基于环境效能的屋顶绿化研究性设计——以同济大学屋顶花园为例

董楠楠 吴静 石鸿 任震

2017年3月，国务院参事、中国城市科学研究会理事长仇保兴提出了“立体园林”的重要性与其功能，指出立体园林是高密度城市中改善城市景观和提高生态多样性的有效途径，是新时期生态文明建设实施的重要举措。高密度城市中，城市地面绿地减少，促使绿化向立体空间延伸，屋顶绿化成为增加城市绿化覆盖率、缓解城市能源和生态环境问题的有效措施之一[1-2]。屋顶绿化具有改善城市热环境、缓解城市雨洪问题[3]、保护城市生物多样性、美化城市等环境效能[4-5]，同时研究表明，城市绿色空间降低城市室外温度的效能作用对居民健康具有积极影响[6]。

1 SCI文献的研究方向随时间的变化The research area of SCI literature changes over time

2 文献关键词数量分布The quantitative distribution of keywords

3 研究性设计的闭合流程图The closed flow chart for research-oriented design

4 基于效能的风景园林全生命周期设计流程The life cycle design process of landscape architecture based on environmental efficiency

屋顶绿化建筑节能、改善城市微气候等环境效能与建筑周围的物理环境和气候条件有较强的关联性[7-8]。为使屋顶绿化更易于适应复杂的城市环境并尽可能地提升其环境效能，在屋顶绿化方案设计时引入了研究性的设计方法。

1 屋顶绿化研究性设计

1.1 研究性设计

研究性设计是一种借鉴科学研究模式去完成屋顶绿化设计的方法，强调设计过程的逻辑性、合理性[9]。屋顶绿化的研究性设计对于多专业交叉，尤其是生态、环境与工程科学的交叉提出了较高的要求。

笔者借助科学引文索引（SCI）数据库，使用主题词“green roof”“roof garden”“vertical greenery”“green facade”，检索国际上发表的屋顶绿化英文文献，文献分析结果表明，当前屋顶绿化技术主要依托生态环境学、工程技术、农学等学科平台，反映出当前国际实践前沿领域对于城市生态、绿色技术和都市农业发展方向的巨大关注。

随着屋顶绿化的广泛实践，工程技术趋于成熟，对屋顶绿化的研究重点逐渐转向环境效能（图1）。近几年的研究主题集中于屋顶绿化的环境效益（图2），如热舒适、雨洪调节、雨水循环利用、太阳能利用、生物多样性等。因此，以提高屋顶绿化环境效能为目的进行研究性设计时，设计基于研究热点，在屋顶绿化的全生命周期基础上，加入环境效能的科学分析，形成“预研究、深化设计、效能评估”的设计闭环流程（图3）。

1.2 全生命周期评价

屋顶绿化全生命周期评价是以控制成本、提高效益为目的，以全生命周期优化理论和方法为主要依据，协调组合项目各种要素，实现增加屋顶绿化的环境效益以补偿成本[10]。笔者将屋顶绿化项目的全生命周期过程分为初步方案设计、深化设计、施工、维护管理和效能评估5个阶段，在初步方案设计阶段充分考虑并利用环境因素，确保施工和运行维护过程中对建筑的影响最小，屋顶绿化的活动空间和种植区布局合理，以及运行阶段的环境效能尽可能高。

众多研究表明，屋顶绿化可以延长屋顶寿命[11-12]，一般认为，绿屋顶的平均寿命是传统屋顶的两倍[12]22。国外研究一般将绿屋顶的全生命周期假定为40～50年，如Susana Saiz[13]、Sproul Julian[12]22、Nyuk Hien Wong[14]等以40～50年为屋顶绿化的全生命周期，分析其经济效益。笔者取其综合水平，假定绿屋顶的全生命周期为40年，以分析评价设计方案中绿屋顶的环境效能和综合成本。

2 研究性设计方法

方案设计阶段，在效能层面进行的现状分析能合理指导初步方案设计和方案优化。经过修正之后，得到尽可能最优的初步方案，为后续的详细设计奠定基础（图4）。

2.1 预研究

预研究是在掌握设计建筑屋顶情况之后，对设计中的限制条件做出专项研究与分析，进而提出解决方案的过程。屋顶的立地条件是决定屋顶绿化功能分区和植物选择的限制因素。与地面绿化相比，屋顶绿化除了景观和植物栽植外，还需考虑屋面荷载和防水、排水等设计施工[15-16]，和防风固定、日照、灌溉等植物生长环境等问题。在确定屋顶荷载和屋面防水满足建设要求后，利用软件模拟建筑屋顶物理环境，以指导屋顶绿化的植物分区和景观布局。

2.1.1 场地现状分析

1）屋面荷载。预先调查或测试建筑屋顶荷载，根据屋面荷载，将屋顶绿化类型分为草坪式、花园式和组合式。精确计算出屋顶绿化所增加的荷载值，包括屋顶绿化防水层、排（蓄）水层、过滤层、种植基质和植被层[17]。此外，还须注意植物生长所增加的荷载，降雨后屋顶绿化蓄水所增加的荷载，以及上人后增加的荷载等。

2）屋面防水。屋面防水是决定屋顶绿化成败的至关重要的因素。一旦屋顶发生渗漏，则会直接影响建筑安全。根据《种植屋面工程技术规程》（JGJ155—2013）和《屋面工程技术规范》（GB50345—2012），屋顶绿化防水层应满足一级防水设防要求，且需进行二次防水处理，即在普通防水层基础上增加耐根穿刺防水层。

2.1.2 初步方案设计

1）风环境模拟。风速与屋顶的位置与其周围环境有关，尤其是屋顶的边缘和屋顶的角落，致使局部区域的风力分布相差大，植物受风的影响程度相差也较为悬殊。通过模拟屋顶风环境，得知空间整体或某区域的风环境条件，从而合理地进行植物配置（如风速大的地方不宜栽种易倒伏或浅根系植物，或者栽种抗风性强的植物等），以及合理地组织功能空间（如避免使用者在体感不舒适的区域停留，或者通过设计挡风/引风等）。

2）日照模拟。日照是影响植物生长的重要因素。光照强度和光周期深刻影响着植物的生长发育，根据屋顶光照条件合理选择植物类型，包括阳性植物、阴性植物和耐阴植物[18]。部分屋顶位于高层建筑屋顶，直接暴露在日照环境中；有些屋顶位于低、多层建筑或裙楼之上，与周边建筑邻近，日照时数有限。通过日照模拟，得出屋顶不同时节中日平均辐射情况，指导种植空间布局和植物种类选择（如在相应的位置选择喜阳/耐阴植物），以及安排活动空间功能（如避免使用者在烈日下暴晒，或设计遮阴设施）。此外，通过对日照模拟分析，可直接利用阳光进行造景设计。

2.2 深化设计

深化设计是在基于现状和景观布局之上，对景观元素细节进行专项设计。除关注工程上的设计细节、保证方案的合理性和实施性以外，还要从环境效能出发，考虑屋顶绿化对城市生态的改善作用，并进行水系统设计、种植设计和建筑节能设计等专项设计。

2.2.1 建筑节能设计

绿屋顶由于其基质层和植物的共同作用而具有保温隔热效果，从而降低了建筑能耗。基质层厚度和植物的叶面积指数是影响节能效果的主要因素，通过屋顶种植设计，选择适宜的植物、增加土壤厚度，有利于提高建筑的节能效果。此外，在屋顶上增加太阳能光伏发电系统，可进一步降低建筑的能耗。

2.2.2 雨洪调节设计

屋顶绿化可吸收和滞留部分雨水，延迟雨水在地面的汇聚时间，从而减少城市管网的瞬时径流压力。根据所在地区的降水数据和屋顶的排水系统模拟屋顶的降水—径流模型，基于模拟数据进行合理的铺地设计和种植设计，加强屋顶绿化对雨水的截留作用。除此之外，利用竖向设计引导屋面径流，可提高排水效率；完善蓄排水系统，可使屋面雨水能有效地循环再利用。

2.2.3 生物多样性设计

城市化是生物多样性降低、外来物种入侵和本地物种灭绝的重要原因，城市的快速发展改变了生物多样性的分布格局和功能。在深化设计阶段，综合考虑建筑高度、灌草面积、绿化开放度、植物复杂性等[19]，结合屋顶绿化的立地条件分析研究与效能研究，搭配适宜的植物种类，建造屋顶绿化，扩大潜在栖息地并加强其连通性，以便于最大限度地提高屋顶绿化的生物多样性。

2.3 效能评估

效能评估是景观可持续的一个环节，是检验设计目标效能优化结果的步骤，是对景观更新设计的前期分析。在屋顶绿化建成之后，利用模拟或实测手段评估屋顶绿化的环境效能，如调节雨洪、改善城市微气候、建筑节能等，评估结果为后续的景观植物更新与布局优化提供依据。

3 同济大学Joy Garden屋顶实验花园

3.1 案例简介

Joy Garden屋顶试验花园建成于2016年，是屋顶绿化研究性设计的实践成果，其位于同济大学南校区一栋3层建筑的屋顶（图5），四周被高层建筑包围，距离地面高度约11 m，地上一层为餐厅，地上二三层为商务办公区。屋顶可使用面积为150 m2，长23 m，最宽处8.22 m，最窄处4.47 m，形状为不规则的长方形（图6）。

3.2 项目预研究

1）项目所在建筑屋顶为可上人屋顶，项目功能需求包括休憩活动、教学参观、实验研究等。根据荷载测试结果，其可建屋顶绿化类型包括组合式和草坪式。2）按照屋顶绿化相关规范要求来设计防水层、蓄排水层和过滤层等结构层，在保证屋面防水和排水安全的前提下进行屋顶花园的预研究，包括风环境、日照条件模拟与其设计策略。3）基于预研究的设计策略初步设计出3个方案并进行方案评价与决策。

3.2.1 风环境模拟与设计策略

为了能够精确了解屋顶的风环境，在设计之前利用WindPerfectDX软件进行风环境模拟，还原现场条件。首先，对屋顶花园所在建筑圈定一个范围，进行现场踏勘，将建筑实际的布局和高度反映到模型中（图7），模型区域为314 m×266 m×88 m（x，y，z），根据《绿色建筑评价技术细则（2015）》相关要求，确定模拟边界计算尺寸为1 370 m×13 70 m×600 m（x，y，z），中心区域网格尺寸设置为2 m×2 m×1 m（x，y，z），网格数量超过500万。上海属于亚热带季风气候，3—8月盛行东南风，风力普遍在3～5级，但也会受到沿海台风影响，风力最大达到8级；9—10月盛行东北风，风力基本维持在3～5级。11月至次年2月盛行西北偏北风，风力约为3～6级。因此，利用WindPerfectDX模拟的区域最大风速为17 m/s（8级），屋顶花园所处环境风速均低于5 m/s，因此，以最大风速5 m/s的西北风模拟实际项目风环境（图8）。

屋顶风环境模拟结果表明，周边建筑对项目所在屋顶起到了挡风墙的作用，特别是西侧建筑于冬季阻挡了大部分西北风。根据风环境模拟结果，将西侧作为使用者活动区域（图9），以便于最大限度地降低大风对人的影响；屋顶其余区域则作为景观种植区域。

3.2.2 日照模拟与设计策略

5 项目基本情况The basic situation of the project

6 项目屋顶轮廓平面图The roof plan of the project

7 建筑布局模型Building layout model

8 区域风速分布图Regional wind speed distributing map

9 屋顶花园风环境模拟与功能分区Wind environment simulation and functional division of roof garden

在风环境模拟基础条件下，利用Sketchup进行日照模拟分析。春分、秋分、夏至和冬至是一年中日照发生变化的转折点，其中夏至和冬至分别代表了一年中日照时间最长和最短的一天，因此利用Sketchup对2016年的春分、秋分、夏至和冬至进行日照模拟，模拟时段设定为06：00—18：00（图10）。

项目所在建筑均低于东西两侧的建筑，且建筑之间的间距较小，较大地影响了屋顶的日常采光。根据日照模拟结果将区域划分为光照区和阴影区。结合风环境模拟结果，将光照较好的区域作为活动空间，种植设计时考虑喜阳植物，增加花园入口的色彩感；将光照不好的区域作为通行道路以及功能区，设置园路、工具箱等设施，种植设计时，考虑耐阴植物，保证区域的绿量和层次感。

3.2.3 方案评价与决策

结合屋顶风环境和日照模拟结果，以及屋顶花园的功能性，将种植区域定为70 m2。一般而言，绿屋顶的建筑节能和雨水滞蓄作用等环境效能是基质层和植被共同作用的结果，基于此，本文笔者初步设计出3种方案（图11）。方案A：基质层厚度达30 cm，种植植物以小灌木为主，辅以草本植物；方案B：基质层厚度为18 cm，植物以草本为主，辅以宿根花卉；方案C：基质层厚度为10 cm，主要种植景天科草本植物。

1）从屋顶荷载来看，3种方案的荷载由小到大依次为方案C＜方案B＜方案A。屋顶荷载安全是首要考虑的因素，考虑到屋顶花园的功能需求，方案A存在较大安全隐患，不符合项目实际需求。

2）从绿屋顶的生态效益分析，增加基质层厚度可有效延缓初始径流时间和径流洪峰峰值[20]、增加蓄水总量。据肖敏的研究结论[21]，当土壤厚度小于30 cm时，随着土壤厚度的增加，绿屋顶的隔热节能效果增加较为明显，此外，灌木比草本类植物的隔热降温效果更好，其节能效果也更强。因此，3种方案的节能效果和雨水滞蓄性能由强到弱依次为：方案A＞方案B＞方案C。从生物多样性考虑，方案B的植物种类和复杂性高于方案A和方案C。此外，方案B的观赏性强于其余方案。

3）从全生命周期角度分析，方案A的建设成本稍高于方案B和方案C。方案B和方案C以草本植物为主，养护简单；方案A的植被为灌木，其需要投入更多的养护时间和成本。因此，综合成本由高到低依次为方案A＞方案B≈方案C。上海尚未征收雨水排水费，目前绿屋顶的经济效益主要为建筑节能效益，依次为方案A＞方案B＞方案C。

综上所述，方案A的安全隐患较高，不适用于本项目；全生命周期内方案B的环境效能高于方案C，且其观赏性优于方案C。因此，项目方案最终定为方案B。

3.3 项目深化设计

3.3.1 建筑节能设计

通过预研究的分析结果，梳理出初步设计方案（图12）。为节约电能，该项目在屋顶安装太阳能光伏发电系统。结合屋顶日照模拟结果，将其置于阳光最为充足的地方，以满足屋顶花园的用电需求。

3.3.2 雨水滞蓄性能设计

由于屋顶花园处于建筑顶部，排水系统相对独立，在深化设计中，对该屋顶花园的雨水收集和处理系统进行了专项研究。为了实现屋顶花园雨水收集与再利用功能，通过场地调研，初步构想雨水储集箱的位置，并通过竖向设计控制屋顶分流和径流方向，在雨水充沛的时候充分收集雨水，将多余的雨水通过建筑排水系统排走。利用SWMM（Storm Water Management Model）软件模拟估算上海降雨条件下雨水收集系统的储水量，从而合理设计储水箱的尺寸。

10屋顶花园日照模拟结果Simulation results of sunshine in roof garden

11依据风环境模拟和日照模拟结果初步设计的3种方案Three design schemes based on wind environment and sunshine simulation results

12屋顶花园初步设计方案Preliminary design of the roof garden

13 雨洪模拟SWMM of rainfall flood simulation

14热成像仪的屋顶花园与周边屋顶温度对比图Temperature comparison between the roof garden and surrounding roof under the thermography

根据初步方案的场地设计，将屋面按照下垫面材质划分为3个汇水区，在SWMM中建立雨水汇集模型，模拟屋顶花园汇水过程（图13）。模拟的储水箱深度约为0.9 m[蓄水曲线为Area=Depth(m)]。综合考虑后，将蓄水的水箱体积定为1.5 m3（共3个储水箱，每个储水箱规格为1 m×1 m×0.5 m）。储水箱和控制箱设置在室外一楼地面，集成雨水收集、净化与再利用的自动灌溉系统。

3.3.3 生物多样性设计

为吸引蜜蜂蝴蝶等昆虫，提高屋顶花园的生物多样性，在方案B的基础上增加蜜源植物，包括松果菊、藤本月季、波斯菊、风车茉莉和八仙花，植物种类由原本的15种增加到20种。

3.4 项目效能评估

由于前期的预研究和深化设计，Joy Garden结构布局合理，其建成2年多以来，植物适应生长良好，也便于进一步评估其环境效能，包括调节热环境、建筑节能和雨水滞蓄效能等。

3.4.1 调节屋顶热环境

选择上海夏天较为炎热的一天（2017年7月22日）测量Joy Garden屋顶花园与周边建筑的屋面温度，热像仪选用德国InfraTec品牌的VarioCAM®hr research科研专家型红外热像仪，其可监测光谱范围是7.5μm～14μm，测量温度范围是－40 ℃～1 200 ℃，当监测温度在0～100 ℃时，精度为±0.15 K。监测结果（图14）表明，与周边建筑屋面相比，Joy Garden屋顶花园降温最高达12.49 ℃，绿化区域平均降温10 ℃左右，非绿化区域仍比周围屋面低约2 ℃～6 ℃，降温效果明显。3.4.2 建筑节能效益

He Yang等的研究表明，夏天室内空调温度设置为26℃时，上海市绿屋顶和普通屋顶平均热流差为1.75 W/m[22]；冬季室内空调温度为24 ℃时，平均热流差为22 W/m[23]。直接利用此结论，按式（1）和式（2）计算屋顶花园的建筑节能效益：

式中，Qh为节能量（W）；H为平均热流差（W/m2）；A为绿化面积（m2）；t为每天空调开放时间（h）；Q为每天实际节约电能（W）；EER为空调能效比。假设制冷期为5月15日—9月15日，共124 d；取暖期为11月15日至次年3月15日，共121 d；空调每天开放时间12 h。根据《上海市居住建筑节能设计标准》（DGJ 08-205—2015），空调供冷额定能效比取3.1，供热额定能效比取2.5，结合（1）和（2）计算所得，Joy Garden每年制冷期节约电能约58.8 kW·h，取暖期节约894.4 kW·h，全生命周期内约节约电能达38.13 MW·h。

3.4.3 雨水滞蓄效能

根据国家气象科学数据共享服务平台提供的数据，上海市标准年降水量为1 192.59 mm。由于Joy Garden建立了雨水收集与循环利用系统，150 m2的屋顶汇集的雨水全部被收集利用，其每年可减少排放雨水约179 m3。

3.4.4 生物多样性

Joy Garden建成一年多以来，已成功吸引过蜜蜂、蝴蝶等昆虫。此外，屋顶花园的植物种类也有所增加，例如2019年春天增加了未曾种植过的油菜花，成功增加了屋顶花园的生物多样性。

4 结论

屋顶绿化研究性设计建立于现状分析和全生命周期的基础之上。根据屋顶荷载确定屋顶绿化可实施的类型。基于环境效能对屋顶花园进行研究性设计，提升建筑节能效果、雨水滞蓄性能、环境热舒适度、生物多样性等环境效能，提高了屋顶空间使用的合理性和使用者的舒适度，保障植物良性生长，降低后期维护难度。基于全生命周期评价设计方案，则有利于选择出在满足功能需求的前提下，同时获得具有较高环境效能和经济性良好的方案。

屋顶绿化的研究性设计同样有利于其后期的更新改造，如为了保证建筑安全性，Joy Garden移除了松果菊，以防止其根系破坏防水层；Joy Garden在后期增加了智能监测系统，可实时查看屋顶花园的环境数据，有利于掌握植物的生长状态，便于及时对植物进行灌溉、修剪等养护工作，且监测数据也有助于分析评估屋顶花园的环境效能。

图表来源(Sources of Figures)：

文中所有图片均由作者自绘。