生態屋頂技術在城市綠色建筑中的功能與效益分析

宋丹

（廣安職業技術學院，廣安638000）

1 前言

隨著全球氣候變暖，城市面臨著空氣污染、熱島效應加劇等環境問題。數據顯示，到2050 年，全球城市人口將占世界總人口的70%，為實現可持續發展，各國積極推進綠色建筑發展。生態型屋面系統作為一種綠色建筑技術，發揮著凈化空氣、調節微氣候、節約能源等多重生態功能，在城市適應和抵御氣候變化中發揮著重要作用。

2 生態屋頂關鍵技術

2.1 輕質化基質技術

輕質化基質技術是生態屋頂的關鍵技術之一，主要目的是實現屋頂輕量化，降低屋頂荷載。

常見的輕質基質包括木屑、煤矸石、陶粒、發泡玻璃等，與混凝土（密度2.3 g/cm3～2.4 g/cm3）相比，這些材料密度明顯更低，一般在0.5 g/cm3～1.5 g/cm3之間，可以減輕30%以上荷載。例如，采用煤矸石（密度1.0 g/cm3～1.6 g/cm3）和陶粒（密度0.7 g/cm3～1.1 g/cm3）制作的基質，與相同厚度的混凝土基層相比，可減輕35%～55%荷載。

同時，這些多孔輕質基質還具備良好的保水性和通氣性。保水性能良好，可提供種植基質需要的濕度水分；空隙較多，有利于空氣對植被根系的通風和氧氣供給。煤矸石基質孔隙率可達50%以上，保水性好，無需額外澆水。此外，陶粒基質、珍珠巖基質、蛭石基質也可保持較高含水率。

2.2 防水和排水技術

生態屋頂的防水、排水系統直接關系到屋頂的防滲性能和使用壽命。圖1 為某生態屋頂的防水排水系統。

圖1 某生態屋頂的防水排水系統

常用的屋面防水材料有改性瀝青防水卷材、高分子防水卷材、防水涂料等，改性瀝青防水卷材耐老化性能差，防水涂料易開裂滲漏等問題，而高分子防水卷材具有防水性能好、耐候性能好、對環境污染小等特點，在屋面防水施工中得到了廣泛的使用。目前常用的高分子防水卷材有聚乙烯（PVC）防水卷材、熱塑性聚烯烴（TPO）防水卷材、三元乙丙橡膠(EPDM)防水卷材等，具有輕薄、施工簡便、防水性能好等優點。這些新材料的抗裂能力達到300%以上，使用壽命可達30 年以上。屋頂排水系統也會直接影響雨水的排出效率，目前常用的排水層有多孔排水板、波紋復合排水板等。這些排水層厚度在20mm～50mm 之間，重量僅為815kg/m2～15kg/m2，既減輕了屋頂負荷，也保證了排水性能。需要注意的是，排水管道需要合理布置，坡度控制在1/100 以上，同時連接要可靠、無漏點。

2.3 承重結構設計

生態屋頂的承重結構設計要考慮屋頂荷載情況，選擇合適的材料承受屋頂的永久荷載和臨時荷載。一般來說，與傳統屋頂相比，生態屋頂的總荷載明顯增大，植被和基質的荷載可達100kg/m2～200kg/m2，積水的荷載為1000kg/m3。為控制自重，生態屋頂的承重結構要以輕質化為目標，可以采用鋼結構、木結構、索網結構等輕型材料制作。

針對混凝土樓板結構，可以在樓板上加裝輕質的鋼結構承重框架，采用鋼制H 型梁、C 型鋼等作為主承重構件。對于鋼結構屋面，可以在下弦桿上配置鋼制V 型支撐和上弦桿，形成鋼結構網格，再置于其上的屋面板承受屋頂荷載。木結構屋頂可以制作木質桁架，或在木質樓板上加裝木制承重構件。桁架采用的材料包括膠合板、集成材等，增強承載能力。

2.4 智能監控技術

智能監控技術是生態屋頂的重要組成部分，它通過各種傳感器的布置，實時監測屋頂的光照、溫濕度、土壤濕度等參數，并將數據反饋給中央控制系統，實現對屋頂環境的精確控制。智能監控系統由數據采集模塊、數據傳輸模塊、中央控制模塊等組成。數據采集模塊包含各種傳感器，這些傳感器布置在屋頂不同位置，實時監測環境參數。表1 為某生態屋頂的數據采集模塊。

表1 某生態屋頂的數據采集模塊

其中，光照強度（lux），通過光敏傳感器采集，判斷日照強度；溫度（℃），通過溫濕度傳感器采集；濕度（%RH），通過溫濕度傳感器采集；土壤濕度（體積含水率%），通過土壤濕度傳感器測試；雨量（mm），通過雨量計測試。

數據傳輸模塊通過RS485、ZigBee、WiFi 等有線或無線網絡，將采集到的環境數據實時傳送到中央控制模塊。中央控制模塊基于ARM或FPGA 等微處理器，內置數據分析算法和控制模型，可對數據進行統計分析，并據此決定控制策略。

3 生態屋頂技術的SWOT 分析

3.1 優勢（S）

3.1.1 改善城市微氣候

生態屋頂可以起到調節建筑熱環境的作用。研究表明，綠化覆蓋率每增加10%，可以使建筑物屋頂溫度下降1℃～2℃。與普通混凝土屋頂相比，采用生態屋頂可以使建筑屋頂溫度降低高達4℃。這是因為植被本身可以吸收熱量，并通過蒸騰作用帶走大量的潛熱，從而降低建筑熱負荷。

3.1.2 節約建筑能源消耗

與傳統混凝土屋頂相比，生態屋頂可以顯著降低建筑物的制冷和采暖負荷。以溫哥華公共圖書館為例，生態屋頂可以使建筑物夏季制冷負荷減少10%以上，冬季采暖負荷減少15%以上，相當于每年可以節省5%～10%的建筑運行能源。

3.1.3 凈化空氣質量

各類綠色植被可以吸收空氣中的塵埃、二氧化硫、二氧化氮等污染物，并進行光合作用產生氧氣。研究表明，每增加100 平方米的屋頂綠色面積，可以減少空氣中2.3 千克的塵埃和1.5 千克的有害氣體，具有明顯的空氣凈化效果。

3.2 劣勢（W）

3.2.1 建造成本和維護費用高

與普通屋頂相比，生態屋頂在設計和施工方面需要投入更多，包括配置適宜的種植基質、高標準的防水層、完善的排水系統、配置適應性強的植被等，這導致生態屋頂的初始建造成本至少要高出20%～30%。此外，生態屋頂后期的維護費用也較高，需要定期檢查防水層的完整性，并對植被進行除草、補栽、施肥等操作，保證植被基質和綠化效果，這些都增加了后期的運行維護費用。

3.2.2 專業技術要求高

從設計到施工再到后期運維，生態屋頂都需要跨學科的專業技術支持。在設計方面，需要植物學、景觀學和建筑學知識對屋頂植被和景觀進行優化配置；在材料選擇和施工方面，需要對各層材料的物理特性、協同工作原理有充分理解，才能確保屋頂的防水和排水功能；在后期養護方面，需要對植被的生長環境和除草補栽方面有科學合理的管理措施。由于我國在生態屋頂的技術研發和工程應用方面起步較晚，直接參與生態屋頂建設的專業技術團隊和經驗還比較缺乏，導致很多生態屋頂項目在設計和施工方面存在問題。

3.3 機遇（O）

3.3.1 政策支持

近年來，國家陸續出臺了一系列政策法規，為生態屋頂的發展提供了政策支持。2019 年，國家發展改革委發布了《綠色生活創建行動總體方案》，該方案根據不同地區的實際情況，實施了居住建筑的節能改造，推動公共建筑進行綠色改造，并加強了綠色建筑的運行管理。同年，住建部頒布了新版的《綠色建筑評價標準》，這一標準規范和引領了我國綠色建筑發展的基本技術規范。2023 年，中共中央辦公廳和國務院辦公廳發表了《關于推動城鄉建設綠色發展的意見》，鼓勵推動綠色建筑的高質量規模化發展，大力推廣超低能耗和近零能耗建筑，并發展零碳建筑。

3.3.2 資金支持

各地也相繼出臺資金支持政策，用于生態屋頂建設。以北京為例，北京經濟技術開發區發布了2023 年度的綠色發展資金支持政策，主要關注污染防治、節能減碳和綠色建筑項目。目前，全國31 個省市都已經出臺了支持綠色建筑的政策和相關補貼標準。例如，在三星級綠色建筑項目中，廣東補貼每平方米45 元（單一項目最高200 萬元），江蘇按一定比例給予配套獎勵，山東補貼每平方米50 元（單一項目最高不超過500 萬元）。

3.3.3 技術支持

技術支持方面，各高校和企業研發出多項新技術為生態屋頂建設提供支持，如同濟大學改造屋頂花園創造全新空間，朝陽科技大學開發節能生態屋頂花園技術，陜西科技大學研發光伏屋頂技術。技術的不斷創新和各類新材料的不斷涌現，豐富了生態屋頂的建造形式。

3.4 挑戰（T）

3.4.1 區域性差異所帶來的挑戰

我國地域遼闊，不同地區的氣候條件、經濟發展水平和居民習慣存在較大差異，這給生態屋頂的推廣應用帶來一定困難。南方地區降水充沛，北方地區干旱少雨，不同地區在屋頂綠化設計方案選擇上存在差異。

3.4.2 社會認知度有限

我國居民對生態屋頂的功能與效益還不夠了解，生態屋頂的社會認知度有待提高，與歐美國家相比，我國居民環境保護意識整體偏弱。提高公眾對生態屋頂的認知，使居民理解生態屋頂的環境、經濟和社會效益，有利于生態屋頂理念的傳播和推廣。

4 SWOT 分析結論

生態屋頂作為一種建筑形式，對改善城市環境、建設生態城市具有積極意義。通過對屋頂綠化SWOT 分析可知，其環境調節功能是最大的優勢，能明顯改善城市小氣候環境，并產生一系列生態效益。與地面綠地相比，屋頂綠化增加了綠化空間，提高了土地利用效率，是城市可持續發展的有效手段之一。為更好發揮生態屋頂的優勢作用，建議采取以下對策：一是大力推廣屋頂綠化相關技術，突破屋頂承重等技術難題，拓展屋頂綠化的應用形式；二是制定科學合理的屋頂綠化標準，指導屋頂綠化設計，確保質量；三是加強屋頂綠化的運營維護，實施智能化監控，提高維護效率；四是加大屋頂綠化的政策支持力度，采取財政補貼、示范引領等措施，推動屋頂綠化建設。

5 結論

綜上所述，生態屋頂作為一種綠色、可持續的建筑方式，在應對城市化進程中出現的環境問題方面發揮著重要作用。它不僅可以減少城市熱島效應、改善空氣質量，還可以發揮保水減排、節約能源的多功能效應，為城市提供重要的生態系統服務，具有重要的環境、經濟和社會效益。隨著綠色建筑理念的推廣，各城市應大力推進生態屋頂的建設，并不斷完善相關技術，以發揮其在建立美麗宜居城市中的巨大潛力。