海绵城市理论下建筑绿色屋顶设计研究
时间：2023-02-24 22:40:03 来源：千叶帆 本文已影响人
汤玮 韩童威
中国市政工程中南设计研究总院有限公司 湖北 武汉 430014
我国水资源相对短缺且南北分布严重不均，城市的快速扩张破坏了原有的水生态，地面的硬化导致城市内涝和热岛效应明显[1]。如今，我国多个城市均发生过因雨水过多导致的城市内涝、水处理压力严重超限、居民出行困难等现象[2]。究其原因，在降雨天气中因为缺少绿植和池塘的蓄水和消纳作用，近七层的城市降水形成径流被直接排放至市政雨水管道，导致城市内涝严重，生态环境恶化[3]。
为了解决我国城市发展出现的问题，近十年来海绵城市的理念广泛应用于城市的建设中。建设海绵城市的最终目的是实现弹性吸收和利用雨水，具体来讲就是通过构建“海绵体”与现有的基础设施相结合，增强对雨水的消纳能力[4-5]。其中绿色屋顶作为城市“海绵体”的重要组成部分，凭借其不挤占原有城市空间、具备较好的观赏性和蓄水能力较强的优势，已经在我国多个试点城市取得了良好的生态环境效益[6]。为了更科学地进行海绵城市的建设，本文选择绿色屋顶为研究的切入点，研究海绵城市的基本理论和技术路径，绿色屋顶的具体构造和作用机理，结合具体的案例探究绿色屋顶的具体实施方案，初步估算相应的生态效益，以期推动海绵城市理论下的绿色屋顶的建设。
海绵城市理论是以水科学和生态学为基础，利用水循环和水生态系统的理论，将城市建设成为像海绵一样，通过吸收、净化、蓄积雨水，将城市纳入到自然界水循环的过程中，实现对雨水的生态处理，让城市的环境更贴近自然，让雨水缓慢的释放，降低雨水引发的自然灾害。
图1 海绵城市的概念图
1.1 海绵城市建设的基本路径
由于城市面积较大，海绵城市的建设需要在不同层面和不同区域针对性的建设海绵体，实现不同的功能，实现海绵城市建设效果的最大生态和环境效益。根据海绵体的建设范围一般可以分为：区域和城市层面、基础设施层面、社区层面，三个层面相互作用、循环结合，形成水循环的良好闭环，更好地利用自然雨水，实现水生态的修复。海绵城市的建设途径，如图2所示。
图2 海绵城市建设的基本路径
海绵城市建设中（如图2所示），区域和城市层面的建设主要针对该区域内的河道、湖泊、农田等能占地和影响面积较大的“海绵体”进行科学的规划和修复，实现对雨水的调蓄和汇聚；
市政基础设施层面的建设是通过结合绿色基础设施如：绿地、树木和灰色基础设施，如：马路、人行道等形成完善的雨水设施吸纳、储存、传输和净化的体系；
社区层面是海绵城市建设的微观区域，应通过利于该区域建筑的立面和顶面，消减落入城市的雨水量，减少因人为因素对自然的干预程度。
1.2 海绵城市建设的应用技术
如今兴起的海绵城市建设的技术路径是采用低影响开发技术，即采用对自然界影响较小的建筑方法和技术构建若干个“海绵体”，实现对雨水的消纳和处理，常用的技术及应用场合如表1所示。
表1 低影响开发技术的类型和应用场合
绿色屋顶就是对建筑的屋顶或其他区域进行人工改造，进行绿化处理后合理的种植植物。由于场地的特殊性，对种植植物的类型和面积带来了诸多限制因素。根据屋顶植被的种类和种植基层的深度，可以将绿色屋顶分为简单式绿色屋顶和花园式绿色屋顶，两者对基层的厚度和屋顶的载荷要求差异很大。
2.1 构造层次
绿色屋顶从基层的组成上来说一般分为6个层次，每一层具有不同的功能和技术要求，层次由上到下，具体的功能和技术要求如表2所示。
表2 绿色屋顶的构造层次
2.2 绿色屋顶的作用机理
绿色屋顶是针对建筑屋面的一个重要的吸水技术手段，绿色屋顶对海绵城市的作用机理主要分为减小径流总量和净化径流水质两个方面。屋顶对减少雨水的径流量主要是通过对雨水进行消纳处理，多层次的吸水，以减少排入城市雨水管道的体量，影响雨水径流量的因素主要包括：屋顶的坡度，坡度越大雨水的径流系数越高；
绿地面积越大吸收面越大；
基层厚度越厚存储的雨水越多。雨水是一种易于获取的水资源，直接排入管道难免有些浪费，绿色屋顶可以将雨水中的硫化物、重金属和具有腐蚀性的其他物质进行过滤后排出，雨水即可转化为可以循环使用的水资源。作为自然的净化器也不占用额外的城市资源和空间。
A项目位于城市高新开发区，也是该城市绿色屋顶建设的试点项目。该项目以多层办公和工业生产厂房为主，该项目运用海绵城市的发展理念，构建了以绿色屋顶为主要组成部分的雨水生态调节系统。楼顶植被选择绿地和小型灌木，建设了一个简单式的绿色屋顶，配合环形曲折步道，步道采用砖石和木材等材料。
3.1 海绵技术的应用
项目绿色屋顶的构造如图3所示，顶部的构造从上到下为：植被层、基质层、过滤层、找平层、防穿刺层、防水层、地下的顶板。雨水落入绿色屋顶后，首先经过屋顶植被的吸收和消纳后，一部分进入到基质层储存，未能储存的水分汇流至屋顶的排水沟，通过排水沟再流入建筑周边的绿地再进一步的经过绿植层。园区内的雨水通过透水铺装汇流至道路两侧的碎石沟和植草沟，最终汇集到园区内的雨水塘，雨水塘的调蓄深度设计为300mm，达到水位的上限后，雨水溢流至市政雨水管网。
图3 绿色屋顶的构造
本着生态发展的理念，本项目的植物培养基质采用玉米和小麦秸秆配比自然土壤和人工材料培养种植基质。在蓄水材料的选择方面，选择环保的多孔岩和火山岩，该材料具有重量轻盈，材料环保，具有很好的渗水和蓄水能力。可以明显地降低楼面顶板的载荷量，保持建筑结构的稳定。
3.2 绿色屋顶的截留雨水量
根据其他项目的研究结果，简单式的绿色屋顶对雨水的截留量约为20%，花园式的效果较为突出，截留量约为65%。本项目的绿色屋顶建设面积为2300m2，由于是简单式的绿色屋顶，经计算可以得到，屋顶对雨水的截留量为460m3。
绿色屋顶是海绵城市的重要组成部分，绿色屋顶是针对建筑屋面的一个重要的吸水技术手段，可以在不改变城市原有格局的前提下，对建筑的顶面进行略微的改造后就可以实现“海绵体”的建设，实现对城市立体空间的二次低影响的挖掘和利用，已经在我国多个城市取得了良好的应用效果。本文结合具体的工程实例，就海绵城市的建设的基本路径、绿色屋顶的构成和作用机理进行深入的研究，实践证明绿色屋顶的建设可以有效实现对雨水的截留和消纳。
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