生態(tài)文明背景下綠色屋面根阻結構設計研究*

富爾雅 趙天怡 馮小雨

（東北林業(yè)大學,黑龍江哈爾濱 150006）

習近平總書記為推進保護生態(tài)系統(tǒng)，營造綠色工作環(huán)境，在全國重要會議上提出：大力推動我國生態(tài)環(huán)境治理文明體系管理建設，作為國家工程項目建設。生態(tài)文明文化體系堅持：人與生態(tài)環(huán)境相和諧，萬金不換青山綠水，將經(jīng)濟文明產(chǎn)業(yè)生態(tài)化作為發(fā)展戰(zhàn)略，將生態(tài)文明理念在工業(yè)生產(chǎn)活動里貫徹，大大促進生態(tài)文明綠色發(fā)展、發(fā)展環(huán)境健康農(nóng)業(yè)經(jīng)濟，綠色生態(tài)更好地建設依托我國經(jīng)濟的進步發(fā)展，努力將科學技術轉化為科技成果，堅持不懈生態(tài)文明建設建設和綠色發(fā)展核心理念。重點監(jiān)測生態(tài)文明風險項目并有效以生態(tài)文明建設建設水準為評價指標體系，促進經(jīng)濟社會發(fā)展翠綠色化的執(zhí)行，用生態(tài)標準規(guī)范企業(yè)綠色發(fā)展，并將經(jīng)濟發(fā)展成果投入生態(tài)文明建設中，萬不要以破壞生態(tài)為基礎建設社會發(fā)展。堅持控制生態(tài)環(huán)境資源的開采量并為全面發(fā)展、共同繁榮，建設具有生態(tài)文明活力的綠色城市護航。

一、研究背景

1.環(huán)境背景溯源

我國于2021年夏出臺：針對城市規(guī)劃綠色健康發(fā)展的系列意見，在此意見中國國務院提出要加大科學創(chuàng)新成果產(chǎn)出并對其以扶植態(tài)度，廣泛傳播和宣傳綠色技術創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的發(fā)展，以我國市場行業(yè)為導向，加大發(fā)掘具有潛力的新技術企業(yè)，發(fā)現(xiàn)具有核心創(chuàng)造力的新鮮力量。以國家體系為發(fā)展導向，將國家研究中堅力量、國家生態(tài)創(chuàng)新中堅力量、國家科技前沿新興產(chǎn)業(yè)、新型人才進行投入，大力支持我國綠色生態(tài)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展繁榮。用這些力量用于第一批城鄉(xiāng)規(guī)劃綠色生態(tài)建設發(fā)展的創(chuàng)新試點項目，組織開展綠色創(chuàng)新技術攻堅戰(zhàn)，集中力度有針對性的支持一批生態(tài)文明低碳環(huán)保產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，并延伸產(chǎn)業(yè)鏈帶動周邊產(chǎn)業(yè)的集體轉型升級。面對十四五規(guī)劃以及民生經(jīng)濟問題，中共提出前瞻性意見：要繼續(xù)大力發(fā)展大型綠色健康建筑、發(fā)展生態(tài)環(huán)境建設新形態(tài)。公元前6世紀建成的古巴比倫空中花園被視為最早的綠色屋面，雖然最初目的只是觀賞性而非環(huán)境綠化，但后世關于綠色屋面的所有研究建造都以它為雛形，將它視為綠色屋面的開端。在強調(diào)生態(tài)文明的時代背景下，城市面積不斷擴大，工業(yè)文明發(fā)展迅速，這些所伴隨的是刻不容緩的環(huán)境問題，如綠化面積不足，溫室氣體排放量大，綠色生態(tài)空間不足等，這也是一個世界性的環(huán)境問題。除卻傳統(tǒng)的樹木種植保護，生態(tài)環(huán)境修復等方法，綠色屋面以一種節(jié)能環(huán)保新形態(tài)走進大眾視野，為很多環(huán)境問題給予可行性方案。

2.環(huán)境問題

面對兩極冰川融化、海平面上升、全球氣溫變暖等一系列問題，世界溫室氣體排放量過大已經(jīng)對地球生態(tài)環(huán)境造成影響和改變。從我國城鄉(xiāng)建設的發(fā)展上看，經(jīng)濟工業(yè)飛速進步的同時，溫室氣體排放總量增速也很快，所面臨生態(tài)環(huán)境污染，水土資源壓力不斷加大，這針對綠色生態(tài)綠色文明的發(fā)展方向并不開朗。面對生態(tài)問題當下正在實施的解決辦法有退耕還林還草還水，修復擴建防護林，限制畜牧量工業(yè)排放量等這種方式可以減輕、操縱和修補中國的環(huán)境問題。但是大部分適用于郊區(qū)環(huán)境，并沒有具體有效的方法面對小城鎮(zhèn)內(nèi)的綠化面積不足問題，不過綠色屋面的提出在垂直概念上為城鄉(xiāng)生態(tài)文明的發(fā)展提供了新道路，或?qū)⒊蔀槌青l(xiāng)發(fā)展新方向。

3.現(xiàn)有成果

在“十四五”整體規(guī)劃中，有關部門強調(diào)要發(fā)展趨勢綠色節(jié)能建筑，打造出環(huán)保產(chǎn)業(yè)，在未來數(shù)十年的發(fā)展進程中，綠色、生態(tài)、文明將成為世界性的關鍵導向詞。歐盟等發(fā)達國家在近代以后，紛紛展開了對于生態(tài)文明的建設，這相比較我國提前領先了半個世紀之久，其中，以美國、歐盟以及其他發(fā)達國家的發(fā)展進程最快，且技術領先于當時的世界各國。孟慶林等學者將常用于屋面綠化的植物進行收集取樣，計算各自的輻射參數(shù)，借此屋面綠化的平衡模型出世并為后來者的研究實驗提供數(shù)據(jù)參考。趙定國等學者對綠化屋面實際落地的各項系數(shù)進行了實驗研究并分類加以整理。在室外陽光直射下，屋面表層所受輻射中的熱量額度的百分之30.9會通過反射入空氣消失于屋頂，另外百分之58則會通過屋頂上植物葉片的蒸騰作用消散，也就是說僅有百分之1.2的輻射會留存下來成為熱量。

由于城鄉(xiāng)建設的不斷向橫向和縱向擴張，城鄉(xiāng)公路汽車尾氣向空氣中排放，空調(diào)制冷劑等消耗極大，城鄉(xiāng)供暖系統(tǒng)等產(chǎn)生的溫室氣體大量排放入空氣，道路大面積鋪設水泥瀝青等情況，使周邊氣溫升高，與周圍郊區(qū)形成溫度差造成熱島效應，急需增加城鎮(zhèn)綠化面積，減緩溫室氣體的擴散。綠色屋面作為現(xiàn)階段并未普及的項目，一旦加以覆蓋所增加的綠化面積無疑巨大，借此提出假設并以理想狀態(tài)推測，若將一個城市的所有屋面進行綠色屋面的種植改造，可以吸收城市上空中約百分之80的二氧化碳具有生態(tài)效益，可以不錯的減輕在我國綠植不夠的環(huán)境問題。綠色建筑屋面同樣可以用于涵養(yǎng)水源，這是行之有效的。除此原因，綠色屋面的建設不占用平地土地資源，施工同樣在屋面上，節(jié)約土地資源高效利用豎向空間并且不干擾路面交通和生活。為了更好地達到國家翠綠色綠色節(jié)能建筑的規(guī)定，又能減少建設成本，未來將急需新型低成本綠色建設技術，也因此研究綠色屋面的根阻技術勢在必行。綠色屋頂擋根產(chǎn)品結構設計技術性可以合理處理目前室內(nèi)空間不能滿足城市園林綠化總面積規(guī)定的問題，將城市豎向空間合理運用，在不對城市現(xiàn)有結構進行大的改變的同時以較小成本增加綠化面積，為實際環(huán)境應用提供可行方案。

二、技術設計

1.設計理念

植物根系生長的延展力度很大，常?？梢灾苯哟┩笌r石層若在屋面原有防水層上時光無疑會破壞屋頂?shù)脑蟹浪畬由踔習蚋顚哟伟l(fā)展破壞，這種根系破壞不僅對屋頂防水層進行強力穿透還破壞了房屋的剛性結構，修復成本同樣很高，如果補救不及時或者沒有發(fā)現(xiàn)，將會成為建筑物的安全隱患。如果植物的根系不加控制的生長直至穿透結構層,將會形成更嚴重的結構損傷，威脅居民生活的安全。在綠色屋面防水技術這一領域內(nèi)，世界各國關于它的研究從多個方面而言，已經(jīng)有了不同程度上的成果，但并無切實且可作用于廣泛推廣。國內(nèi)外均有少數(shù)實驗實例，但技術資金要求較高，無法完成普及。設計中簡化技術，降低成本，增加綠化面積實現(xiàn)生態(tài)文明理念，以期在實際落地的應用中兼具社會性效益以及經(jīng)濟性效益，改善城市居住環(huán)境。設計上依據(jù)植物根系的向水性引導，減少根系對防水層和底部的壓力，對原有施工形式經(jīng)過創(chuàng)新，不僅提高安全性和實用性，并且有效進行根阻，裝配式結構的運用、可拆解的結構相比其他綠色屋面防水方式運輸安裝更加便利，節(jié)約了耗材，減少屋面負重。適用于現(xiàn)有大多數(shù)民用房屋商用房屋，以至于寫字樓等辦公房屋，適用范圍廣，建設成本低，在增加城市綠植面積，吸附溫室氣體，緩解熱島效應等，不僅作用于建設海綿城市，同時美化城市環(huán)境，增加可觀賞性，浪漫又有意趣，審美獨特力爭發(fā)展為新型城市的標簽，使具有合理性、審美性、科學性。

2.方案原理

該綠色屋面根阻技術包括：種植結構，根系引導結構，排水結構等如圖一表二，總體呈現(xiàn)凹槽狀在可以平穩(wěn)置于屋面的條件下可為屋頂小景觀設計提供技術支持。該技術采用植物根系向水性原理，采用一植物槽一水槽的結構形式，相互作用形成植物槽內(nèi)土壤兩側濕潤下方干燥的結構形式，引導植物的根系生長，呈現(xiàn)出新型屋面結構。運用靈活可拆卸，成本較低且易推廣。

高分子聚合物防水且密度大，重量輕且價格低，鋪在原有防水層上貼合較好。置于土槽底部的陶粒吸水性好，堅硬不易被根系突破，作為第二道放線。水槽與土槽的接觸處使用易滲水結構，利用植物根系的向水性對根系進行引導，減少根系向下的趨勢，與土槽底部的陶粒相互作用，使土壤形成兩側多水，底部少水的形態(tài)，從根系的習性上做到對其生長的引導。并且在水槽的一定高度上設水限，水高于水限時，流入水槽上所設的管道中，匯集到總管流下屋頂，可以達到涵養(yǎng)水源、水資源多次利用的節(jié)約環(huán)保作用。如圖1為設計結構。

圖1 根阻結構圖

3.向水性實驗

在1985年,杰夫與同事用豌豆突變體進行實驗，根據(jù)試驗中的高效數(shù)據(jù)信息，證實了綠色植物根莖地向水溶性與向地性不相干。該實驗控制變量為濕度，當實驗土壤中的濕度達到95%-98%時,根系在生長出土壤后也不再會彎曲,而是向著濕潤度較高的空氣中生長。當把變量濕度調(diào)整為85%-90%時，原本向濕潤度較高的空氣中生長的根則會向下彎曲迅速生長，直至扎根入比空氣濕潤度更高的土壤層里面。通過這一實驗數(shù)據(jù),得出結論：根系具有感知土壤中濕潤度的能力，并且對于濕度的反應較為明顯。借此實驗我們可以證明植物根系的向水性。所以可以利用控制植物種植土內(nèi)的土壤濕潤度引導根系生長方向，從而實現(xiàn)綠色屋面的根阻。方案中向水性的引導利用兩用方式一起作用，簡而言之為“一吸收，一滲透”，其一是在種植土底部鋪設吸水陶粒，將底部的水分吸收；其二是在土層的兩側設置滲水結構網(wǎng)將水由兩側緩慢滲出，達到兩面濕潤度高于下方，進一步增加土壤各部分的濕潤差值。

三、方案實施

1.研究對象

相同土壤不同濕潤度分布情況下，同種植物根系分別生長形態(tài)。

2.實驗目標

模擬方案的實際實施過程，查驗設計方案的可行性分析，找到計劃方案的欠缺并勤奮科學研究處理，驗證推廣性。

3.實施步驟

以根系向水性為依據(jù)制定本方案，于場地內(nèi)搭建模型，各參數(shù)為理想狀態(tài)進行實地模擬研究。植物槽內(nèi)土壤位置高于滲水網(wǎng)，引導槽內(nèi)水位高于滲水網(wǎng)且低于控水口，植物選用地毯草，于通風平整處進行實驗。設置對照組，用等量土壤、同種類植物進行平行擺放，水分來源區(qū)別于實驗組，采取人工澆灌的方式進行培育，每七日分別進行觀察并拍照記錄，對比根系生長區(qū)域以及對種植槽是否破壞進行檢查。

四、實驗結果討論

通過以上實驗多次進行，發(fā)現(xiàn)在具有引導槽引導的植物根系在生長時，大多數(shù)根須橫向生長，多數(shù)延伸至水分較多的滲水網(wǎng)附近，而向下生長的根系明顯減少。無引導槽引導的植物根系向下生長，隨時間增多下方根系積累越多向下力明顯，若長此以往對于種植物底部則會造成損傷。在應用初期可選擇全國范圍內(nèi)選取不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)進行實驗試點，標準一是要有較好的綠色發(fā)展基礎，有利于進一步實施；二是它們需要分布于不同典型氣候區(qū)，便于實際設計使用時針對不同地域條件進行改進優(yōu)化，更好地服務社會應用；另外，它們也需要不同于北上廣等大城市的房屋緊張，新建建筑用地的面積規(guī)模比較大，要保證城鎮(zhèn)運作無壓力。從落地應用中各試點的實際思考問題，這更有利于綠色屋面的普及。

五、實驗總結

實驗過程較為嚴謹，通過控制變量方法，將實驗結果進行整理分析，確認向水性引導根阻結構設計具有可行性，可以有助于當下問題的解決。較我國現(xiàn)有技術的多層疊加式相比，多層疊加式成本較高，體積較大，檢修不便。而用向水性引導的根阻技術不是單純依靠對于根系生長的抑制和阻攔，符合植物根系生長習性。裝置簡便減輕重量，為裝配型設計，在面對不同鋪設面積、鋪設環(huán)境、鋪設要求時變通靈活，可多次拆卸，運輸更加便捷的同時也使檢修更加的方便，降低耗材、提高鋪設效率。綜上所述向水性引導型根阻結構可以滿足市場需求，具有實際可推廣性。

六、方案總結

本設計主要依靠根系向水性作業(yè)，在減少成本的前提下為城市增加綠化面積。不僅可以吸收更多溫室氣體，對于原有屋面也有著保護作用，盡量避免陽光的直射，減少自然因素造成的屋面材料損耗，如冰雹等。綠色屋面同樣具有吸收噪音屋頂隔熱的作用，以普遍而言可以減低大約8分貝以內(nèi)的環(huán)境噪音并且可以吸收太陽輻射，冬季保持屋內(nèi)熱量的穩(wěn)定，且夏季阻礙外界熱空氣的滲入，使房屋內(nèi)部的冬暖夏涼，從另一方面減少了空調(diào)的使用，對節(jié)能環(huán)保有著很好的效益。在這樣的大環(huán)境下，市民對于綠色屋面的相關內(nèi)容了解較少，即使有愿意進行安裝也會對于實際落實時一些并不明確的條款抱有懷疑和躊躇態(tài)度。因此，需增加普及率，呼吁加強國家在綠色屋面上出臺更強有力的明確條款，亦可增加建設補助等機制，減少實施方的后顧之憂。將進行有關知識的宣講在居民中進行，以期望從對于綠色屋面的排斥不了解轉變?yōu)榉e極配合安裝，使綠色屋面的建造深入廣大群眾群體，并在這個過程中深入群眾集體，不斷完善改進方案以期形成適合各地區(qū)發(fā)展的特色屋面。也需要對安裝人員進行技術培訓，提高工人的技術水平，將技術普及。

結語

伴隨著科技進步和教學的迅速發(fā)展趨勢，大家更加高度重視保護環(huán)境的意識，人民都希望真正的綠色可以在鋼鐵城市中更多的出現(xiàn)。綠色屋面作為美化改善城市生態(tài)環(huán)境的一種新的方式，成了綠化形式的一種必然趨勢，國家對于綠化生態(tài)的不斷重視強調(diào)，綠色屋面的設計建設具有豐富的應用場景和良好的應用前景，是生態(tài)文明新趨勢。