加州科学博物馆屋顶生态节能技术

摘 要：近几十年来，全球城市化速度加快，大量的自然土地资源被城市中的建筑、道路、广场所占用，自然环境受到极大破坏。同时，城市的能源消耗过度、空气污染严重、温室效应明显、地下水位快速下降，这些问题都亟须解决。屋顶绿化可以有效地降低建筑能耗、保存雨水、减少粉尘和吸收有毒气体，欧美发达国家对屋顶节能技术的研究日趋成熟。美国加州科学博物馆便是屋顶节能技术最先进的代表，该馆获得了铂金级LEED绿色认证。对加州科学博物馆的屋顶技术进行分析研究，可以对我国的屋顶设计起到指导作用。

关键词：加州科学博物馆；屋顶绿化；生态圈；绿色建筑

中图分类号： TS958 文献标识码： A

0 引言

在资源面临枯竭，环境日益恶化的当今社会，城市节能减排的任务非常艰巨。根据联合国环境规划署2009年度报告，建筑部门每年消费占全球三分之一以上的资源，包括12%的全球淡水使用，并生产了40%的固体废物。因此，建筑部门的减排潜力比工业、运输业和林业部门的总潜力大。

联合国环境署研究表明：“如果一个城市屋顶绿化率达70%以上，城市上空二氧化碳含量将下降80%，热岛效应会彻底消失。”[1]

屋顶绿化是以建筑物顶部平台为依托，进行蓄水、覆土并栽种植物的一种空间绿化形式。[2]由于其不占用城市土地，还能提高居住区的绿地率、美化环境，屋顶绿化在城市设计、建筑设计中的应用越发广泛。

美国加州科学博物馆新馆有着巨大的被植物覆盖的生态屋顶，在保温隔热、通风采光、储水排水、调节生态等方面都起到重要作用，因此被誉为“会呼吸”的建筑。

2 加州科学博物馆概况

2.1项目背景

加州科学博物馆是是世界上唯一一个同时拥有水族馆、天文馆、自然历史科学馆和科学研究项目的机构，同时也是世界上最杰出的自然历史科学馆之一，在国际自然科学研究居领先地位。该馆始建于1853年，此后数次搬家。2005年，由普利兹克奖得主著名建筑师皮亚诺与旧金山史坦泰克建筑团队合作设计的新建筑开始动工。花费了4亿8千8百万美元的新加州科学博物馆于2008年9月27日建成并重新对游人开放。

2.2铂金级LEED绿色认证

加州科学博物馆采用了广泛的绿色节能技术，新馆极大地降低了建筑能耗，同时建筑本身也会产生能源，还能节约用水，并为当地的野生动物创造新的栖息地。

LEED（能源与环境建筑认证系统）是由USCBC（美国绿色建筑委员会）制定并推出的一种绿色评估体系。该系统提供了一系列测评数据，是现有国际上最完善、最具影响的绿色建筑评估体系，LEED已成为世界各国建立绿色建筑及可持续性评估标准的范本。通过对各种类别的可持续性发展指标评判的得分，建筑可以获得基础认证（至少26分）、银级认证（至少33分）、金级认证（至少39分，意味着该建筑比常规建筑环保50%）或者铂金级别的认证（至少52分，意味着该建筑比常规建筑环保70%）。

美国加州科学博物馆新馆获得6个不同的类别指标的评估：可持续发展选址，水利用率，能源和空气，材料和资源，室内环境质量，创新和设计过程。基于广泛的绿色建筑的技术和战略，包括可再生建材，自然通风，太阳能发电，富有生命活力的屋顶，加州科学院共获得了54分，超过了铂金认证标准的52分。

另外，它还获得了2009年美国风景设计学会的荣誉奖，被称为世界上最绿色的博物馆。

3 加州科学博物馆屋顶技术研究

加州科学博物馆由自然科史博物馆、天文馆和水族馆三馆组成。设计理念是在基地上竖起一处天然景观，里面有各种设施、办公楼与展览空间。高处是天文馆和热带雨林展览厅，底处则有一个中央广场（图1）。

图1 加州科学博物馆鸟瞰示意图

设计师以一大片覆盖着天文馆和热带雨林、水族馆等球体结构的波浪形屋顶，将该馆80年来陆续完成的12栋建筑全部统一起来（图2）。

图2 加州科学博物馆新馆

3.1屋顶节能设计特点及措施

加州科学博物馆的绿色设计最明显的特征便是这2.5英亩的绿色屋顶。上面伴有7个小山形状的圆顶，代表旧金山的7个山丘，屋顶的一半面积被1700万株植物所覆盖，形成连绵起伏的草坡（图3）。

图3 波浪形的绿色屋顶

在建筑屋顶的设计中，从通风、隔热、采光等方面应用了多项节能技术。另外，也从各个角度去考虑屋顶绿化的意义，不仅满足建筑自身的节能要求，还肩负起保护地区生态系统的责任。

3.1.1采光和通风系统

为了最大限度地借助自然光，建筑外侧通体使用了玻璃墙和玻璃窗。中央大厅设计了巧妙的天窗，不但可以通过开关来调节室内温度，还可以为馆内的2000万种动植物提供新鲜空气和自然日光。在馆内，落地玻璃幕墙使90%的馆内办公室沐浴在自然光下，并且兼顾室外景观，减少了电力照明的能源消耗。

建筑师通过电脑模拟旧金山当地的风模式，设计了屋顶上7个突起的“山丘”，最大化的实现室内外空气流通。

一年中的大部分时间里，通过波浪状屋顶人造小丘的控制，来自太平洋的海风进入科学馆，带走里面的热空气，直达屋顶的通风口排出建筑。持续不断的空气循环，极大地减少对空调的需求，也使整座建筑物内像室外一样“和风煦日”（图4）。

图4 采光通风示意图

3.1.2屋顶绿化的作用

加州科学博物馆的绿色屋顶有效的降低了室内温度，比普通建筑的室内温度平均降低10度。

新馆屋顶每年可以吸收约98%的雨水，防止多达360万加仑的径流携带污染物进入生态系统。

在屋顶上种植的1700万株植物中，包括多种美国濒危植物，如沙滩草莓，海粉花，加州罂粟等等。这些植物不仅能吸引本土的飞鸟、蜜蜂、昆虫，甚至还能引来濒临灭绝的加州斑格蝴蝶。

3.1.3可再生能源

屋顶上覆盖了6万块太阳能电池板，它们每年能够提供大约213000千瓦的清洁能源，可以满足加州科学博物馆至少5%的基本耗能，并且防止了每年超过405000磅的温室气体排放。

3.2屋顶绿化构造措施

由于新馆屋顶上的圆顶部分在某些部位的坡度超过了45度，位于高处土壤中的水分和养料容易流失到低处，造成植被灌溉不均，使圆顶上部的植被发育迟缓甚至枯黄。因此在进行屋顶绿化设计时，既要完成吸取天然水分、降低屋顶温度的作用，又要防止滑坡，不会被大风大雨冲走。为了解决这一问题，屋顶绿化项目组进行了全方面的考虑，制作了全尺寸的模型，用以对土壤的排水和固定系统进行测试。设计团队最终采用了BioTray植被屋顶模块化系统。

3.2.1BioTray植被屋顶模块化系统

BioTray是一种自然的可生物降解的屋顶植被模块化系统。这些模块由天然乳胶和椰壳纤维组成。椰壳纤维是从椰子壳上剥离的可以快速再生的产品。与传统的模块化系统相比较，椰壳纤维会随着时间分解，并且还可以转换成植物的生长介质（土壤）。同时这种模块化系统消除了塑料制品在屋顶绿化中的使用，增加了屋顶的可持续性。

在加州科学博物馆中，采用的是菲律宾产的天然织物作为模块基质垫在下面，然后再将各个模块进行固定。这些天然织垫能透水，形成水循环系统（图5）。同时，选择了适合在这一区域生长的植物品种，并都具有吸引蝴蝶鸟类和昆虫的能力。

图6 BioTray植被屋顶模块

3.2.2屋顶绿化构造措施

铺砌屋顶的材料全部采用结构相当复杂的“七层砖”，每层分别实现防水、透气、水土保养等不同的功能，最上层才是绿化用土。“七层砖”的最底层是石板，上面分别为防水层、隔源层、透水层、水土保养层、3英寸厚的土壤层，以及最表面由椰壳编织出来BioTray植被屋顶模块（图6）。

图6 屋顶铺贴构造层次

尺寸为17cm*17cm的可降解平板构成了3英寸厚的种植媒介，人工按金属框格的几何结构将其铺贴在另一个3英寸的种植媒介上，工人将这种“七层砖”一块块铺满屋顶（图7）。加上绿化用土与植物本身，屋顶的总重达到1170吨。

图7 屋顶构造措施

照片中的是基础隔离层、蓄水/排水板、过滤纤维、金属筐集液沟和支撑带，其上便是种植媒介区

4.结论

屋顶绿化技术发展至今，降低建筑能耗、保护城市环境等诸多优点已经得到了全球各国政府的重视。2005年，我国首个屋顶绿化地方标准――《北京市屋顶绿化规范》出台。《规范》对屋顶绿化中的植物种类选择、各种材料荷重、绿化施工操作程序、绿化种植区构造层、屋顶园林小品设计、植物防风固定技术、养护管理技术等各方面进行了较详尽的技术指导和规范。

屋顶绿化涉及了多个学科的知识，包括了建筑学、景观学、生物学等。因此需要相关领域的学者共同参与到屋顶绿化的研究中。我国的屋顶绿化还存在很多技术问题，建筑高低的差异、南北的差异、建筑形态和结构的差异等都影响着屋顶绿化方式的选择。另外，民众对屋顶绿化的了解很少，参与程度也很低。政府需要加大宣传力度，从设计师到甲方，从甲方到业主都自觉地加入到积极实施屋顶绿化的队伍中。

加州科学博物馆高级植物学家弗兰克・阿尔米达说“每一位科学家都是先驱。每一位科学家都热爱挑战知识的极限。这（加州科学博物馆）就是另一个实例。”加州科学博物馆不仅从屋顶绿化节能技术上值得我国设计师学习，同时这种全民普及屋顶绿化与建筑节能知识的做法更值得推广。

参考文献

[1] 陈清华.关于提倡和发展城市屋顶绿化的提案[J].中国科技产业，2008（4）：68-69

[2] 张从哲.浅谈屋顶绿化[J].国土绿化，2011，（02）

作者简介：

唐海h（1986-）男，回族，河北唐山人，助理工程师，硕士，从事工作：建筑设计。

刘波（1986-）女，河北邯郸人，助理工程师，硕士，从事工作：建筑设计。