绿色屋顶雨水技术研究与清华校园案例分析

1 绿色屋顶的定义

绿色屋顶（Green Roof）是与城市传统硬化的灰色屋顶（Brown Roof）相对应的概念，可广泛地理解为在各类建筑物、构筑物、桥梁、立交桥等的屋顶、露台、阳台或大型人工假山上进行造园与种植的统称[1]。在绿色屋顶设计和研究领域使用的屋顶花园（Roof Garden）、生态屋顶（Eco-roof）、屋顶绿化等词汇均表达了相似的意思。

从大约公元前200 年的古庙塔岛、新巴比伦的空中花园、古希腊的阿多尼斯花园时期的屋顶花园的出现，到中世纪意大利的塔式屋顶花园，再到近现代多种绿色屋顶类型的呈现：技术的进步使得绿色屋顶成为重要的景观设计主题。随着城市内涝、热岛效应等环境问题的加剧，绿色屋顶开始广泛用于提升城市空间品质，应对城市雨洪管理问题，并作为建筑的第五立面参与雨水的滞蓄、建筑的节能及小气候的调节[2]。

简要总结当前绿色屋顶的两类研究对象：1. 精细化的可上人绿色屋顶（Intensive Green Roof）的设计、种植及使用评估研究[3-4]；2. 粗放式种植绿色屋顶（Extensive Green Roof）的植物生长、水文学及热力学过程研究[5-6]。本文重点关注这两类绿色屋顶中雨水技术的利用。

2 绿色屋顶与水文过程：水量与水质

绿色屋顶能够对局部小气候下的水文过程（降雨、蒸发、下渗、滞留、净化等）产生重要影响，Berndtsson J C[7] 简要综述了绿色屋顶在控制径流、改善质量方面发挥的作用，将绿色屋顶对径流的影响总结为水量与水质两个方面。

在水量方面，屋顶花园能够在一定程度上降低降雨产生的径流峰值，减少总的径流量、延缓产流时间、在较长的时间段内通过蒸散发等方式慢慢释放绿化屋顶土壤层所蓄滞的水分，使城市水文循环过程趋于自然化。Mentens J 等人[8] 利用水量平衡模型研究了采用景天科植物绿化屋顶的水文循环过程，研究表明绿色屋顶削减全年径流比例可达到50%。国内学者唐莉华等人[9] 利用一维入渗模型HYDRUS-1D，通过人工模拟降雨，量化分析了绿化屋顶对降雨径流的削减作用，其试验结果表明：小雨条件下绿色屋顶的蓄滞效果明显，蓄滞比可达到90% 左右。李帅杰等人[10] 在城市尺度上量化模拟了福州市中心区在建设屋顶花园方案下应对暴雨能力的提升（城区东片区主干河道晋安河洪峰流量10 年一遇平均削减9.16%、20 年一遇平均削减13.51%；城区西片区洪峰流量10 年一遇平均削减 17.23%，20 年一遇平均削减24.15%）。吕华芳[11] 等则研究了绿色屋顶不同轻量基质的持水特性，实验证明了容重低的轻质土壤仍可以达到普通土壤相近的保水能力。

在水质方面，屋面径流是城市径流的主要污染源之一[12]，不同绿化屋顶的径流出水水质差异大，相较于传统的硬化屋面，绿色屋面对雨水中绝大部分污染物（TSS，COD，TP，TN 等） 具有一定的削减作用。Hathaway A M 等[13] 研究了美国北卡罗莱纳州的两个绿色屋顶对雨水径流总氮、总磷的改善效果。

Vijayaraghavan K 等[14] 制备了18 种不同的绿色屋顶基质，并研究其对重金属污染物的去除效果。王晓晨等[15]在其研究中建立了双基质层绿色屋顶实验装置， 验证营养基质材料对绿色屋顶径流水质的影响，指出绿色屋顶吸附层厚度的增加可以在一定程度上提高径流水质。

3 绿色屋顶的雨水技术：水利用、水防护、水监测与水景观

绿色屋顶最核心的特点是“不接地气”，使绿色屋顶与地面景观在设计上有着明显的技术差别，主要体现在土壤介质、植物种植与雨水技术三个方面。设计绿色屋顶需要构建土壤—植物—水文为一体的技术体系。其中雨水技术显得尤为特殊：一方面，水是联系屋面生态过程与地面生态过程的纽带；另一方面，水文要素具有多面性，需要被综合考量。笔者通过国内外相关案例，从水利用、水防护、水监测及水景观四个方面介绍当前较为先进的绿色屋顶雨水技术。

3.1 绿色屋顶的水利用——收集与消耗

绿色屋顶的水利用侧重于研究如何使用技术手段承接自然雨水并配合人工水，实现植物的浇灌、景观的营造甚至建筑用水补给，以达到一定的生态效益。绿色的水利用包含两个层次：收集与消耗。水收集依托海绵城市雨洪管理的技术体系，通过组织屋顶面排水（植物、土壤、收集池等）进行雨水截流、滞蓄、净化和收集[16]。水消耗主要利用喷灌、滴灌、渗灌、雾灌等节水灌溉技术，消耗水源主要来自城市供水系统或雨水收集系统[17]。需要强调的是，自然雨水灌溉是最生态的水消耗形式。

曹船生等人[18] 研究绿色屋顶植物需水量与降雨量的平衡关系，通过计算当地不同月份植物的需水量（参照彭曼—蒙特斯公式）和屋顶区域雨水的可开发量，对比得到弃流池和蓄水池的设计容量。周怀宇等人[19] 以车库顶板上的居住区景观为研究对象，提出了负荷表面雨洪管理的技术体系，将雨洪滞蓄与下渗明确分区，在预防车库顶板积水的前提下实现自然雨水的灌溉利用。铁志收[20] 在杭州国际博览中心（G20 主会场）绿色屋顶中纳入了仿生精确的渗灌系统，通过计算模拟根系土壤中水分的需求量，对植物根系进行微量、精准灌溉，满足大型会议条件下的植物养护及节水需求。

美国纽约的高线公园是世界著名的高架屋顶花园系统（图1），发挥了激活城市空间、带动经济发展的有利作用，其高架桥本身的施工质量、荷载能力、防水标准较高，有着良好的构建高架绿化的条件[21]。水收集方面，高线公园的混凝土路面有着复杂的坡向的锥体结构构成一系列的迷你水坝（mini-dams），迷你水坝起到了雨水收集和景观互动的双重作用，下雨之后，行人能够涉足水中嬉戏，后期为防止路人滑倒，迷你水坝给改造成平底蓄水空间[22]。在水消耗方面，高线公园选用耐旱的本土植物，使得自然雨水灌溉成为可能。高线公园同时采用滴灌系统（90% 来自市政用水，少量来自雨水收集）和人工喷灌（高线之友的志愿者）相机结合的方式应对极端干旱天气。

都市绿创团队（Innovative Urban Green） 在同济大学科学楼设计完成的150 平方米的屋顶花园JoyGarden[23] 中，利用原有屋面向北的排坡，在北侧设置雨水沟实现雨水收集，雨水被净化后被用于植物滴灌（图2）。

图1 高线公园的混凝土路面的迷你水坝与蓄水空间[22]

图2 同济大学科学楼Joy Garden 的雨水利用与滴灌系统[23]

3.2 绿色屋顶的水防护——原有屋面防水性能检测与二次防水

绿色屋顶的水防护是水利用的前提条件，屋面防水处理的好坏直接影响花园的使用和建筑物的安全。常见的绿色屋顶结构层次为植物层、种植介质、过滤层、蓄排水层、保湿层、隔根层、防渗漏层和原有屋面防水层（包含二次防水）。20 世纪60 年代屋顶花园兴起时，聚丙烯滤布和防水卷材并没有投入应用，但当时的景观设计师已经意识到了土壤层和排水层之间需要隔根和防渗漏层。美国著名的帝国中心[24] 的屋顶花园就采用稻草作为排水层上的隔离层。虽然这些稻草会因腐烂而被水冲走，但是整体维持了较长的时间，直到土壤形成稳固状态。

现阶段，我国一般建筑物屋顶排水系统均未考虑建造屋顶花园所需要排出的植物渗透水和水体工程水，特别是浇灌水和水池污水中所含的植物根系、泥沙等杂质。因此，绿色屋顶要进行二次的水防护，完成原有屋面防水性能检测和二次防水层的铺设。

谢浩[25]、潘华贵[26] 等人指出，建设绿色屋顶前原有屋顶防水需先进行96 小时闭水试验，检测其防水性能；绿色屋顶二次防水铺设前最好先去掉屋顶架空隔热层，并在涂膜防水后再做刚性防水层[27]。刚性防水应对植物根系破坏的能力强、使用寿命长，但容易受热效应产生不规则裂缝，因此可利用屋面保温隔热层和沙子灰层隔离刚性防水与原屋面[28]。

另外，绿色屋顶排水设计要依据原有屋面的排水设计，不得擅自改变原有的排水方向和排水口，要处理好管道、烟道、排水孔、预埋铁杆及支墩的构造节点，特别注意构建与土壤连接部分以及排水沟水流终止的部分[29]。

在美国匹兹堡梅隆广场（Mellon Square）[30] 翻修工程中，为保证车库顶板安全，设计施工团队在种植池部分修补了原有车库顶板防水，铺设二次刚性防水，并加装聚乙烯隔板作为第三层防水。聚乙烯隔板主要用于填补更换轻质土壤后的大量空隙，起到加强防水、减轻屋顶荷载的双重作用（图3）。

图3 梅隆广场翻新工程中的二次防水（左）与聚乙烯防水隔板（右）( 来源https://www.pittsburghparks.org/mellonsquare)

3.3 绿色屋顶的水监测——评估与改进

在实践项目中，对绿色屋顶的绩效进行定量的监测和评估，有利于指导绿色屋顶雨水设施的维护与管理，评估屋顶竖向组织、设施容量设计的合理性。绿色屋顶水监测主要利用气象站、流量传感器、取样器等设备，形成包含雨水源头—过程—终端的监测链。在美国风景园林师协会（ASLA）总部大楼屋顶花园设计项目中[31]，学者利用流量传感器及自动取样器共收集了65 场降雨事件的数据，研究绿色屋顶对径流流量与污染物的削减作用（图4）。

图4 美国风景园林师协会（ASLA）总部屋顶花园项目的水量、水质监测[31]

3.4 绿色屋顶的水景观——限制与想象

绿色屋顶水景观基本囊括了地面花园所有的水景观类型，包括屋顶水池（游泳池）、屋顶喷泉、屋顶跌水、屋顶瀑布及屋顶湿地等。除人工水外，自然雨水是屋顶水景观的重要补水来源，屋顶水景观是绿色屋顶雨水利用的重要载体。在满足荷载及防水的条件下，绿色屋顶上的水池、喷泉、跌水、瀑布等与地面花园相比，在技术和工艺上并无区别。

在水景观营造时，要注意考虑水景观面积、重量和风力影响，最好在建筑建设初期就规划好屋面的供水设备。屋顶喷泉瀑布易受风的影响，在铺装地面上形成污水坑，所以高楼上喷泉景观可以结合风力感应器设计，在风速超标时及时关闭。

绿色屋顶上的水景观设计可以充满想象力：东京阳光60 大楼屋顶上的绿植、岩石与瀑布形成一种充满禅意的空间；奥克兰帝国中心40cm 的水池底利用黑色底漆及植物倒影造成水深1m 以上的视觉错觉，让人忘记这里是在屋顶；西雅图高速路花园是最为经典的利用水声来掩盖高速路噪声的屋顶花园，通过巨大的混凝土块营造了多级喷泉景观；相类似的，三井大楼屋顶花园的阶梯状流水瀑布则以动衬静，营造了安静绿色的休息空间（图5）。

图5 a 东京阳光60 大楼屋顶花园，b 奥克兰帝国中心，c 西雅图高速路花园，d 三井大楼屋顶花园[24]

4 清华大学绿色屋顶案例分析

清华大学校园中出于安全考虑，校园建筑屋顶大多处于封闭状态，屋顶空间未能得到有效地利用。清华校园中现有三处绿色屋顶，分别位于人文社科图书馆、建筑节能馆和环境馆。其中建筑节能馆屋顶花园是后期建设，人文社科图书馆和环境馆在设计之初就纳入绿色屋顶的，仅环境馆绿色屋顶对外开放。

4.1 清华大学三处绿色屋顶的调研比较

经过实地调研，对清华三处屋顶花园的相关资料进行总结，分析比较其类型、面积、使用情况、排水方式、水技术体系、植物类型和相关问题，见表1。

表1 清华大学绿色屋顶案例比较（自绘）

4.2 清华大学绿色屋顶水技术分析

4.2.1 雨水监测技术

人文社科图书馆绿色屋顶通过降雨量及径流监测对比，研究绿色屋顶对径流的削减作用，整套雨水监测系统见图6。系统包括一处太阳能小型气象站，监测距离屋面1m 和2m 处大气温度并同时监测风速、雨量和热辐射。流量装置用于监测屋顶面积为23 平方米的小面积绿地的产流情况。监测仪器直接连接屋面落水口，堵住了原有落水口。降雨时，落水管雨水会积满而溢流进入流量计，读数后径流从仪器外管道排到下层屋顶，再利用屋顶内排水排出。

4.2.2 节水灌溉技术

环境馆屋顶花园利用滴灌系统灌溉，水源为自来水，将水用塑料管直接送到植物的根部附近，滴头将水慢慢滴出，使水分能够有效地到达根部并且被利用，保证植物根部处于良好的生长状态，同时使远离根部的土壤保持干燥，有效地降低了土壤板结几率。

人文社科图书馆屋顶花园利用喷灌系统灌溉，有压水（流量 q=250L/h）通过管道运送到喷头，然后向上喷射到空中散开，水分均匀地分布在植物的表面。其浇水周期为2 周，水源为自来水，单次用时1 〜1.5 小时，根据喷灌布置可知，绿地每平方米单次灌溉耗水量约180L，如图7 所示。

图6 人文社科图书馆绿色屋顶雨水监测技术（自绘）

图7 环境馆滴灌系统( 左)，人文社科图书馆喷灌系统（右）（自绘）

4.3 总结

清华大学现有的三处绿色屋顶各具特色，分别面向科研（人文社科图书馆）、农业种植（建筑节能馆）和休闲娱乐（环境馆）需求，其中建筑节能馆是在建设后期增设的屋顶农场。清华大学现有大量平顶建筑的屋顶具有建设绿色屋顶的潜力。邵天然等人[31] 提出依据建筑年代、承重结构、屋顶属性、屋顶小气候判断建筑屋顶是否适合绿色化，并给出8 个具体的考评指标（建筑年代、建筑结构、屋面构造、屋顶功能、屋顶坡度、设备面积、建筑高度和遮荫状况）。可参考其研究的逻辑，在适度调整影响因子后（如纳入人群需求等），用于对清华大学校内屋顶开展相关的研究和测评，校方则可依据测评结果规划绿色大学、双一流大学的绿色屋顶系统。

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作者

清华大学建筑学院景观学系  周怀宇 刘海龙

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