模塊化屋頂綠化對建筑結(jié)構(gòu)的影響

楊 劍，王正文，李 瀟

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州 311122;2.浙江寶業(yè)建筑設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州 310002)

0 引言

屋頂綠化除了提供美觀的景觀效果外,還具有改善城市環(huán)境、提高建筑的能源效率、增加建筑物的防水性能和提高城市的景觀價值等優(yōu)點,因此對屋頂進(jìn)行綠化在新建建筑以及老舊建筑改造中的應(yīng)用越來越廣泛。

由于屋頂綠化會產(chǎn)生較大的屋面荷載,會對屋面板以及下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響,研究屋頂綠化對建筑結(jié)構(gòu)的受力性能迫在眉睫。國內(nèi)學(xué)者針對屋頂綠化對結(jié)構(gòu)的影響有一定的研究:李清洋等[1]通過PKPM軟件研究了房屋總層數(shù)、荷載大小對屋頂綠化結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。于素英[2]分析了屋面板承載力與種植土厚度的關(guān)系,并提出了提高屋面板承載能力的方法。范慶波等[3]則通過PKPM軟件驗算了不同綠化形式的屋面板承載能力,分析了屋頂綠化荷載對屋面板配筋的影響。徐福衛(wèi)等[4-5]利用ANSYS軟件分析了屋頂綠化荷載對已建房屋和高層建筑下部結(jié)構(gòu)安全性的影響。李春祥[6]研究綠色屋頂荷重對建筑結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果表明:層數(shù)越多,屋面荷載所占結(jié)構(gòu)荷載的比重越小。李星等[7]對屋頂綠化可行性進(jìn)行分析,研究結(jié)果表明屋頂綠化在大部分區(qū)域均是可行的。雖然國內(nèi)學(xué)者對于屋頂綠化對建筑下部結(jié)構(gòu)影響已經(jīng)有所研究,但仍不夠透徹深入。目前帶有屋頂綠化的建筑設(shè)計的屋面荷載取值按照GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范和GB 55001—2021工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范進(jìn)行取值,規(guī)范中的取值忽略了屋頂綠化荷載的不均勻分布,且高估了屋頂綠化荷載。現(xiàn)在一種新興的模塊化屋頂綠化可以避免荷載由屋面板承擔(dān),而是通過模塊將荷載傳遞給框架柱,由框架柱承擔(dān),這樣既能減少屋面板鋼筋及混凝土的使用,又可以節(jié)約造價成本,沒有模塊化屋頂綠化的相關(guān)設(shè)計規(guī)范,也沒有相關(guān)的理論依據(jù)支撐。

目前針對屋頂綠化對建筑結(jié)構(gòu)的影響研究基本為傳統(tǒng)屋面綠化,因此,本文通過對比分析傳統(tǒng)屋頂綠化和模塊化屋頂綠化對屋面板、框架梁和下部結(jié)構(gòu)的影響,以及研究模塊化綠化在將來大規(guī)模應(yīng)用的可行性和科學(xué)性[8]。

1 建筑概況

1.1 模塊化屋頂綠化和傳統(tǒng)屋頂綠化

傳統(tǒng)屋頂綠化類型為自然攀爬式和盆栽式兩種,這種綠化方式簡單較易實施,但存在一定的安全隱患。基于傳統(tǒng)屋頂綠化,本文提出新型模塊化屋頂綠化,主要通過將整體屋頂綠化拆分成不同的單元,以種植托盤為核心,集蓄水層、排水層、隔離層、生長層和種植層為一體的屋頂綠化方式。容器底部設(shè)置了與龍骨掛接的凹槽,使模塊更穩(wěn)固的安裝在建筑屋面,模塊與模塊間進(jìn)行拼接,適用于各種坡度的屋面,見圖1。

模塊式屋頂綠化采用種植托盤內(nèi)部設(shè)置管道固定裝置,具有收集雨水裝置,使雨水均勻分布,從而減少頻繁灌溉的需求。目前我國的種植基質(zhì)主要分為3種:自然土壤基質(zhì)、人工改良土基質(zhì)、輕量化基質(zhì)。相較于傳統(tǒng)屋面綠化的種植土為自然土壤基質(zhì),模塊化屋頂綠化種植基為輕質(zhì)種植基,具有質(zhì)量輕、營養(yǎng)豐富的優(yōu)勢,另外根據(jù)土壤性狀和植物生長特點,還可在基質(zhì)中摻入植物生長所需要的非金屬礦物質(zhì)。通過對比,模塊化屋頂綠化和傳統(tǒng)屋頂綠化優(yōu)缺點見表1。

表1 模塊化屋頂綠化和傳統(tǒng)屋頂對比

1.2 計算模型

本文以位于浙江省杭州市的某帶有屋頂綠化的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為研究對象,此建筑為單層新建混凝土現(xiàn)澆屋面,結(jié)構(gòu)安全等級為二級。該單層建筑總高度為6 m,其中框架柱、梁和板均采用C25混凝土,框架柱截面尺寸為600 mm×600 mm,梁截面尺寸為700 mm×300 mm,屋面板板厚為120 mm。為了研究屋頂綠化和模塊化綠化對屋面板和下部結(jié)構(gòu)的影響,對該單層建筑的屋面結(jié)構(gòu)平面布置進(jìn)行了簡化,如圖2所示。

為了方便分析屋頂綠化荷載對屋面板和下部結(jié)構(gòu)的影響,本文將不考慮結(jié)構(gòu)的自重荷載對結(jié)構(gòu)的影響。C25混凝土的彈性模量為30 000 MPa,泊松比為0.2。

1.3 屋頂綠化荷載取值

屋頂綠化的荷載取值由屋頂綠化面積、土壤密度和種植植物種類等因素綜合確定。本文考慮傳統(tǒng)的屋頂綠化土壤厚度為0.5 m,土壤重度取值為10 kN/m3。且假設(shè)該傳統(tǒng)屋頂綠化種植有約占地15%的樹木,認(rèn)為該樹木的質(zhì)量為50 kg,且其余地被植物(即草皮)的質(zhì)量忽略不計。因此傳統(tǒng)屋頂綠化的荷載可以簡化為作用在屋面板上大小為5 kN/m2的均勻分布的面荷載以及作用在屋面板上大小為0.5 kN的非均勻布置的少量集中荷載,屋頂綠化層荷載取值見表2。

表2 屋頂綠化層荷載取值

模塊化屋頂綠化采用的土壤均為輕質(zhì)無機(jī)種植土,和傳統(tǒng)屋頂綠化相同的植被,不同的是模塊化屋頂綠化通過0.08 m厚的混凝土模塊將土壤和植被的荷載傳遞到構(gòu)造柱上,由構(gòu)造柱分?jǐn)偰K化屋頂綠化對建筑產(chǎn)生的附加荷載。模塊化屋頂綠化的荷載分為模塊化自身、種植土以及植被的荷載,選擇輕屋面綠化荷載類型,可以簡化為作用于結(jié)構(gòu)柱柱頂大小約為52 kN的集中荷載。

2 屋頂模塊化綠化荷載對屋面板和下部結(jié)構(gòu)的影響研究

2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)1.1節(jié)的建筑結(jié)構(gòu)計算模型,利用ABAQUS軟件建立了如圖3所示的有限元模型。

如圖3(a)所示,本文數(shù)值模型分別通過線元素和殼元素建立了三維框架結(jié)構(gòu)和屋面板。通過賦予線元素截面屬性和殼元素厚度,并劃分網(wǎng)格可以得到如圖3(b)所示的網(wǎng)格劃分后的有限元模型。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

由于不考慮結(jié)構(gòu)的自重荷載,本節(jié)得到的模擬結(jié)果可以認(rèn)為是混凝土框架結(jié)構(gòu)在屋頂綠化荷載作用下引起額外的變形以及應(yīng)力。

2.2.1 不同形式屋頂綠化對下部結(jié)構(gòu)變形的影響

當(dāng)使用傳統(tǒng)屋頂綠化時,屋面板和下部結(jié)構(gòu)的變形云圖如圖4所示。由于傳統(tǒng)屋頂綠化荷載作用于屋面板上,屋面板的變形將會受到較大的影響。由圖4可知屋面板結(jié)構(gòu)在受到傳統(tǒng)屋頂綠化荷載作用時會發(fā)生較大的變形。其中靠近框架柱和框架梁的屋面板由于受到柱以及梁的支撐作用變形較小,屋面板產(chǎn)生較大應(yīng)力,中部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,較易產(chǎn)生破壞。在遠(yuǎn)離下部混凝土框架結(jié)構(gòu)時,最大變形量達(dá)到了6.223 mm。且框架梁在受到屋面板傳遞的荷載后,同樣會發(fā)生變形,其中跨中最大變形量達(dá)到了1.556 mm。類似的,位于該混凝土框架結(jié)構(gòu)四周的框架柱會產(chǎn)生向框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部大小約為1.037 mm的彎曲變形。從圖4中還可以看出由于占比約15%的質(zhì)量為50 kg的樹木由于荷載較小對該結(jié)構(gòu)的變形影響不明顯。

圖5為模塊化屋頂綠化荷載作用下屋面板和下部結(jié)構(gòu)的變形云圖。由圖5可知,屋頂受力較為均勻,模塊化屋頂綠化不會使屋面板、框架梁和框架柱產(chǎn)生彎曲變形。框架柱在受到由模塊化屋頂綠化直接傳遞的集中荷載后會產(chǎn)生軸向壓縮變形,框架柱柱頂?shù)淖畲笞冃瘟繛?.889×10-5mm,可以忽略不計。同時屋面板和框架梁由于框架柱的軸向變形產(chǎn)生了對應(yīng)的沉降。

結(jié)合圖4,圖5可知,模塊化屋頂綠化的屋頂受力較為均勻,通過模塊將荷載直接傳遞到框架柱,極大降低了屋頂綠化對屋面板和框架梁變形的影響。當(dāng)框架柱在承擔(dān)屋頂綠化的全部荷載時不會產(chǎn)生彎曲變形,且不會產(chǎn)生明顯的軸向變形。

2.2.2 不同形式屋頂綠化對下部結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響

圖6為采用傳統(tǒng)屋頂綠化的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力云圖。Mises應(yīng)力指的是該單元正應(yīng)力和剪切應(yīng)力的組合。如圖6所示,屋面板和框架梁在傳統(tǒng)屋頂綠化荷載作用下產(chǎn)生了較大的應(yīng)力。其中框架柱和其他部位的應(yīng)力較小,屋面板的應(yīng)力最大值位于屋面板中心位置,大小約為9.899×10-2MPa;框架梁的最大應(yīng)力約為1.695×10-1MPa,應(yīng)力達(dá)到最大值的位置基本位于框架梁的跨中。相似的,框架柱在受到上部結(jié)構(gòu)傳遞的荷載后同樣產(chǎn)生了最大值約為5.667×10-2MPa的應(yīng)力。由此可知選用傳統(tǒng)屋頂綠化時,該框架結(jié)構(gòu)的屋面板、框架梁以及框架柱的設(shè)計強(qiáng)度均需要一定的提高。

圖7為模塊化屋頂綠化荷載作用下混凝土框架結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力云圖。圖7表明屋面板和框架梁并不會產(chǎn)生額外的應(yīng)力,屋面板產(chǎn)生的應(yīng)力較小,整個框架結(jié)構(gòu)僅有框架柱產(chǎn)生了應(yīng)力,這是由于模塊化屋頂綠化荷載直接作用于框架柱的頂部。同時因為本文建立的混凝土框架結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型的框架柱的承載能力較好,因此框架柱中的應(yīng)力大小僅為1.444×10-6MPa。由此可知當(dāng)采用模塊化屋頂綠化時,對框架柱產(chǎn)生的應(yīng)力較大,框架柱容易產(chǎn)生破壞,使結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。因此僅需要加強(qiáng)框架柱的設(shè)計強(qiáng)度,便可滿足結(jié)構(gòu)安全性需求。

結(jié)合圖6,圖7的應(yīng)力分析,可以得到傳統(tǒng)屋頂綠化會令整個混凝土框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的額外應(yīng)力,而模塊化屋頂綠化則只令框架柱產(chǎn)生額外的應(yīng)力。

結(jié)合兩種不同的屋頂綠化形式對混凝土框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形影響的分析,可知由屋面板承擔(dān)屋頂綠化的荷載時,對混凝土框架結(jié)構(gòu)的整體均有較明顯的影響;而由框架柱承擔(dān)屋頂綠化的荷載時,對屋面板和框架梁的影響均可以忽略不計。

3 可行性分析

通過ABAQUS有限元模擬,我們得到模塊化屋頂綠化受力性能要優(yōu)于傳統(tǒng)屋頂綠化。但是模塊化屋頂綠化廣泛應(yīng)用,還需要考慮各方面因素,因此我們從3個方面對模塊化屋頂綠化進(jìn)行綜合分析:

1)經(jīng)濟(jì)方面。從經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行分析,傳統(tǒng)屋面綠化后期需大量人工進(jìn)行維護(hù)。而模塊化屋頂綠化采用經(jīng)濟(jì)環(huán)保的措施,全部采用機(jī)器代替人工,規(guī)模化生產(chǎn)和后期維護(hù),植被成活率遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)屋面綠化,人工成本費(fèi)用大于自動化費(fèi)用,以杭州市工人薪資標(biāo)準(zhǔn),每小時15元,每天工作8 h,每天需要120元,一個月維護(hù)費(fèi)用需要3 600元。其中大量適用模塊化屋頂綠化具有固碳釋氧、降溫保溫節(jié)能、凈化空氣等優(yōu)點,具有大量的生態(tài)效益,遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法估計。

2)適用性方面。傳統(tǒng)屋面綠化適用面較小,而模塊化屋面結(jié)構(gòu)為一體式結(jié)構(gòu),安裝操作簡單。可以結(jié)合地區(qū)環(huán)境特點,采用因地制宜原則,種植適用于生長的植物,成本較低,使用可移動一體化模塊屋面綠化,施工上更為簡單,而且可撤換的特征,使養(yǎng)護(hù)管理更易操作,具有普適性。

3)安全性方面。模塊化屋頂綠化材料均采用輕質(zhì)材料,減輕屋頂?shù)暮奢d,進(jìn)而保證屋頂在安全承載范圍內(nèi)。選取植被高度較小的植物,防止植被后期因體積增大,增加屋面荷載。以及加固屋面結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)樓面荷載量,模塊化屋頂綠化為一體式結(jié)構(gòu),較好地避免了植被對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的安全性問題。

4 結(jié)論

本文通過分析模塊式屋面綠化和傳統(tǒng)屋面綠化之間的不同之處,利用ABAQUS數(shù)值模擬了在不考慮結(jié)構(gòu)自重的情況下,不同屋頂綠化形式對混凝土框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力以及變形的影響,得到以下結(jié)論:

1)傳統(tǒng)屋頂綠化會使屋面板和框架梁產(chǎn)生較大的應(yīng)力和彎曲變形,同時會使框架柱產(chǎn)生集中應(yīng)力,并且產(chǎn)生向結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的彎曲變形。

2)模塊化屋頂綠化屋面板和框架梁受力較均勻,通過將荷載直接傳遞到框架柱,避免了屋面板和框架梁產(chǎn)生額外的彎曲變形;同時整個框架結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生額外的應(yīng)力。

3)采用模塊化屋頂綠化代替現(xiàn)有的傳統(tǒng)屋頂綠化可以減小屋面板和框架梁的設(shè)計強(qiáng)度,減少屋面板和框架梁的用料,降低施工成本。

4)從經(jīng)濟(jì)性、適用性、安全性3個方面進(jìn)行綜合分析,模塊式屋頂綠化均優(yōu)于傳統(tǒng)化屋面綠化,可以進(jìn)行推廣使用。