屋顶绿化层的荷载对其下部建筑结构的影响

　　摘要：我国城市普遍存在建筑密谋过大、绿化面积率过小和由此引起的热岛效应、内涝、景观单调、空气质量差等环境问题，要改变这种不利现状，唯一可行途径是对大量建筑屋顶（有些城市屋顶面积占50%以上）起绿化。屋顶绿化在我们存在巨大的市场空间，但屋顶绿化作为园林绿化的一项新技术起步还比较晚，屋顶绿化层对建筑物下部结构的影响程度现在还没有一个确切结论，研究深度也相对较浅，很难达到实际应用效果。因此深入研究屋顶绿化带来的荷载对其下部结构安全稳定性方面的影响是十分必要的。建筑物的承载力，受限于屋顶绿化下的梁析柱和基础、地基的承载力，特别是对原有未进行屋顶设计的楼房进行屋顶绿化时，更要注意屋顶允许荷载以及其下部结构的影响，这样屋顶绿化层的平均荷载只能控制在一定范围之内。本研究在充分了解国内外研究现状的基础上，着重研究了不同的屋顶绿化层荷载对高层建筑结构和低层框架结构及砖混结构安全性的影响，有效地解释了不同的屋顶绿化荷载对不同建筑结构型式的影响程度，为对建筑物进行屋顶绿化改造时提供十分有价值的参考。
　　概述
　　西方发达国家在20世纪60年代以后，相继建造各类规模的屋顶和花园和屋顶绿化工程如美国华盛顿水门饭店屋顶花园、美国标准石油公司屋顶花园、美国DT￡公司屋顶花园、英国爱尔兰人寿中心屋顶花园，加拿大温哥华凯泽资源大楼屋顶花园、德国霍亚市牙科屋顶花园，日本同志社女子大学图书馆屋顶花园，香港太古城天台花园、香港葵芳花园住宅楼天台花园、这些与建筑设计统一建在屋顶的花园，多数是在大型公共建筑和居住建筑的屋顶或天台，向天空展开。
　　1、屋顶花园的历史
　　屋顶花园并不是现代建筑发展的产物，它可追溯到4000年前，古代苏美尔人最古老的名城之一UR城所建的大庙塔，就是屋顶花园的发源地，20年代初，英国著名古学家伦德。伍利爵士，发现该塔三层台面上有种植过大树的痕迹，真正的屋顶花园是亚述古庙塔以后1500余年才发现的著名的巴比伦“空中花园”，它之所以被世人列为“古代世界七大奇迹”之一，其意义决非仅在于造园艺术上的成就，而是古代文明的佳作。巴比伦“空中花园”是于公元604-562年，新巴比伦国王尼布加尼撒二世娶了波斯一位美丽的公主，名叫赛米拉斯公主日夜思念故国山乡，郁郁寡欢。国王为了取悦与她，下令在平原地带的巴比伦堆筑土山，并用石柱、石板、砖块、铅饼等垒起每边长125米，高达25米的台子在台子上层层建造宫室，处处种植树木。
　　二、屋顶花园的类型
　　（1）休闲屋面
　　休闲屋面就是在屋顶进行绿色覆盖的同时，建造园林小品、花架、廊厅发营造出休闲娱乐、高雅舒适的空间。给人们提供一个释放工作压力、排解生活烦恼、休身养性、畅想未来的优美场所。打开您的衣橱：里面挂着的是过期的时尚；打开你的书柜“原来您的精神园地早已荒芜；找开窗扇：这里有着清新的空气和阳光。让我们把花园搬回家去。去实现童年的梦想，构筑起生活的“伊甸园”，放飞疲惫的心灵感受那自然的清爽。
　　（2）生态屋面
　　生态屋面就是屋面上覆盖绿色植被、并配有给排水设施，使屋面具备隔热保温，净化空气，阻噪吸尘增加氧气的功能，从而提高人民居住生活品质。生态屋面不但有效增加绿地面积，更能有效地维持自然生态平衡，减轻城市热岛效应。有些房地产商以为搞“屋顶花园”只花钱不赚钱，这是一种误解，绿色环保已深入人心，崇尚自然成为当今潮流，让灰白色的屋顶“沙漠”变为“绿洲”和花园，不仅能够提升整个楼盘档次，还可以让屋顶变为“金顶”贱卖层变为热卖层。因为热爱生活的人们最能体会环境，贴近自然，珍惜生命。
　　（3）种植屋面
　　种植屋面是每一个热爱生活的人都希望拥有的。能够有一个绿色庭院，并能采摘食用自己亲手种植的果实，是一件多么惬意的享受啊！劳动的愉悦、清爽的环境、洁净的空气、丰富的含氧量，甚至是一份意外的经济回报。屋顶光照时间长，昼夜温差大、远离污染，所种的瓜果蔬菜含糖量比地面提高5%以上，碳水化合物丰富，那是用金钱也难买的纯天然绿色食品。
　　（4）复合屋面
　　复合屋面是集“休闲屋面”“生态屋面”“种植屋面”于一身的屋面处理方式。在一个建筑物上既有休闲娱乐又有生态种植的形式。这是针对不同样式的建筑所采用的综合性屋面处理模式。它能够兼优并举，使一个建筑呈多样性，让人们生活丰富多彩，有效地提高生活品质，促使环境的优化组合。让我们的生存环境进一步的人性化、个性化，彻底体现出人与大自然和谐共处、互为促进的理性生态。
　　三、屋顶花园的意义
　　屋顶绿化对增加城市绿地面积，改善城市高楼大厦林立，改善众多道路的硬质铺装而取代的自然土地和植物的现状：改善过度砍伐自然森林，各种废气污染而形成的城市热
　　岛效应，沙尘暴等对人类的的危害，开拓人类绿化空间，建造田园城市，改善人民的居住条件，提高生活质量，以及对美化城市环境，改善生态效应有着极其重要的意义。
　　（1）保证特定范围内居住环境的生态平衡和良好生活环境。
　　一个绿化屋顶就是一台自然空调：近年来城市建筑物的逐渐增多，由于太阳辐射引起的建筑物能是积聚也随之增多，再加上家用燃料、工业、机动车增加的能量源源不断，造成城市气候的能量剩余非常惊人，特别是夏天，同没有建筑物的地区相比，市内的气温显著升高，在建筑物密集的市区，夏天由于缺水会出现令人难于忍受的高温，由于建筑物对光的反射低，夜间降温减弱，因此会对人的健康产生长期的负面影响，而绿化地带和绿化屋顶，可以通过土壤的水分和生长的植物降低大约80%的自然辐射，以减少建筑物所产生的副作用。
　　通过实验证明和没有绿化的屋面相比，绿化屋顶可以降温，在酷热的夏天，温度30度时，没有绿化的地面达到不堪忍受的40-50度，而绿化屋顶基层10CM处，温度则为舒适的20度。在冬天，绿化屋顶像一个温暖罩保护着建筑物。
　　（2）对建筑构造层的保护
　　平屋面建筑，屋顶构造的破坏多数情况下是由屋面防水层温度应力引起的，还有少部分是承重物件引起的，通过温度变化传经引起屋顶构造的膨胀和收缩，使建筑物出现裂缝，导致雨水的渗入，形成渗漏。我国《建设工程质量管理办法》中明确规定：建筑物屋面防水保修期只有三年。这样就得对屋面防水层进行整修。
　　空气迅速变化的温度建筑物特别有害，比如，经过一个寒冷的夜晚，到了白天，短时间内建筑物表面的温度突然升高，而在此之前建筑物件还结着冰，夏天，在夜晚降温之后，白天的建筑物表面的温度也会很快显著升高。由于温度的变化，建筑材料将会受到很大的负荷，其强度会降低，寿命也会缩短。如果将屋顶进行绿化，不但可以调节夏天和冬天的极端温度，还可以建筑物构件起到相当大有保护作用，所以说，屋顶花园对建筑物能够起到保护作用，以至延长其寿命。
　　（3）屋顶绿化可以通过储水，减少屋面泄水，减轻城市排水系统的压力。
　　通常在进行城区建设时，地表水都会因建筑物而形成封闭层，降落在建筑表面的水按惯例都会通过排水装置引排水沟，然后，不是输送到澄清就是直接转送到自然或人工的排水设施，这样通常的做法会造成地下水资源的严重枯竭。
　　同没有建造房子的地面相比较，大量的降水不可能在短时间内排泄，必定造成城市内洪水的危害，如郑州。而屋顶绿化提供了储存降水的可能性，减轻了城市排水系统的压力，同时也右以显著减少处理污水的费用。
　　在现代的许多城市、地区，屋顶水没有被作为很有价值的自然资源而加以利用，而是将其同严重污染的水混合在一起作为废水处理，这种在沉淀池的处理费用是相当昂贵的。
　　当许多屋顶多被绿化时，屋面排水可以大量减少。实验表明绿化屋顶可以使降水强度减低70%（VETSHOEHELM的巴代利亚园艺站），这无疑可以作为排水工程中确定下水管道，溢洪管或储水池尺寸时节省费用的根据。
　　（4）绿化屋顶具有储水功能
　　绿化屋面除具有屋面排水外，可以把大量的降水储存起来，实验表明，大约有一半的降水留在屋面上，存在基层或通过植物蒸发掉。
　　（5）屋顶绿化可使自然降水渗入地下
　　绿化屋顶系统本身不能把地表水渗漏掉，因为建筑系统的上部结构和下部结构是封闭的，故屋顶水应该不再引向下水道而是让其渗入地下，或蒸发掉，重新形成地下水和自然水，可见，屋顶绿化是改善城市生态环境的良好开端。
　　（6）归还大自然有效的生态面积，完善生态系统
　　在屋顶上首先，为叶蜂，步行虫和蝴蝶找到了良好的生存环境，在这里没有与人类争取大自然空间的矛盾，可以较好地保护大自然的多样性，同时由于这些动物的存在，也进一步体现了“城市让生活更美好”的一面，另外，在屋顶上还可繁殖一些濒危的植物种类，因为它可以受到人为干涉。
　　（7）屋顶绿化是人类可待续发展战略的重要组成部分
　　地面上的花园给人们沐浴阳光、休闲活动带来了很多方便，但通常在开畅的空间营造起的花园价格非常昂贵，其中土地资金占很大一部分，屋顶花园则要比地面上开畅空间的花园投资少得多。已有建筑物屋面绿化改造时所设计的结构和耐久性方面的问题是十分重要的，建筑物的承载能力，受限于屋顶绿化下的梁板柱和基础、地基地承载力，特别是对原有未进行屋顶设计的楼房进行屋顶绿化时，更要注意屋顶允许荷载以及对下部结构的影响，这样屋顶绿化层的平均荷载只能控制在一定范围内。
　　根据调查研究和实验数据研究结果分析，屋顶绿化层荷载分别按照3.00KN/㎡、4.50KN/㎡、6.00KN/㎡来取值。
　　四、根据上述ANSYS三维有限元计算结果的分析，可以得出以下结论：
　　（1）建筑结构的竖向位移是随着高度增加的，其中结构的自重荷载作用产生的竖向位移占主要部分，建设屋顶花园而增加的荷载产生的竖向位移相对较小。
　　（2）自重荷载作用建筑结构时产生的轴力和等到效应力占主要部分，屋顶花园（不超过6.30KN/㎡）荷载施加时产生的轴力和等效应力都相对较小，对整个建筑结构的安全不会产生大的影响，但对建筑结构的顶部（特别是顶层）影响却相对较大，应注意对建筑结构的顶部（特别是顶层）增加框架的配筋进行加固处理，以防建筑物顶部出现局部破坏。
　　通过计算分析，可以得出以下结论：
　　对屋面进行绿化改造，产生的绿化荷载增加了已有结构的地基基础、柱墙、梁板等构件的内力，并且增加的幅度较大（有的甚至达到了原来的2倍）尤其是对屋面梁板构件承载安全性影响较大，对底部结构的影响相对较小，因此地进行屋顶绿化改造时就注意对屋面结构的加固处理。

《屋顶绿化层的荷载对其下部建筑结构的影响》

本文由职称驿站首发，您身边的高端学术顾问

文章名称： 屋顶绿化层的荷载对其下部建筑结构的影响

文章地址： https://m.zhichengyz.com/p-17467