利用自然雨水，實現水生態的修復。海綿城市的建設途徑，如圖2所示。

圖2 海綿城市建設的基本路徑

海綿城市建設中（如圖2所示），區域和城市層面的建設主要針對該區域內的河道、湖泊、農田等能占地和影響面積較大的“海綿體”進行科學的規劃和修復，實現對雨水的調蓄和匯聚；市政基礎設施層面的建設是通過結合綠色基礎設施如：綠地、樹木和灰色基礎設施，如：馬路、人行道等形成完善的雨水設施吸納、儲存、傳輸和凈化的體系；社區層面是海綿城市建設的微觀區域，應通過利于該區域建筑的立面和頂面，消減落入城市的雨水量，減少因人為因素對自然的干預程度。

1.2 海綿城市建設的應用技術

如今興起的海綿城市建設的技術路徑是采用低影響開發技術，即采用對自然界影響較小的建筑方法和技術構建若干個“海綿體”，實現對雨水的消納和處理，常用的技術及應用場合如表1所示。

表1 低影響開發技術的類型和應用場合

2 綠色屋頂

綠色屋頂就是對建筑的屋頂或其他區域進行人工改造，進行綠化處理后合理的種植植物。由于場地的特殊性，對種植植物的類型和面積帶來了諸多限制因素。根據屋頂植被的種類和種植基層的深度，可以將綠色屋頂分為簡單式綠色屋頂和花園式綠色屋頂，兩者對基層的厚度和屋頂的載荷要求差異很大。

2.1 構造層次

綠色屋頂從基層的組成上來說一般分為6個層次，每一層具有不同的功能和技術要求，層次由上到下，具體的功能和技術要求如表2所示。

表2 綠色屋頂的構造層次

2.2 綠色屋頂的作用機理

綠色屋頂是針對建筑屋面的一個重要的吸水技術手段，綠色屋頂對海綿城市的作用機理主要分為減小徑流總量和凈化徑流水質兩個方面。屋頂對減少雨水的徑流量主要是通過對雨水進行消納處理，多層次的吸水，以減少排入城市雨水管道的體量，影響雨水徑流量的因素主要包括：屋頂的坡度，坡度越大雨水的徑流系數越高；綠地面積越大吸收面越大；基層厚度越厚存儲的雨水越多。雨水是一種易于獲取的水資源，直接排入管道難免有些浪費，綠色屋頂可以將雨水中的硫化物、重金屬和具有腐蝕性的其他物質進行過濾后排出，雨水即可轉化為可以循環使用的水資源。作為自然的凈化器也不占用額外的城市資源和空間。

3 案例分析

A項目位于城市高新開發區，也是該城市綠色屋頂建設的試點項目。該項目以多層辦公和工業生產廠房為主，該項目運用海綿城市的發展理念，構建了以綠色屋頂為主要組成部分的雨水生態調節系統。樓頂植被選擇綠地和小型灌木，建設了一個簡單式的綠色屋頂，配合環形曲折步道，步道采用磚石和木材等材料。

3.1 海綿技術的應用

項目綠色屋頂的構造如圖3所示，頂部的構造從上到下為：植被層、基質層、過濾層、找平層、防穿刺層、防水層、地下的頂板。雨水落入綠色屋頂后，首先經過屋頂植被的吸收和消納后，一部分進入到基質層儲存，未能儲存的水分匯流至屋頂的排水溝，通過排水溝再流入建筑周邊的綠地再進一步的經過綠植層。園區內的雨水通過透水鋪裝匯流至道路兩側的碎石溝和植草溝，最終匯集到園區內的雨水塘，雨水塘的調蓄深度設計為300mm，達到水位的上限后，雨水溢流至市政雨水管網。

圖3 綠色屋頂的構造

本著生態發展的理念，本項目的植物培養基質采用玉米和小麥秸稈配比自然土壤和人工材料培養種植基質。在蓄水材料的選擇方面，選擇環保的多孔巖和火山巖，該材料具有重量輕盈，材料環保，具有很好的滲水和蓄水能力。可以明顯地降低樓面頂板的載荷量，保持建筑結構的穩定。

3.2 綠色屋頂的截留雨水量

根據其他項目的研究結果，簡單式的綠色屋頂對雨水的截留量約為20%，花園式的效果較為突出，截留量約為65%。本項目的綠色屋頂建設面積為2300m2，由于是簡單式的綠色屋頂，經計算可以得到，屋頂對雨水的截留量為460m3。

4 結束語

綠色屋頂是海綿城市的重要組成部分，綠色屋頂是針對建筑屋面的一個重要的吸水技術手段，可以在不改變城市原有格局的前提下，對建筑的頂面進行略微的改造后就可以實現“海綿體”的建設，實現對城市立體空間的二次低影響的挖掘和利用，已經在我國多個城市取得了良好的應用效果。本文結合具體的工程實例，就海綿城市的建設的基本路徑、綠色屋頂的構成和作用機理進行深入的研究，實踐證明綠色屋頂的建設可以有效實現對雨水的截留和消納。