中國正在經歷大規模的城市化，大量的農業人口向城市集中，城市規模不斷擴大，大量的新建建筑正不斷地改變著城市的空間結構和景觀，然而令人遺憾的是新建建筑的95%以上是高能耗建筑，而建筑能耗在全國總能耗中的比例接近30%，所以中國的建筑節能已經成為擺在我們面前的、日益緊迫的問題，特別是在目前電力緊張、煤炭和石油價格高騰的今天，更凸顯出其重大的社會意義和經濟意義。最近國家領導人提出大力發展節能省地型建筑，全面推廣和普及節能、節水、節材、節地技術，體現了國家高層從戰略角度對這一問題的高度重視，我們應該發揮全社會的力量，提高認識，積極主動地參與到發展節能省地型建筑，全面推廣普及節能、節水、節材、節地技術的工作上來，以促進建筑節能、節水、節材、節地工作取得實質性的、快速的發展。目前在部分大中城市剛剛起步的屋頂綠化就是一種適合于現代城市發展要求的、節能、環保、生態型的建筑新技術。
1．傳統的建筑屋頂結構存在的主要問題
建筑物的屋頂是建筑的主要圍和體面之一，被稱為建筑的第五立面，目前傳統的屋頂結構（混凝土屋面）主要由屋頂結構層、防水層、保溫隔熱層和混凝土保護面層構成，在夏季強烈的日光照射下，其表面溫度會升高至50-60℃左右，盡管屋頂面層內的保溫隔熱層抑制大量熱的流入，但還是有相當部分的熱量通過結構層傳導到建筑的最上層的室內，造成最上層室內溫度居高不下，需要耗費大量額外的空調用電；而冬季則相反，由于屋頂面層溫度很低，導致室內熱量通過屋頂結構傳導到室外，造成最上層室內溫度偏低，需要耗費大量額外的供暖熱量，這就是建筑頂層房間“冬冷夏熱”的弊病。
傳統的屋頂結構的第二個問題是一天中溫度變化很大，有時表層最高溫度與最低溫度的在一天內的差值達到25-30℃，由此造成混凝土結構層出現熱脹冷縮，盡管伸縮量很小，但一天天的熱脹冷縮會使屋頂面層逐漸產生細小裂紋，細小裂紋會逐漸影響到防水層的使用壽命，嚴重的裂紋還會造成防水層受損，出現屋頂漏水的現象。
傳統的屋頂結構的第三個問題是在日光中的紫外線長期照射下，會導致屋頂面層的劣化及防水層的老化問題。傳統的屋頂結構的第四個問題是日趨嚴重的“酸雨”會腐蝕屋面，甚至滲入細小裂紋內腐蝕混凝土內部，導致建筑物使用壽命縮短。
2．屋頂綠化的節能和屋面保護特性
屋頂綠化，狹義上來說指的是在建筑屋頂上實施綠化；而廣義上來講，泛指在非滲透性的人工構筑物上進行綠化，包括在建筑物屋頂、墻體、露臺陽臺、裙樓屋頂、建筑物的空中平臺、地下大型停車場的屋頂、工廠廠房屋頂，硬質地面鋪裝的廣場，立交橋等，也被稱為“建筑種植”或“立體綠化”。
屋頂綠化是如何保護建筑屋面和達到節能效果的呢？在夏季，綠化種植層對日光照射所產生的熱有三種主要作用方式：1）反射作用；2）隔熱作用；3）蒸騰作用。屋頂綠化層的反射和隔熱作用比較易于理解，蒸騰作用包括兩部分：一是指綠色植物自身的蒸騰作用；一是指綠化種植土表層的蒸騰作用。綠化植物本身通過植物葉片上的微孔進行呼吸，葉片內液態的水吸收周圍空氣的熱量（氣化潛熱），變成氣態的水，散發到空氣中去；同樣地，綠化種植土表層內的液態的水也會吸收的周圍空氣的熱量（氣化潛熱），變成氣態的水，散發到空氣中去。潛熱是物質在氣化過程中需要的熱量，由于潛熱遠遠大于顯熱，所以綠化區域蒸騰作用的吸熱效果非常大，這就是在炎熱的夏天人們愿意在樹蔭下納涼的原因，國外的研究表明草坪可以將日光照射熱量的50-60%通過蒸騰作用吸收掉。液態的水吸收熱量后變成氣態的水散發周圍空氣中，又可以同時增大周圍空氣的濕度。北京市園林科研部門曾經做過測試：在炎熱的7月天下午3點左右，地表綠地的表面溫度為31℃，而地表裸露土地的表面溫度為39℃，綠地表面溫度比裸露地面溫度低將近26%；地面上喬灌草結合較好的綠化區內，其空氣濕度比裸露土地高出23%。
目前國內針對屋頂綠化的基礎研究尚處于空白階段，數據較少。在此介紹日本的有關研究數據，日本都市基盤整備公團在其總部大樓（東京）屋頂綠化區內做過對比測試，發現在夏季8月份，裸露屋頂屋面的溫度一天內變化范圍為28-56℃，而綠化層表面溫度一天內變化范圍為29-32℃；冬季1月份，裸露屋頂屋面的溫度一天內變化范圍為-4-19℃，而綠化層表面溫度一天內變化范圍為10-12℃；可以看出：夏季和冬季裸露屋頂表面一天內溫度差高達28℃和23℃，而綠化層表面一天內溫度差僅為3℃和2℃；如果以一年為周期的話，裸露屋頂的溫度變化范圍為-4-56℃，而綠化層表面溫度的變化范圍為10-32℃，前者溫度差為60℃，后者僅為22℃，也就是說屋頂綠化表層溫度年間變化范圍僅是裸露屋面表面溫度年間變化范圍的36.7%。這一研究結果表明屋頂綠化可以大大縮小建筑屋面溫度的變化范圍，所以屋頂綠化對于保護屋頂結構層，防止混凝土的熱脹冷縮非常有效。同時由于屋頂綠化避免了屋面出現夏季的極度高溫和冬季的極度低溫，所以通過屋頂結構層傳導入（夏季）和傳導出（冬季）的熱量也大大減少。日本“屋頂綠化研究會”經過調查，認為“如果大廈實施1000m2的屋頂綠化，大廈的空調使用量可以減少30%”。日本的船瀨俊介在1993年通過實驗測試，發現屋頂綠化的隔熱效果換算成電費的話，每天每平方米建筑面積大約節省電費為5.4日元（合人民幣約0.42元，注：以日本當時的電價每度24日元計算），以此標準計算，99m2的集合住宅一天可以節約535日元（合人民幣約41.5元），那么一個夏天按三個月空調使用期計算的話就可以節約約5萬日元（合人民幣約3878元）；照此推算，如果日本東京23個區的平屋頂的50%實施屋頂綠化，一個夏季就可以節約空調電費約100億日元（合人民幣約7.8億元）！該計算只是一個初步的估算，有其不嚴謹的地方，但作為初步的參考，可以讓我們明白屋頂綠化的節能節電效果是非常可觀的。

屋頂綠化層的存在還可以防止日光直接照射到屋頂表面，從而避免了日光中紫外線對屋面的劣化影響，保護了屋頂面層，并延長了防水層的使用壽命和建筑物的使用壽命；建筑物使用壽命的增加，就可以節省大量的維修保養工作及改建和重建的工作，這又從另一個方面實現了我們所追求的建筑節能、節水、節材的目的。另外，近年來由于空氣污染加劇，酸雨的比例持續增加，以深圳為例，2004年深圳降雨的pH年平均值為4.48，低于酸雨臨界值（pH=5.6），比2003年的降雨pH年平均值的4.93又降低了0.45，降雨酸性增強，而且酸雨出現頻率為78.9%，比2003年上升了26.1個百分點，表明酸雨呈現快速增加的勢頭。屋頂綠化的種植土和植物根系通過吸收、分解、凈化作用可以中和雨水的酸性，經過土壤滲出的雨水其pH接近中性，從而大大減小了酸雨的危害。
除了上面講的屋頂綠化的優點以外，屋頂綠化還有很多其他的功能，總結如下：
1）從城市環境角度來看：
a)改善城市環境和氣候，緩解城市的“熱島效應”，調節城市的溫度和濕度；
b)綠化植物可以滯留空氣中的塵埃，達到凈化空氣的效果；
c)緩解暴雨所造成的積水、洪澇及其他各種地質災害以及緩和酸雨的危害；
d)為鳥類、昆蟲等創造適宜的生長環境，有利于生物多樣性保護；
e)改善城市景觀，達到與環境協調、共存、發展的目的；
2）從建筑角度來看：
a)改善建筑物的外觀，遮蓋影響視覺效果的屋頂或墻體等；
b)緩解建筑物熱脹冷縮而導致屋頂裂紋引起的損害，以及紫外線等導致防水層的老化和滲漏；
c)有效地降低屋頂結構層表面的溫度，從而節省空調用電量，達到節約能源的目的；
d)火災發生時，起到保護建筑物和燃燒延遲的作用；
e)對于商業性建筑物，可以達到改善環境、吸引客流的目的；
f)對于辦公寫字樓和工廠廠房等建筑，可以最大限度地利用建筑空間，建成供員工小憩的“屋頂花園”；
3）從使用者角度來看：
a)改善周圍環境，起到視線遮擋，保護私密性的作用；
b)可以減噪和防風，同時可以有效地減小建筑物墻體的日光反射；
c)綠化環境可以緩解人們精神上和身體上的緊張和疲勞感；
d)為人們提供進行栽培，園藝活動的場所，豐富人們的生活，怡情養性；
從以上內容可以看出，屋頂綠化這種充分利用現在處于“空置狀態“的屋頂面積而不占用寶貴的地表資源的綠化方法，能夠很好地解決城市建設快速發展和生態環境建設相對滯后之間的矛盾，所以說屋頂綠化是一種雙贏甚至多贏的現代城市建設的生態型技術解決方案，這也正是屋頂綠化受到眾多生態環境專家、城市規劃專家、建筑設計專家等所推崇的原因。

3．屋頂綠化新技術—屋頂薄層綠化技術
屋頂薄層綠化方法，由屋面開始，分別是防根系穿透層（簡稱防根層或隔根層）、架空排水板、過濾層、輕質人工培養土層和表面覆蓋層。屋頂薄層綠化技術不僅大大減輕綠化種植層的重量和厚度，并且很好地解決了綠化層排水、基質層的保水保肥、植物根系的呼吸和生長、建筑屋面和防水層保護等諸多的問題，是代表屋頂綠化未來發展方向的綜合性技術解決方案。
1）開發屋頂綠化專用人工輕質培養土（GT-I型）；
分析了大量天然質料的特性，從中篩選出數種以最佳比例、經現代科學方法配制完成，富含植物生長所需的有機質和各種微量元素，不含任何普通土壤和牲畜糞便成分，是一種新型的、優質的無土栽培基質。經廣東省農業科學院土壤肥料研究所檢測，其干容重不到普通土壤（對比土樣）的四分之一（24%），濕容重也不到普通土壤（對比土樣）的一半（43%），是一種優良的輕質培養土；經檢測其持水量和陽離子代換量分別為57.31%和7.16cmol/kg，是普通土壤（對比土樣）的3.2倍（18.14%）和2.1倍（3.34cmol/kg），所以是一種保水能力和保肥能力極好的無土栽培基質。
GT-I型人工培養土的質地疏松、不宜板結、具有優良的排水和透氣性能。可以作為屋頂綠化種植層基質使用，也可以作為土壤改良劑與當地普通土壤配合使用（如2:1或1:1的比例配比），這樣一方面大大改善普通土壤的保水保肥能力，防止土壤板結，增強其排水和透氣特性，還可以節約材料成本。
人工培養土由純天然質料構成，不含任何化學合成成分，是一種對環境友好的環保型輕質培養基質，可以長久地多次使用，屋頂花園使用完了還可以作為大田的土壤改良劑繼續使用，不會污染環境及造成浪費。需要注意的是，由于輕質人工培養土質輕，干燥狀態下易于被風吹散，草坪等地被植物的根系可以保護其免被風吹起，灌木和樹木根部地表有裸露時，可以覆蓋2-3cm厚的GT-CL型表層覆蓋材料（一種經過特殊處理過的松樹皮顆粒，其粒徑為5-15mm），也可以直接覆蓋2-3cm厚的普通土壤。起到防止培養土顆粒被風吹起和表層美化的作用，同時還可以維持地表濕度，防止種植層內水份過快蒸發。
2）開發取代陶粒（或碎石）排水層的輕質薄層架空排水板；
我們自主開發的輕質薄層架空排水板技術，已經獲國家專利局頒發專利證書。其結構采用蜂巢狀的設計，在保證最大限度的架空排水空間、實現高效快速排水的同時，擁有超強的耐踏壓強度。可相互組合連接的單體，在施工現場按照場地形狀和尺寸可以簡單快捷地連接成一體化的架空排水層，以防止可能出現的移位。其厚度有兩種規格：GT-DP-M28型厚度為28mm，GT-DP-M14型厚度為14mm；每平方米重量分別為約2.8kg和1.5kg，實現了排水層的薄層化和輕量化。如果采用100-150mm的陶粒排水層，僅排水層自身的潤濕重量就達80-120kg/m2。GT-DP-M28型架空排水板可以用于覆土厚度較大的地下室屋頂、車庫頂和住宅小區的空中平臺上的屋頂綠化（覆土厚度在500-1500mm之間），GT-DP-M14型架空排水板可以用在覆土厚度較小的建筑裙樓、陽臺露臺等的屋頂綠化（覆土厚度在100-500mm之間）。
架空排水板將濕潤的綠化種植層與屋面隔開來，在種植層之下形成一空氣薄層，該空氣薄層均勻地分布于整個種植層培養基質的下方，一方面可以避免屋面長期處于過濕的狀態，另一方面還可以有效促進花卉植物根系的呼吸，有利于植物的生長。架空排水板可以根據需要很容易地切割以適應場地形狀的要求，具有良好的施工便利性；同時排水板既可以水平設置，也可以傾斜或豎向設置，可滿足各種不同施工場地的需求。使用完了廢棄的排水板還可回收再利用，不會對環境造成污染。

3）建筑屋面和防水層的保護
我們知道植物根系具有很強的穿透能力，所以屋頂綠化必須要設法保護建筑屋面和防水層。一旦造成防水層破壞引起屋頂漏水，就會給頂層用戶的工作或生活造成很大困擾，而且維修工程非常繁雜，因為屋頂有漏水痕跡的地方，未必就是防水層破損的地方，所以需要將屋頂綠化全部拆除，尋找防水層破損位置進行修補或者重新作防水層。由此看來，屋頂綠化在技術上必須考慮保護建筑屋面和防水層。我們在建筑屋面之上、架空排水板之下設有一層防根層，以防止根系損傷屋面和防水層。目前國外最新的屋頂綠化技術是采用優質高性能的防根層，將綠化種植層直接設在建筑防水層之上，省去了屋面的保溫層和混凝土保護面層，這樣可以節省約80-140kg/m2屋面荷載，從而增加了綠化種植層的可容許重量，可以實現變化豐富的植物配植，建造美麗的“屋頂花園”。如果在建筑防水層之上直接作屋頂綠化，防水層必須采用安全性高、使用壽命長的防水層，并建議在建筑防水層之上鋪設兩層防根層，以提供足夠的安全保護。
4）屋頂薄層綠化方法與傳統屋頂綠化方法的比較
我們將屋頂薄層綠化方法與傳統的屋頂綠化方法進行了比較，比較結果參見圖5。可以看出由于采用保水性保肥性能優良的輕質人工培養土，種植基質層的厚度可以減少一半以上；由于人工培養土的濕容重約是普通土壤的1/2，所以單單種植基質層的重量就可以減少到四分之一以下。其次，由于采用架空排水板取代陶粒排水層，可以將排水層的重量由約100kg/m2減少到1.5-2.8kg/m2，厚度由約100-150mm減少到14mm或28mm。再次，采用雙層防根系穿透保護層，可以省去屋面的保溫層和混凝土保護面層，又可以節省約80-140kg/m2屋面荷載。這樣，傳統綠化如果種植層厚度為1240mm，重量為1540kg/m2的話，采用屋頂薄層綠化技術種植層厚度減小為430mm，重量減輕為235kg/m2（注：圖示重量不包括種植植物部分重量），成功地實現了我們所追求的屋頂綠化的薄層化和輕量化。當然，屋頂薄層綠化由于采用薄層化和輕量化種植技術，種植層的固根能力有所減弱，對于3米以上高度的喬木應該采取固根抗風措施。對于景觀觀賞性要求不高和空間條件滿足時，可采用一般的地上支架予以固定，而對于景觀觀賞性要求高和空間狹小時，需要采用我們專門為屋頂綠化開發的地中固根支撐裝置。
5．結語
1）在當今城市建設中，屋頂綠化這種充分利用現在處于“空置狀態“的屋頂面積而不占用寶貴的地表資源的綠化方法，能夠很好地解決城市建設快速發展和生態環境建設相對滯后之間的矛盾，可以說屋頂綠化是一種雙贏甚至多贏的現代城市建設的生態型技術解決方案
2）屋頂綠化不僅美化環境，同時還有多種功能；特別是其節能、屋面保護、緩和酸雨危害等特點對于促進建筑節能、節水、節材、節地工作具有很大意義。
3）屋頂薄層綠化技術成功地實現種植層的薄層化和輕量化，同時很好地解決了綠化層排水、基質層的保水保肥、植物根系的呼吸和生長、建筑屋面和防水層保護等諸多的問題，是代表著屋頂綠化發展方向的新技術。