中国正在经历大规模的城市化，大量的农业人口向城市集中，城市规模不断扩大，大量的新建建筑正不断地改变着城市的空间结构和景观，然而令人遗憾的是新建建筑的95%以上是高能耗建筑，而建筑能耗在全国总能耗中的比例接近30%，所以中国的建筑节能已经成为摆在我们面前的、日益紧迫的问题，特别是在目前电力紧张、煤炭和石油价格高腾的今天，更凸显出其重大的社会意义和经济意义。最近国家领导人提出大力发展节能省地型建筑，全面推广和普及节能、节水、节材、节地技术，体现了国家高层从战略角度对这一问题的高度重视，我们应该发挥全社会的力量，提高认识，积极主动地参与到发展节能省地型建筑，全面推广普及节能、节水、节材、节地技术的工作上来，以促进建筑节能、节水、节材、节地工作取得实质性的、快速的发展。目前在部分大中城市刚刚起步的屋顶绿化就是一种适合于现代城市发展要求的、节能、环保、生态型的建筑新技术。
1．传统的建筑屋顶结构存在的主要问题
建筑物的屋顶是建筑的主要围和体面之一，被称为建筑的第五立面，目前传统的屋顶结构（混凝土屋面）主要由屋顶结构层、防水层、保温隔热层和混凝土保护面层构成，在夏季强烈的日光照射下，其表面温度会升高至50-60℃左右，尽管屋顶面层内的保温隔热层抑制大量热的流入，但还是有相当部分的热量通过结构层传导到建筑的最上层的室内，造成最上层室内温度居高不下，需要耗费大量额外的空调用电；而冬季则相反，由于屋顶面层温度很低，导致室内热量通过屋顶结构传导到室外，造成最上层室内温度偏低，需要耗费大量额外的供暖热量，这就是建筑顶层房间“冬冷夏热”的弊病。
传统的屋顶结构的第二个问题是一天中温度变化很大，有时表层最高温度与最低温度的在一天内的差值达到25-30℃，由此造成混凝土结构层出现热胀冷缩，尽管伸缩量很小，但一天天的热胀冷缩会使屋顶面层逐渐产生细小裂纹，细小裂纹会逐渐影响到防水层的使用寿命，严重的裂纹还会造成防水层受损，出现屋顶漏水的现象。
传统的屋顶结构的第三个问题是在日光中的紫外线长期照射下，会导致屋顶面层的劣化及防水层的老化问题。传统的屋顶结构的第四个问题是日趋严重的“酸雨”会腐蚀屋面，甚至渗入细小裂纹内腐蚀混凝土内部，导致建筑物使用寿命缩短。
2．屋顶绿化的节能和屋面保护特性
屋顶绿化，狭义上来说指的是在建筑屋顶上实施绿化；而广义上来讲，泛指在非渗透性的人工构筑物上进行绿化，包括在建筑物屋顶、墙体、露台阳台、裙楼屋顶、建筑物的空中平台、地下大型停车场的屋顶、工厂厂房屋顶，硬质地面铺装的广场，立交桥等，也被称为“建筑种植”或“立体绿化”。
屋顶绿化是如何保护建筑屋面和达到节能效果的呢？在夏季，绿化种植层对日光照射所产生的热有三种主要作用方式：1）反射作用；2）隔热作用；3）蒸腾作用。屋顶绿化层的反射和隔热作用比较易于理解，蒸腾作用包括两部分：一是指绿色植物自身的蒸腾作用；一是指绿化种植土表层的蒸腾作用。绿化植物本身通过植物叶片上的微孔进行呼吸，叶片内液态的水吸收周围空气的热量（气化潜热），变成气态的水，散发到空气中去；同样地，绿化种植土表层内的液态的水也会吸收的周围空气的热量（气化潜热），变成气态的水，散发到空气中去。潜热是物质在气化过程中需要的热量，由于潜热远远大于显热，所以绿化区域蒸腾作用的吸热效果非常大，这就是在炎热的夏天人们愿意在树荫下纳凉的原因，国外的研究表明草坪可以将日光照射热量的50-60%通过蒸腾作用吸收掉。液态的水吸收热量后变成气态的水散发周围空气中，又可以同时增大周围空气的湿度。北京市园林科研部门曾经做过测试：在炎热的7月天下午3点左右，地表绿地的表面温度为31℃，而地表裸露土地的表面温度为39℃，绿地表面温度比裸露地面温度低将近26%；地面上乔灌草结合较好的绿化区内，其空气湿度比裸露土地高出23%。
目前国内针对屋顶绿化的基础研究尚处于空白阶段，数据较少。在此介绍日本的有关研究数据，日本都市基盘整备公团在其总部大楼（东京）屋顶绿化区内做过对比测试，发现在夏季8月份，裸露屋顶屋面的温度一天内变化范围为28-56℃，而绿化层表面温度一天内变化范围为29-32℃；冬季1月份，裸露屋顶屋面的温度一天内变化范围为-4-19℃，而绿化层表面温度一天内变化范围为10-12℃；可以看出：夏季和冬季裸露屋顶表面一天内温度差高达28℃和23℃，而绿化层表面一天内温度差仅为3℃和2℃；如果以一年为周期的话，裸露屋顶的温度变化范围为-4-56℃，而绿化层表面温度的变化范围为10-32℃，前者温度差为60℃，后者仅为22℃，也就是说屋顶绿化表层温度年间变化范围仅是裸露屋面表面温度年间变化范围的36.7%。这一研究结果表明屋顶绿化可以大大缩小建筑屋面温度的变化范围，所以屋顶绿化对于保护屋顶结构层，防止混凝土的热胀冷缩非常有效。同时由于屋顶绿化避免了屋面出现夏季的极度高温和冬季的极度低温，所以通过屋顶结构层传导入（夏季）和传导出（冬季）的热量也大大减少。日本“屋顶绿化研究会”经过调查，认为“如果大厦实施1000m2的屋顶绿化，大厦的空调使用量可以减少30%”。日本的船濑俊介在1993年通过实验测试，发现屋顶绿化的隔热效果换算成电费的话，每天每平方米建筑面积大约节省电费为5.4日元（合人民币约0.42元，注：以日本当时的电价每度24日元计算），以此标准计算，99m2的集合住宅一天可以节约535日元（合人民币约41.5元），那么一个夏天按三个月空调使用期计算的话就可以节约约5万日元（合人民币约3878元）；照此推算，如果日本东京23个区的平屋顶的50%实施屋顶绿化，一个夏季就可以节约空调电费约100亿日元（合人民币约7.8亿元）！该计算只是一个初步的估算，有其不严谨的地方，但作为初步的参考，可以让我们明白屋顶绿化的节能节电效果是非常可观的。

屋顶绿化层的存在还可以防止日光直接照射到屋顶表面，从而避免了日光中紫外线对屋面的劣化影响，保护了屋顶面层，并延长了防水层的使用寿命和建筑物的使用寿命；建筑物使用寿命的增加，就可以节省大量的维修保养工作及改建和重建的工作，这又从另一个方面实现了我们所追求的建筑节能、节水、节材的目的。另外，近年来由于空气污染加剧，酸雨的比例持续增加，以深圳为例，2004年深圳降雨的pH年平均值为4.48，低于酸雨临界值（pH=5.6），比2003年的降雨pH年平均值的4.93又降低了0.45，降雨酸性增强，而且酸雨出现频率为78.9%，比2003年上升了26.1个百分点，表明酸雨呈现快速增加的势头。屋顶绿化的种植土和植物根系通过吸收、分解、净化作用可以中和雨水的酸性，经过土壤渗出的雨水其pH接近中性，从而大大减小了酸雨的危害。
除了上面讲的屋顶绿化的优点以外，屋顶绿化还有很多其他的功能，总结如下：
1）从城市环境角度来看：
a)改善城市环境和气候，缓解城市的“热岛效应”，调节城市的温度和湿度；
b)绿化植物可以滞留空气中的尘埃，达到净化空气的效果；
c)缓解暴雨所造成的积水、洪涝及其他各种地质灾害以及缓和酸雨的危害；
d)为鸟类、昆虫等创造适宜的生长环境，有利于生物多样性保护；
e)改善城市景观，达到与环境协调、共存、发展的目的；
2）从建筑角度来看：
a)改善建筑物的外观，遮盖影响视觉效果的屋顶或墙体等；
b)缓解建筑物热胀冷缩而导致屋顶裂纹引起的损害，以及紫外线等导致防水层的老化和渗漏；
c)有效地降低屋顶结构层表面的温度，从而节省空调用电量，达到节约能源的目的；
d)火灾发生时，起到保护建筑物和燃烧延迟的作用；
e)对于商业性建筑物，可以达到改善环境、吸引客流的目的；
f)对于办公写字楼和工厂厂房等建筑，可以最大限度地利用建筑空间，建成供员工小憩的“屋顶花园”；
3）从使用者角度来看：
a)改善周围环境，起到视线遮挡，保护私密性的作用；
b)可以减噪和防风，同时可以有效地减小建筑物墙体的日光反射；
c)绿化环境可以缓解人们精神上和身体上的紧张和疲劳感；
d)为人们提供进行栽培，园艺活动的场所，丰富人们的生活，怡情养性；
从以上内容可以看出，屋顶绿化这种充分利用现在处于“空置状态“的屋顶面积而不占用宝贵的地表资源的绿化方法，能够很好地解决城市建设快速发展和生态环境建设相对滞后之间的矛盾，所以说屋顶绿化是一种双赢甚至多赢的现代城市建设的生态型技术解决方案，这也正是屋顶绿化受到众多生态环境专家、城市规划专家、建筑设计专家等所推崇的原因。

3．屋顶绿化新技术—屋顶薄层绿化技术
屋顶薄层绿化方法，由屋面开始，分别是防根系穿透层（简称防根层或隔根层）、架空排水板、过滤层、轻质人工培养土层和表面覆盖层。屋顶薄层绿化技术不仅大大减轻绿化种植层的重量和厚度，并且很好地解决了绿化层排水、基质层的保水保肥、植物根系的呼吸和生长、建筑屋面和防水层保护等诸多的问题，是代表屋顶绿化未来发展方向的综合性技术解决方案。
1）开发屋顶绿化专用人工轻质培养土（GT-I型）；
分析了大量天然质料的特性，从中筛选出数种以最佳比例、经现代科学方法配制完成，富含植物生长所需的有机质和各种微量元素，不含任何普通土壤和牲畜粪便成分，是一种新型的、优质的无土栽培基质。经广东省农业科学院土壤肥料研究所检测，其干容重不到普通土壤（对比土样）的四分之一（24%），湿容重也不到普通土壤（对比土样）的一半（43%），是一种优良的轻质培养土；经检测其持水量和阳离子代换量分别为57.31%和7.16cmol/kg，是普通土壤（对比土样）的3.2倍（18.14%）和2.1倍（3.34cmol/kg），所以是一种保水能力和保肥能力极好的无土栽培基质。
GT-I型人工培养土的质地疏松、不宜板结、具有优良的排水和透气性能。可以作为屋顶绿化种植层基质使用，也可以作为土壤改良剂与当地普通土壤配合使用（如2:1或1:1的比例配比），这样一方面大大改善普通土壤的保水保肥能力，防止土壤板结，增强其排水和透气特性，还可以节约材料成本。
人工培养土由纯天然质料构成，不含任何化学合成成分，是一种对环境友好的环保型轻质培养基质，可以长久地多次使用，屋顶花园使用完了还可以作为大田的土壤改良剂继续使用，不会污染环境及造成浪费。需要注意的是，由于轻质人工培养土质轻，干燥状态下易于被风吹散，草坪等地被植物的根系可以保护其免被风吹起，灌木和树木根部地表有裸露时，可以覆盖2-3cm厚的GT-CL型表层覆盖材料（一种经过特殊处理过的松树皮颗粒，其粒径为5-15mm），也可以直接覆盖2-3cm厚的普通土壤。起到防止培养土颗粒被风吹起和表层美化的作用，同时还可以维持地表湿度，防止种植层内水份过快蒸发。
2）开发取代陶粒（或碎石）排水层的轻质薄层架空排水板；
我们自主开发的轻质薄层架空排水板技术，已经获国家专利局颁发专利证书。其结构采用蜂巢状的设计，在保证最大限度的架空排水空间、实现高效快速排水的同时，拥有超强的耐踏压强度。可相互组合连接的单体，在施工现场按照场地形状和尺寸可以简单快捷地连接成一体化的架空排水层，以防止可能出现的移位。其厚度有两种规格：GT-DP-M28型厚度为28mm，GT-DP-M14型厚度为14mm；每平方米重量分别为约2.8kg和1.5kg，实现了排水层的薄层化和轻量化。如果采用100-150mm的陶粒排水层，仅排水层自身的润湿重量就达80-120kg/m2。GT-DP-M28型架空排水板可以用于覆土厚度较大的地下室屋顶、车库顶和住宅小区的空中平台上的屋顶绿化（覆土厚度在500-1500mm之间），GT-DP-M14型架空排水板可以用在覆土厚度较小的建筑裙楼、阳台露台等的屋顶绿化（覆土厚度在100-500mm之间）。
架空排水板将湿润的绿化种植层与屋面隔开来，在种植层之下形成一空气薄层，该空气薄层均匀地分布于整个种植层培养基质的下方，一方面可以避免屋面长期处于过湿的状态，另一方面还可以有效促进花卉植物根系的呼吸，有利于植物的生长。架空排水板可以根据需要很容易地切割以适应场地形状的要求，具有良好的施工便利性；同时排水板既可以水平设置，也可以倾斜或竖向设置，可满足各种不同施工场地的需求。使用完了废弃的排水板还可回收再利用，不会对环境造成污染。

3）建筑屋面和防水层的保护
我们知道植物根系具有很强的穿透能力，所以屋顶绿化必须要设法保护建筑屋面和防水层。一旦造成防水层破坏引起屋顶漏水，就会给顶层用户的工作或生活造成很大困扰，而且维修工程非常繁杂，因为屋顶有漏水痕迹的地方，未必就是防水层破损的地方，所以需要将屋顶绿化全部拆除，寻找防水层破损位置进行修补或者重新作防水层。由此看来，屋顶绿化在技术上必须考虑保护建筑屋面和防水层。我们在建筑屋面之上、架空排水板之下设有一层防根层，以防止根系损伤屋面和防水层。目前国外最新的屋顶绿化技术是采用优质高性能的防根层，将绿化种植层直接设在建筑防水层之上，省去了屋面的保温层和混凝土保护面层，这样可以节省约80-140kg/m2屋面荷载，从而增加了绿化种植层的可容许重量，可以实现变化丰富的植物配植，建造美丽的“屋顶花园”。如果在建筑防水层之上直接作屋顶绿化，防水层必须采用安全性高、使用寿命长的防水层，并建议在建筑防水层之上铺设两层防根层，以提供足够的安全保护。
4）屋顶薄层绿化方法与传统屋顶绿化方法的比较
我们将屋顶薄层绿化方法与传统的屋顶绿化方法进行了比较，比较结果参见图5。可以看出由于采用保水性保肥性能优良的轻质人工培养土，种植基质层的厚度可以减少一半以上；由于人工培养土的湿容重约是普通土壤的1/2，所以单单种植基质层的重量就可以减少到四分之一以下。其次，由于采用架空排水板取代陶粒排水层，可以将排水层的重量由约100kg/m2减少到1.5-2.8kg/m2，厚度由约100-150mm减少到14mm或28mm。再次，采用双层防根系穿透保护层，可以省去屋面的保温层和混凝土保护面层，又可以节省约80-140kg/m2屋面荷载。这样，传统绿化如果种植层厚度为1240mm，重量为1540kg/m2的话，采用屋顶薄层绿化技术种植层厚度减小为430mm，重量减轻为235kg/m2（注：图示重量不包括种植植物部分重量），成功地实现了我们所追求的屋顶绿化的薄层化和轻量化。当然，屋顶薄层绿化由于采用薄层化和轻量化种植技术，种植层的固根能力有所减弱，对于3米以上高度的乔木应该采取固根抗风措施。对于景观观赏性要求不高和空间条件满足时，可采用一般的地上支架予以固定，而对于景观观赏性要求高和空间狭小时，需要采用我们专门为屋顶绿化开发的地中固根支撑装置。
5．结语
1）在当今城市建设中，屋顶绿化这种充分利用现在处于“空置状态“的屋顶面积而不占用宝贵的地表资源的绿化方法，能够很好地解决城市建设快速发展和生态环境建设相对滞后之间的矛盾，可以说屋顶绿化是一种双赢甚至多赢的现代城市建设的生态型技术解决方案
2）屋顶绿化不仅美化环境，同时还有多种功能；特别是其节能、屋面保护、缓和酸雨危害等特点对于促进建筑节能、节水、节材、节地工作具有很大意义。
3）屋顶薄层绿化技术成功地实现种植层的薄层化和轻量化，同时很好地解决了绿化层排水、基质层的保水保肥、植物根系的呼吸和生长、建筑屋面和防水层保护等诸多的问题，是代表着屋顶绿化发展方向的新技术。