論文：21世紀(jì)工業(yè)廠房屋頂展望
陳洋（西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院西安710054）
周若祁（西安交通大學(xué)西安710049）
摘要：我國工業(yè)廠房屋頂形式一直采用多跨天溝水落管排水，這種形式已被充分證明存在許多缺點，如：排水不暢，構(gòu)造和施工復(fù)雜，維修困難，造價高，此外還損失大量太陽能(由于反射作用）和屋面雨水。為克服上述缺點，通過調(diào)研與試驗，建議對于現(xiàn)有多跨天溝水落管排水屋頂，采用天溝種植是簡易可行的辦法；對于待建多跨屋頂，采用天溝緩坡屋頂并使屋面可進行種植與多功能轉(zhuǎn)換太陽能，乃是很好的可待續(xù)發(fā)展途徑之一。
關(guān)鍵詞：工業(yè)廠房屋頂，多跨天溝排水，天溝種植，多功能轉(zhuǎn)換太陽能自由落水屋頂
1、工業(yè)廠房屋頂現(xiàn)狀及其缺點
我國的工業(yè)廠房屋頂從剖面形式看有以下幾種：多跨拱形內(nèi)外天溝排水（圖1a）；多跨折線形內(nèi)外天溝排水；多跨鋸齒形內(nèi)外天溝排水（圖1c)；多跨折板內(nèi)外天溝排水；
多跨緩坡外天溝排水以及平屋頂外天溝排水等。冶煉、汽車、火車、飛機、重型機械、軍工武器及裝備、紡織、玻璃、化工和建材等大都采用多跨單層廠房，雖是單層，但有的可高達(dá)36m以上。實踐證明，這類廠房屋頂出現(xiàn)的問題很多。
（1）易堵塞、積水、滲漏
圖2所示為某重型機械廠，多跨內(nèi)天溝飛塵及滑落的綠豆砂堆積天溝并堵塞下水口的實況，還可看到飛來種籽已在天溝自然生根成長。雨大時，積水還曾通過橫跨高側(cè)窗溢入車間。洛陽某多跨廠房屋頂曾發(fā)生溢水進入車間，不得不停產(chǎn)排水。圖3所示為某檐溝被屋面流入的塵土堵塞以及飛籽自然長草的情況，使檐溝排水變成檐溝自然綠化。
有水落管排水（通稱有組織排水），由于在落水口必須將防水層如油氈破口分瓣壓入通向水落管的落水口，一座5跨、長120m的車間內(nèi)外天溝就有36~42處落水口，稍有施工不嚴(yán)或維修不及時，均易在此造成滲漏。外墻面水落管維修不及時，同樣會造成滲漏并嚴(yán)重污染墻面，圖4為一實例。墻面被污染并非無水落管之過，而是檐口滴水未做好。
（2）構(gòu)造復(fù)雜、施工不便
多跨內(nèi)外天溝排水由于有天溝、落水口、水落管，尤其是車間內(nèi)地面下排水溝構(gòu)造，與后述無天溝排水相比較，多跨內(nèi)外天溝排水構(gòu)造復(fù)雜、施工不便，必然造成耗材多、耗時長、造價高（據(jù)粗略估算，每年我國廠房有水落管排水耗資至少十幾億元以上）。
（3）易產(chǎn)生不均勻沉降
我國土地遼闊，南有濕漲土，北有濕陷土，有外水落管排水者絕大多數(shù)都是排到散水任其流淌滲入地下，滲水很不均勻，已有不少廠房因此產(chǎn)生不均勻沉降，并引起屋頂破裂，造成停產(chǎn)維修事故。
（4）熱工性能差
由于屋面綠豆砂脫落，致使冬季保溫、夏季隔熱性能降低（綠豆砂脫落，使屋面夏季吸收太陽輻射增多，冬季外表對流散熱系數(shù)加大）。而且，眾所周知，內(nèi)天溝是冷（熱）橋部位。
（5）不利于工業(yè)化
上述排水方式從工業(yè)化角度來看，構(gòu)、配件類型過多，不利于建筑工業(yè)化。
（6）浪費能源等
上述排水方式還大量浪費屋面反射掉的太陽能和所承受到的雨水（含能物質(zhì)流)。為維持室內(nèi)微氣候，保證生產(chǎn)和工人的舒適條件，還要耗費大量的常規(guī)能源（用來冬季采暖、
夏季隔熱、降溫)。順便指出，我國廠房外墻及門、窗絕大多數(shù)熱工性能也極差。
綜上所述，多跨內(nèi)外天溝排水方式在21世紀(jì)不應(yīng)再繼續(xù)發(fā)展下去，屬非可持續(xù)建筑構(gòu)造措施。
現(xiàn)代興建的一般工業(yè)與民用建筑，其檐口高度大都大于8~10m，故表1的規(guī)定很大程度上限定了自由落水的應(yīng)用范圍。
我國古典建筑以及廣大農(nóng)村建筑自由落水的歷史事實不斷激發(fā)我們反思與追究的興趣。為此我們進行了較長期的調(diào)查、觀察、試驗與研究分析。
（1）近代傳統(tǒng)觀念認(rèn)為：刮風(fēng)下雨時檐口自由落水（簡稱檐口水）容易將屋面灰塵帶下污染墻面，并沖進窗內(nèi)。
我們先后在上海、南寧、成都、西安等地（借出差之便）在雨天進行觀察，我們驚奇地看到，檐口水下滴時不僅不濕墻面，反而偏離墻面，風(fēng)大時可觀察到：當(dāng)檐口水下降時，首先要遭到順墻面上翻風(fēng)力的外推作用，使其偏離墻面，而不是沖向墻面，沖向墻面的是天空降雨（簡稱降雨）。試驗與理論分析以及觀察到的實景促使我們多次重復(fù)模擬試驗證實了這一點。圖6為檐口水與降雨濕墻、淋陽臺對比圖，圖6a用帶色水模擬檐口水，用普通水模擬降雨，可以看出，當(dāng)風(fēng)吹向房屋時，檐口水反而向外飄離陽臺，而降雨則沖向陽臺、墻面。圖6b為用線繩做的模擬試驗，同樣證明了上述觀點。
原來這是一個基本的空氣動力學(xué)規(guī)律。圖7為風(fēng)吹過房屋時氣流的變化狀況及迎風(fēng)面、背風(fēng)面、檐口水偏離墻面的形
象示意。風(fēng)速愈大，檐口水飄離墻面愈遠(yuǎn)。部分模型試驗數(shù)據(jù)如下45~13.6m(一般無需穿透這么厚早已到達(dá)墻面了）。
可見，近代觀念認(rèn)為，自由落水易濕墻、污染墻面，而設(shè)水落管排水是沒有事實和理論根據(jù)的。
（2）近代傳統(tǒng)觀念認(rèn)為：風(fēng)愈大，房愈高，愈應(yīng)設(shè)水落管排水（表1已部分反映了這一觀念）。
圖8為有風(fēng)時屋面與墻面受雨量分布圖，設(shè)圖8房屋為平頂雙坡排水。1/2屋面承雨量為h1，墻面承降雨量ho飄雨角為a。前述觀察、試驗均證實檐口水不會濕墻。為比較方便，假設(shè)此處下落的屋面水全部淋到墻上，那么，檐口水與降雨濕墻量之比為hi/ho，風(fēng)越大，a越小，則h越小，即檐口水濕墻率越小。房屋雖然增高，但屋面一般不會隨高度成正比加寬。此時，h。將增大，再次證明屋面水濕墻率愈變小。顯然，用水落管收集屋面水免使墻面受浸濕。實在是撿了芝麻丟了西瓜，何況屋面水不會濕墻。
因此，近代觀念認(rèn)為，風(fēng)愈大，房愈高，愈應(yīng)設(shè)水落管排水其根據(jù)也是不足的。
（3）近代傳統(tǒng)觀念認(rèn)為：自由落水會滴壞散水（滴水穿
石）并會有回濺水濕墻。
我們觀察了使用20余年自由落水房屋的混凝土散水，只個別處有深約2mm的麻點，可見要滴穿60mm的混凝土散
水，則需要幾百年時間。而且維修、修復(fù)這些麻點比在屋面修補水落管水口實在是方便得多。我們在低層和高層建筑觀察過回濺水，并曾用有壓水
（自來水）從四樓向下沖刷散水觀察，所有回濺水濕墻高度都未超過65m，故勒腳抹灰70m就足夠護墻了。
（4）出路
結(jié)合前人的有益改建經(jīng)驗（如無內(nèi)天溝、內(nèi)地溝的多跨緩坡屋頂），結(jié)合上述觀察、試驗與理論分析，結(jié)合對生態(tài)與可持續(xù)建筑的研究，我們認(rèn)為，對前述工業(yè)廠房屋頂有一條簡單易行的辦法就是：多功能轉(zhuǎn)換太陽能自由落水屋頂，即：
①對現(xiàn)有多坡多天溝屋頂利用天溝改為輕質(zhì)種植槽進行人工綠化或自然綠化（讓飛來種籽自然綠化），植物吸收雨水后多余雨水可引向兩端山墻外落水口用鋁鏈或塑料鏈引入散水澆灌植物。圖9為一幢太陽能掩土建筑自然綠化范例（西安年平均降雨量僅為640mm)。我們在試驗期從未澆過水、撒過種，只進行了觀察與必要的數(shù)據(jù)測量。曾有成都某廠房平屋頂種植范例：折合畝產(chǎn)量相當(dāng)高，如：紅茗5000k，西紅柿600ks花生200kgs黃瓜4400kg油菜子
150kg等。
現(xiàn)有結(jié)構(gòu)體系與理論，沒有充分挖掘綠色建材的潛能。特別是綠色高性能混凝土，人們只研究了它的材料性能、工程性能，而沒有研究其力學(xué)性能。也就是說，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，人們?nèi)匀粚⒕G色高性能混凝土與一般混凝土混為一談。
事實上，綠色高性能混凝土結(jié)構(gòu)有著與一般混凝土不一樣的力學(xué)性能。例如，其彈性模量E就不同于一般混凝土。更重要的是，因為其使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般混凝土而為一般混凝土所望塵莫及，所以，現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論并不適合于綠色高性能混凝土結(jié)構(gòu)。綠色高性能結(jié)構(gòu)體系應(yīng)該作為一種獨立的、新型的結(jié)構(gòu)體系加以研究。
綠色高性能混凝土結(jié)構(gòu)由于其卓越的性能必將改變工業(yè)建筑尤其是高層工業(yè)建筑“肥梁胖柱”的傳統(tǒng)外觀，減少環(huán)境污染并提高其抵抗污染的能力，延長工業(yè)建筑的使用年限。而且，由于其有益于人體健康的綠色緣故，必將是工業(yè)建筑可持續(xù)發(fā)展的核心結(jié)構(gòu)。
3、樹立綠色建筑供能節(jié)能和綠色建筑裝飾的設(shè)計與施工理念，是工業(yè)建筑可持續(xù)發(fā)展的必然歸宿節(jié)約能源與開發(fā)新能源是解決日趨嚴(yán)峻的全球能源危機的唯一出路，而建筑能耗在整個能源消耗中約占30%~40%，故建筑節(jié)能的意義不言而喻。
綠色建筑供能，即在建筑中使用能將太陽能或核能轉(zhuǎn)化為電能、熱能等能源的綠色建材，確保整個建筑物的能源供應(yīng)而不再需要或較少需要另外供能。這意味著建筑物本身就是一座發(fā)電站。如美國的某些公司已研制出能將太陽能
轉(zhuǎn)化為電能或熱能的太陽能“屋面板”，窗簾式墻壁。
綠色建筑節(jié)能是指在建筑圍護結(jié)構(gòu)（包括屋頂、外墻、門窗等）中使用綠色建材作為保溫、隔熱材料以節(jié)約能源。這一方面可以減少基本建筑材料的用量，減輕圍護結(jié)構(gòu)的自重，大幅度節(jié)能降耗；另一方面，可以提高建筑施工的工業(yè)化程度。如日本已開發(fā)成功一種能自動調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度的新型
墻體材料。這種墻體材料只需要使用室內(nèi)面積的10%左右，即可將室內(nèi)濕度保持在10%，在濕度為50%以下時，基本不吸收水分，但當(dāng)室內(nèi)濕度一旦超過50%時，即開始吸濕，相反，當(dāng)室內(nèi)濕度過低時，它還會放出濕句。
將綠色建材如保健型瓷磚、可調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度的壁磚、抗菌自潔玻璃等用于建筑裝飾中，就成為綠色建筑裝飾。
綠色建筑節(jié)能和綠色建筑裝飾是綠色建筑結(jié)構(gòu)的補充與完善。只有將二者有機地結(jié)合起來，才能構(gòu)成工業(yè)建筑可持續(xù)發(fā)展的總體藍(lán)圖。
