生态屋顶技术在城市绿色建筑中的功能与效益分析

宋丹

（广安职业技术学院，广安638000）

1 前言

随着全球气候变暖，城市面临着空气污染、热岛效应加剧等环境问题。数据显示，到2050 年，全球城市人口将占世界总人口的70%，为实现可持续发展，各国积极推进绿色建筑发展。生态型屋面系统作为一种绿色建筑技术，发挥着净化空气、调节微气候、节约能源等多重生态功能，在城市适应和抵御气候变化中发挥着重要作用。

2 生态屋顶关键技术

2.1 轻质化基质技术

轻质化基质技术是生态屋顶的关键技术之一，主要目的是实现屋顶轻量化，降低屋顶荷载。

常见的轻质基质包括木屑、煤矸石、陶粒、发泡玻璃等，与混凝土（密度2.3 g/cm3～2.4 g/cm3）相比，这些材料密度明显更低，一般在0.5 g/cm3～1.5 g/cm3之间，可以减轻30%以上荷载。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）制作的基质，与相同厚度的混凝土基层相比，可减轻35%～55%荷载。

同时，这些多孔轻质基质还具备良好的保水性和通气性。保水性能良好，可提供种植基质需要的湿度水分；空隙较多，有利于空气对植被根系的通风和氧气供给。煤矸石基质孔隙率可达50%以上，保水性好，无需额外浇水。此外，陶粒基质、珍珠岩基质、蛭石基质也可保持较高含水率。

2.2 防水和排水技术

生态屋顶的防水、排水系统直接关系到屋顶的防渗性能和使用寿命。图1 为某生态屋顶的防水排水系统。

图1 某生态屋顶的防水排水系统

常用的屋面防水材料有改性沥青防水卷材、高分子防水卷材、防水涂料等，改性沥青防水卷材耐老化性能差，防水涂料易开裂渗漏等问题，而高分子防水卷材具有防水性能好、耐候性能好、对环境污染小等特点，在屋面防水施工中得到了广泛的使用。目前常用的高分子防水卷材有聚乙烯（PVC）防水卷材、热塑性聚烯烃（TPO）防水卷材、三元乙丙橡胶(EPDM)防水卷材等，具有轻薄、施工简便、防水性能好等优点。这些新材料的抗裂能力达到300%以上，使用寿命可达30 年以上。屋顶排水系统也会直接影响雨水的排出效率，目前常用的排水层有多孔排水板、波纹复合排水板等。这些排水层厚度在20mm～50mm 之间，重量仅为815kg/m2～15kg/m2，既减轻了屋顶负荷，也保证了排水性能。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，同时连接要可靠、无漏点。

2.3 承重结构设计

生态屋顶的承重结构设计要考虑屋顶荷载情况，选择合适的材料承受屋顶的永久荷载和临时荷载。一般来说，与传统屋顶相比，生态屋顶的总荷载明显增大，植被和基质的荷载可达100kg/m2～200kg/m2，积水的荷载为1000kg/m3。为控制自重，生态屋顶的承重结构要以轻质化为目标，可以采用钢结构、木结构、索网结构等轻型材料制作。

针对混凝土楼板结构，可以在楼板上加装轻质的钢结构承重框架，采用钢制H 型梁、C 型钢等作为主承重构件。对于钢结构屋面，可以在下弦杆上配置钢制V 型支撑和上弦杆，形成钢结构网格，再置于其上的屋面板承受屋顶荷载。木结构屋顶可以制作木质桁架，或在木质楼板上加装木制承重构件。桁架采用的材料包括胶合板、集成材等，增强承载能力。

2.4 智能监控技术

智能监控技术是生态屋顶的重要组成部分，它通过各种传感器的布置，实时监测屋顶的光照、温湿度、土壤湿度等参数，并将数据反馈给中央控制系统，实现对屋顶环境的精确控制。智能监控系统由数据采集模块、数据传输模块、中央控制模块等组成。数据采集模块包含各种传感器，这些传感器布置在屋顶不同位置，实时监测环境参数。表1 为某生态屋顶的数据采集模块。

表1 某生态屋顶的数据采集模块

其中，光照强度（lux），通过光敏传感器采集，判断日照强度；温度（℃），通过温湿度传感器采集；湿度（%RH），通过温湿度传感器采集；土壤湿度（体积含水率%），通过土壤湿度传感器测试；雨量（mm），通过雨量计测试。

数据传输模块通过RS485、ZigBee、WiFi 等有线或无线网络，将采集到的环境数据实时传送到中央控制模块。中央控制模块基于ARM或FPGA 等微处理器，内置数据分析算法和控制模型，可对数据进行统计分析，并据此决定控制策略。

3 生态屋顶技术的SWOT 分析

3.1 优势（S）

3.1.1 改善城市微气候

生态屋顶可以起到调节建筑热环境的作用。研究表明，绿化覆盖率每增加10%，可以使建筑物屋顶温度下降1℃～2℃。与普通混凝土屋顶相比，采用生态屋顶可以使建筑屋顶温度降低高达4℃。这是因为植被本身可以吸收热量，并通过蒸腾作用带走大量的潜热，从而降低建筑热负荷。

3.1.2 节约建筑能源消耗

与传统混凝土屋顶相比，生态屋顶可以显著降低建筑物的制冷和采暖负荷。以温哥华公共图书馆为例，生态屋顶可以使建筑物夏季制冷负荷减少10%以上，冬季采暖负荷减少15%以上，相当于每年可以节省5%～10%的建筑运行能源。

3.1.3 净化空气质量

各类绿色植被可以吸收空气中的尘埃、二氧化硫、二氧化氮等污染物，并进行光合作用产生氧气。研究表明，每增加100 平方米的屋顶绿色面积，可以减少空气中2.3 千克的尘埃和1.5 千克的有害气体，具有明显的空气净化效果。

3.2 劣势（W）

3.2.1 建造成本和维护费用高

与普通屋顶相比，生态屋顶在设计和施工方面需要投入更多，包括配置适宜的种植基质、高标准的防水层、完善的排水系统、配置适应性强的植被等，这导致生态屋顶的初始建造成本至少要高出20%～30%。此外，生态屋顶后期的维护费用也较高，需要定期检查防水层的完整性，并对植被进行除草、补栽、施肥等操作，保证植被基质和绿化效果，这些都增加了后期的运行维护费用。

3.2.2 专业技术要求高

从设计到施工再到后期运维，生态屋顶都需要跨学科的专业技术支持。在设计方面，需要植物学、景观学和建筑学知识对屋顶植被和景观进行优化配置；在材料选择和施工方面，需要对各层材料的物理特性、协同工作原理有充分理解，才能确保屋顶的防水和排水功能；在后期养护方面，需要对植被的生长环境和除草补栽方面有科学合理的管理措施。由于我国在生态屋顶的技术研发和工程应用方面起步较晚，直接参与生态屋顶建设的专业技术团队和经验还比较缺乏，导致很多生态屋顶项目在设计和施工方面存在问题。

3.3 机遇（O）

3.3.1 政策支持

近年来，国家陆续出台了一系列政策法规，为生态屋顶的发展提供了政策支持。2019 年，国家发展改革委发布了《绿色生活创建行动总体方案》，该方案根据不同地区的实际情况，实施了居住建筑的节能改造，推动公共建筑进行绿色改造，并加强了绿色建筑的运行管理。同年，住建部颁布了新版的《绿色建筑评价标准》，这一标准规范和引领了我国绿色建筑发展的基本技术规范。2023 年，中共中央办公厅和国务院办公厅发表了《关于推动城乡建设绿色发展的意见》，鼓励推动绿色建筑的高质量规模化发展，大力推广超低能耗和近零能耗建筑，并发展零碳建筑。

3.3.2 资金支持

各地也相继出台资金支持政策，用于生态屋顶建设。以北京为例，北京经济技术开发区发布了2023 年度的绿色发展资金支持政策，主要关注污染防治、节能减碳和绿色建筑项目。目前，全国31 个省市都已经出台了支持绿色建筑的政策和相关补贴标准。例如，在三星级绿色建筑项目中，广东补贴每平方米45 元（单一项目最高200 万元），江苏按一定比例给予配套奖励，山东补贴每平方米50 元（单一项目最高不超过500 万元）。

3.3.3 技术支持

技术支持方面，各高校和企业研发出多项新技术为生态屋顶建设提供支持，如同济大学改造屋顶花园创造全新空间，朝阳科技大学开发节能生态屋顶花园技术，陕西科技大学研发光伏屋顶技术。技术的不断创新和各类新材料的不断涌现，丰富了生态屋顶的建造形式。

3.4 挑战（T）

3.4.1 区域性差异所带来的挑战

我国地域辽阔，不同地区的气候条件、经济发展水平和居民习惯存在较大差异，这给生态屋顶的推广应用带来一定困难。南方地区降水充沛，北方地区干旱少雨，不同地区在屋顶绿化设计方案选择上存在差异。

3.4.2 社会认知度有限

我国居民对生态屋顶的功能与效益还不够了解，生态屋顶的社会认知度有待提高，与欧美国家相比，我国居民环境保护意识整体偏弱。提高公众对生态屋顶的认知，使居民理解生态屋顶的环境、经济和社会效益，有利于生态屋顶理念的传播和推广。

4 SWOT 分析结论

生态屋顶作为一种建筑形式，对改善城市环境、建设生态城市具有积极意义。通过对屋顶绿化SWOT 分析可知，其环境调节功能是最大的优势，能明显改善城市小气候环境，并产生一系列生态效益。与地面绿地相比，屋顶绿化增加了绿化空间，提高了土地利用效率，是城市可持续发展的有效手段之一。为更好发挥生态屋顶的优势作用，建议采取以下对策：一是大力推广屋顶绿化相关技术，突破屋顶承重等技术难题，拓展屋顶绿化的应用形式；二是制定科学合理的屋顶绿化标准，指导屋顶绿化设计，确保质量；三是加强屋顶绿化的运营维护，实施智能化监控，提高维护效率；四是加大屋顶绿化的政策支持力度，采取财政补贴、示范引领等措施，推动屋顶绿化建设。

5 结论

综上所述，生态屋顶作为一种绿色、可持续的建筑方式，在应对城市化进程中出现的环境问题方面发挥着重要作用。它不仅可以减少城市热岛效应、改善空气质量，还可以发挥保水减排、节约能源的多功能效应，为城市提供重要的生态系统服务，具有重要的环境、经济和社会效益。随着绿色建筑理念的推广，各城市应大力推进生态屋顶的建设，并不断完善相关技术，以发挥其在建立美丽宜居城市中的巨大潜力。