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    杭州G20峰会主会场屋顶花园营建技术探讨

    关键词:风景园林;屋顶花园营建技术;现代建筑微生态环境;中国传统文化传承;工匠精神

    Key words:landscape architecture; roof garden construction technology; ecological micro environment in modern constructions; inheritance of Chinese traditional culture; craftsman spirit

    摘要:通过分析杭州G20峰会主会场屋顶花园工程建设项目面临的技术要点与难点,对屋顶施工材料运输技术、屋顶雨水收集净化与利用技术、屋顶防水处理技术、屋顶荷载减轻技术等关键技术的应用进行了分析,并对传统文化在屋顶花园上的传承问题进行了探讨,研究成果为现代建筑生态小环境营造提供了技术支撑与经验参考。

    Abstract:This research interpreted key technical points and difficulties experienced during the construction of the roof garden in Hangzhou G20 Summit Main Conference Hall project, analyzed roof garden material transportation technology, roof rain water harvesting and management technology, roof waterproofing technology, roof capacity reducing technology and other related technologies used during the construction, and discussed how Chinese traditions and cultures can be inherited in roof gardens. The outcome of this research aims to provide technical support, and to be a reference for the creation of ecological micro-environment in modern constructions.

    内容:近年来,随着经济的快速发展、城市化水平的不断提升,水土资源短缺、生物栖息地丧失、热岛效应显著等导致了诸如空气污染、水污染等一系列严重的人居环境问题。如何通过绿化手段改善空气污染与水污染来提升现代建筑生态小环境,完善建筑的第五立面已提上日程,常规的绿化设计已难以满足绿色低碳的生态需求,传统的绿化设计方法已难以为城市建筑绿化的长远发展提供生态性的指导,通过运用建筑的第五立面——屋顶创造出集休闲、观赏等多种功能于一体的四季如春、充满浪漫色彩的屋顶花园,其不仅使绿地向空中发展,有效开拓城市空间,也是建筑艺术与园林艺术的完美结合,提高了建筑空间使用、增加了景观层次,从绿色基础设施发挥生态服务功能的角度对城市建筑生态小环境设计进行探讨具有重要意义。 
    早在20世纪六七十年代,随着生态学的迅速发展,与人居环境建设息息相关的建筑生态优化就已经进行了大量的研究和实践。近一二十年来,一批大、中型生态优化建筑在国外相继建成使用,而在我国一些中小型建筑中,设计师们也一直在尝试着各种屋顶墙体的改造、雨水综合利用及各种环保材料的应用等,建设生态型绿色建筑是行业发展的必然趋势。在雾霾日益严峻的今天,植物和水是自然吸附降解PM2.5最好的方法,在城市中心区可以采取屋顶绿化等多种手段,增绿扩水,提高城市的生态自净力,改善城市生态小环境。城市中屋面面积一般相当于整个城市硬质表面积的30%左右,因为植物不仅可以遮挡太阳光线,生长过程中光合作用还能吸收太阳辐射,降低城市里温度,对城市热岛效应产生很大影响[1]。
    杭州国际博览中心位于杭州市萧山区,是2016年杭州G20峰会的主会场,其屋顶花园绿化工程由杭州中艺生态环境工程有限公司承建。屋顶花园离地面高差45m,绿地面积约48 473m2,水池面积约6 420m2,铺装园路面积约9 473m2,古建及风井面积约1 000m2。屋顶花园覆土采用改良轻质种植土,主要材料为腐石土、蛭石、沙土,其饱和比为7:2:1。覆土密度小于1t/m3。通过建造屋顶花园等基于建筑、构筑物顶面为依托,提升、优化建筑生态景观,通过生态能源的高效利用,突出与自然和谐统一的生态理念,改善建筑生态小环境。本项目运用多项具有企业自主知识产权的建筑小环境生态优化技术,进行小环境的生态构建,有效地提升城市雨水利用,降低周围空气的污染程度,并融入中国特色,体现文化传承。

    1  屋顶施工材料运输技术的应用
    根据绿化深化设计要求,绿地面积暂按平均每平方回填90cm种植土(轻质改良土壤,容重0.91t/m3,最大含水率12%),计算须种植土约43 600m3,屋面种植土等施工材料的垂直运输高度48m(图1)。因此解决材料的垂直运输问题是本项目的重点,难点在于施工材料垂直运输高度高,工作量大,工期短。
    1.1  运输方法
    根据现场实际,决定采用整体运输方案:种植土场外拌和运至屋顶打包水平运输、建材场外包装运输(图2)。
    1.2  运输工具
    经过综合分析和论证,使用斗式提升机能满足本工程种植土的垂直运输,屋顶的水平运输采用封闭式固定皮带输送机和手推式皮带输送机组合。首先2台斗式提升机将改良土提升到7层楼面高度(图2),送至水平封闭固定式皮带输送机进料口。然后水平封闭固定式皮带输送机将改良土输送至7层刚性屋面。再在7层刚性屋面水平封闭固定式皮带输送机出料口出设置机械打包机2台,配备料包转运工、打包工人20个,将改良土混合料打包并转运至移动式皮带输送机,最后转移至施工场地(图3、4)。
    技术优点:1)斗式提升机及封闭式皮带输送机的应用,土料在封闭筒体内运输,不会产生扬尘,对环境不会造成污染(图5)。 
    2)屋面手推式皮带输送机的应用,有效防止屋面保护层受到破坏,避免质量事故发生,并可快速将土方在屋面水平摊铺,从而达到分层压实的目的,有效防止施工后产生不均匀沉降,提高景观效果(图6)。

    2  屋顶雨水收集净化与利用技术的应用
    城市雨水综合利用主要有3种途径:雨水的入渗、雨水的收集净化利用、雨水的调蓄排放。适合于城市屋顶绿化的雨水利用方式之一是将雨水收集净化处理后用于植物的灌溉、景观水体的补水等。绿色屋顶能缓解暴雨所造成的积水、洪涝等地质灾害,因为雨水在屋顶中储存并蒸发,剩余雨水经过屋顶植物截流后缓慢地排放,能够大大减少雨水瞬间排泄引发洪水危害。除此以外,雨水的入渗可补充植被生长的水分需求,减少了屋顶地面径流量,缓解了城市排水系统的压力。
    屋面雨水是本项目雨水利用的主要对象,必须对屋面雨水进行有效的截留与利用。本项目通过屋顶绿化的形式进行收集利用:雨水通过植物及透水铺装的入渗功能到达蓄排水层,蓄水层具有暂时储蓄部分雨水的功效,再经过合理的调度和控制将水汇集一起,最终用来补给灌溉用水及景观用水等。
    2.1  屋面雨水收集利用技术
    屋面雨水收集利用可以通过屋面的外部收集系统和屋顶绿化的形式进行收集利用:雨水通过植物及透水铺装的入渗功能到达蓄排水层,蓄水层具有暂时储蓄部分雨水的功效,再经过合理的调度和控制将水汇集到一起最终用于补给中水、绿地及景观水体用水等(图7)。
    屋顶绿化的雨水利用应充分利用种植基质对雨水的渗透净化作用,改善雨水水质,与中水的处理回用提升水资源的综合利用效率。经过绿化后的屋顶雨水流速减缓,通过排水管以及其他有效的收集利用方式,将多余雨水储存在蓄留池的蓄存装置中以便在需要时被及时利用。 
    2.2  水体景观营造技术
    水是景观中的基本元素,水空间是指水占主导地位的空间,或者是指沿着封闭地形的简洁水体。水体还对空气中的粉尘如PM2.5具有一定的吸附作用,有效降低空气中PM2.5的含量,与此同时,它具有控制休闲活动的潜能,同时亦是生物的生存环境。水体景观包含堤、岛、湖、池、溪、泉等。
    在营造生态小环境环保技术中,本项目以大瀑布系统、屋顶水系循环系统围合空间。水幕墙以及其他运动的水体形式,在空间里可以降低空气中粉尘含量、冷却空气、加强视觉效果和创造声景观。水幕墙具有很强的物质感觉,或者创造使人兴奋或优美的感觉。当水是动态的或者是静态时,水的流速和质量影响感受,水与构筑物的质感相结合能够超越传统的水体形式(图8)。流水营造的水雾可以通过声音、光线、触摸和气味来改善建筑小环境的微气候。
    1)大瀑布给水排水系统:采用DN200管道在地下室设2组水泵加压供水,在29.2m位置循环连通,通过134只DN40的喷头形成瀑布水流。瀑布水在7m位置吸水沟收集后,经8根DN200的管道回流到地下室集水器补给2组水泵,并在7m位置设置市政供水补水管道。该7m瀑布为亚洲第一大建筑外墙人造瀑布。
    2)屋顶水系循环系统:在屋顶水系净化机房内设置一套综合净化装置,先由加压供水管给屋顶水系上游位置加水,在水系下游末端位置设置过滤扣箱作为循环回水口,通过2根DN200管道回流到屋顶水系净化机房内的综合净化装置前端,净化过滤后再由综合净化装置的加压水泵,通过DN200的管道给屋顶水系供水,并加压供水管作为补水管道用。
    2.3  自动灌溉和微喷技术
    本项目在灌溉区按设多个土壤湿度传感器和空气质量监测传感器。传感器检测到的数据,通过物联网传送到远程管理控制中心,通过数据分析来控制自动灌溉和微喷装置的启闭,直接根部给水水分蒸发损失小,几乎没有水分的浪费,且不影响地面景观(应用杭州中艺生态环境工程有限公司自有发明专利:一种具有自动调节功能的环保节水型渗灌管,ZL201510015872.X)。绿化浇灌供水水源采用中水,供水水压不高于0.1Mpa,不低于0.02Mpa。绿化浇灌供水总管采用PE塑料管,采用配套管件热熔连接,埋设在植物根部的仿生灌溉管采用Φ16橡胶管,绿化供水支管也采用PE塑料管,与供水总管之间通过310mm×500mm砖砌球形阀门检修井连接,内设球阀0.069Mpa固定压力控制阀各一个。
    3  屋顶防水处理技术的应用
    屋面防水是建筑工程中存在的质量难关,我们采用的是刚性及柔性防水2种做法。采用刚性防水和柔性防水相结合的办法,可提高屋面的防水效果。整体屋面用耐根穿刺化学阻根防水卷材铺贴,屋面排水层用陶粒,并设盲管,上盖土工布,经过2次闭水检测试验,确保屋面不积水、不渗漏(图9~12)。

    4  屋顶荷载减轻技术的应用
    屋顶荷载的减轻,一方面借助于建筑屋顶结构设计,减轻屋顶结构自重和屋顶结构自防水问题;另一方面就是减轻屋顶花园所需绿化材料的自重,如将排水层的碎石改成轻质材料等。
    4.1  轻型屋顶绿化技术
    由于屋顶的负载量和土层厚度有限,为了减轻荷载,将建筑如亭、廊、花坛、水池、假山等较重的景点设计在承重结构或跨度较小的位置上。选择泡沫球、蛭石、泥炭土、腐殖土等轻型材料。屋顶花园地形采用陶粒作为基层,上部覆土并部分较厚位置结合泡沫球堆土造型的方式。
    同时,屋顶绿化的种植土采用轻型基质,再加上屋顶一般较高,风力较大,因此乔木的抗风能力明显弱于地面。此外,针对屋顶土层薄、水分小、植物生长环境差等情况,采用杭州中艺生态环境工程有限公司施工工法与专利技术树木环保隐形支撑装置(ZL201220511313.X)将树木固定在屋顶轻型基质中,不但起到树木固定作用,而且使用方便、不影响绿化整体美观。同时,支撑装置的底部设有阻根层,还可有效地防止植物根系对屋顶的破坏。
    4.2  轻型屋顶绿化基质
    根据屋顶承载力、植物生长特性及自然环境条件选择适宜的生长基质是进行屋顶绿化的前提,随着自然土壤资源的日益贫乏及屋顶绿化的普及,采用人工栽培基质作为生长基质必然是屋顶绿化的发展趋势。
    在轻型屋顶绿化中,生长基质层性能对整个系统长期稳定起着关键作用,生长基质层材料成本也占到整个系统造价的20%~30%。在本项目中根据建筑物每平方米固定荷载上限为1 000kg/m2,动载300kg/m2的实际情况,选用泥炭、腐叶土、蛭石、细沙等材料,按一定比例混合配制而成。在实际使用中覆土部分采用田园土与改良土轻质种植土按6:4混合的土(改良轻质种植土配比为腐叶土:蛭石:沙土=7:2:1)改良。改良后土壤单方干容重在微调的前提下,种植土的厚度由65cm增加到了85cm,重量降低4kg/m2。大大满足了对微地形进行处理的灵活性,同时满足荷载及空间分割对景观乔木的需求。
    同时根据现场地形需要,在保证植物生长的土层厚度要求下适当设置高强度球层用于堆坡造型,具体填铺于陶粒蓄排水层的上部并辅以土工布覆盖,用以减轻屋面荷载并能保温隔热。采用高强度球层是直径45~50mm的可发性聚苯乙烯泡沫材质,聚苯乙烯泡沫是一种无色透明的热塑性塑料,具有高于100℃的玻璃转化温度,其分子结构本身吸水率极低,防潮和防渗透性能极佳,其发泡结构紧密相连且壁间无缝隙所以具有高强度抗压性,即使长时间水泡仍维持不变。泡沫球密度为15~30kg/m3,每立方米数量有9 300个,总用量为660m3泡沫球层每层按15~20cm计算,铺设面积为3 300~4 400m2,每立方米泡沫球重7.4~13.02kg,压实系数为20%,比土壤910kg/m3减轻了897kg/m3,降低了屋面592 020kg的荷载,是屋顶轻型荷载创新性应用材料。

    5  传统文化在屋顶花园上的传承应用
    中国传统园林特点以及G20主会场屋顶花园的需求在本质追求上趋于一致性,并且,中国传统园林的一些造园手法以及空间组织形式对屋顶花园来说同样适用。首先,屋顶绿化的设计是充分考虑环境、建筑与人的各项要素的和谐共生的状态,这和中国古典园林天人合一的思想非常契合;其次,我们需要对园林的功能重新定位,从环境行为学的角度来合理布置空间;最后,除了其造园思想外,古典园林的造景元素也适合于屋顶花园的营造,包括水景、植栽、石景和建筑,这些元素的形态和组合在屋顶花园中无不体现着人与自然的和谐。
    中国传统园林的造景手法在此屋顶花园中的应用主要有障景、对景。
    1)障景。
    障景手法的运用主要起到分隔和过渡相邻空间的作用。园林空间的设计若要创造自然风景、山水画的感觉,并不能直接照搬照抄、在各个空间之间留白,但这种方式的表达可以通过现实的山体、植物、回廊、粉墙等的景观要素来分隔空间,G20主会场上采用太湖塑石与植物分隔空间的同时又讲究“隔而不绝”的空间过渡形式,目的是为了既能弱化空间的边界,又能使空间相互渗透。通过塑石假山来点缀屋顶花园、增添传统文化的表现,起到了造景应景的作用;采用的植物多用疏林等来起到障景作用,是一种似隔非隔的处理方式。 
    2)对景。
    对景可以丰富景观效果,是相邻或不相邻的2个空间建立联系的方式。通过“渗透”式对景融合我心相印亭与主厅这2个空间,站在主厅,观赏者通过门洞和窗洞的视线渗透,看到水景、山石和我心相印亭都融入到其他空间中,使静止状态立刻转化为流动状态,景物处于位置相对移动的变化之中。对于屋顶花园各点而言,近抑或远的景观对象,这类对景不一定是完整的景观画面,随着观赏者的游览位置不同,观赏到的景色也不相同。为了营造丰富的植物景观空间,达到移步换景的目标,同时对屋面风井利用青瓦砖雕进行虚化处理,与我心相印亭古建风格相互呼应,其独特的雕琢技艺和质朴的造型形式承载着中华民族丰富悠久的文化内涵,对整个项目起着点题作用。

    6  结语
    本项目运用多种学科手段,用精益求精、精雕细琢的工作态度对工程实施中的要点与难点进行了研究,解决了施工过程中出现的难题,推动了项目建设进程,为G20工作打下了坚实的基础。
    G20主会场这个项目不单单是一个屋顶花园的营建,它既是建筑生态小环境优化营建技术的创新,还是中国传统文化的凝聚地与承载点。首先,自然山水、建筑物和植物, 按照园林美学的基本法则构成景观;其次,尊重艺术创作规律,追求建筑、园艺、古建、小品和设施的和谐统一;再次,体现了物境与匠心的融合,在这里,水景周围那些单一的建筑——亭、廊、轩本身是否样式奇特全无意义,景观的全部重心都是为了让人工之物融入观赏者的内心,达到“我心相印、日月同辉”的效果。

    注:文中图片均由作者提供。


    参考文献:
    [1] 马全明.开发利用屋面的生态功能[J].工业建筑,2004,34(10):24-26.
    [2] 叶建军.屋顶绿化对城市水环境的改善[J].水土保持研究,2007,14(2):186-188.

    (编辑/王媛媛)