无与伦比的人居方舟-屋顶农业之生态农居
屋顶农业之生态农居——无与伦比的人居方舟
地址：杭州市萧山区党湾镇勤联村17组
设计：李伯钧 浙江省农业科学院
建筑施工：当地农民建筑队
项目构思，在不突破现有农户拥有的宅基地与庭院区域内，引入古今中外许多有生命力的建筑元素和当代各行业、领域、学科的成就，通过对单一住宅深度挖掘与改良，将人类生存所需的生产、生活、生态等元素融入其中。力求通过合理的搭配与组装，最大限度利用居住区域的自然资源，赋予建筑体生命力，融入农业生物链，打造成一个人类可持续生存的方舟。
生态农居效果图
二户联体农居，半地下室平台（面积450 m²，混凝土框架结构，用途：工场、食用菌栽培室等就业场所或车库）。平台上建住宅与附房（住宅落地面积216m²，三层混凝土框架结构，公寓类型，每层8套；附房落地面积120m²，一层平顶房，餐厅与客厅）。平台、公寓、附房每层均设置走马楼式外挑阳台、露台种植带，屋顶均开辟菜园、果园。
2017年6月施工队进场，由于受地基限制，庭院架空层及附房搁置，住宅建筑开建，当年10下旬主建结顶，11月中旬屋顶覆土造地结束，种上第一茬庄稼。
屋面采用结构自防水设计，屋面板、女儿墙及楼梯出口四周墙基同时整体混凝土现浇，形成一只深500 mm的水池，第二天就蓄水养护，维持约20天。放空水后直接进入屋面农田施工，先在屋面四周离女儿墙600 mm处划定贯通围合的进排沟，随后划定人行通道，其余区域按1100:150的畦、垅宽度放样。种植畦下平铺工字砖（蓄水层），每畦蓄水层之间留空150mm成灌排水沟，并与围沟连通。蓄水层与灌排水沟上均满铺240g/ m²土工布（过滤、防蚊），畦沟上方覆600*250*250mm多功能走道板（分隔成宽1000 mm的种植畦）。人行通道与操作铺设完毕，屋面立即蓄水恢复养护状态，然后对走道板间的空隙勾缝，种植池内覆土（种植土配方：85%菜园土+15%有机肥混合，覆土与走道板齐平，待自然沉降约30-05 mm，最终保持200-220mm）。
本农用屋面采纳120mm蓄水层+220mm覆土层+多功能走道板+植被层等等，种植层全部充满水时最大荷载估计不超过5kn/ m²，对于该建筑屋面10kn/ m²的恒荷设计是安全的。
屋顶采纳蓄水种植，灌溉系统施工就相对简单，只设置二根上水管，一根废水管，一根自来水管（本屋顶农田灌溉水源为沼液与生活废水，由定时器控制潜水泵自动补水；自来水仅用于洗涮）。排水系统设置则比较独特，因为建筑每一层外阳台或露台均有种植池，所以落水管不是直通地面排水沟，而是一层一层往下走，上层满溢的水进入落水管，传递到下一层种植池，如此层层传递，完成所有种植池的自动灌溉，余水回流到地面蓄水池。
另配建一小型牧场，占地16 m²（屋顶同样复垦为农田），猪舍下建有36立方米沼气池一口，另配建与沼液池连通的废水池10立方米，配套污水处理与灌溉系统一套（包括臭氧发生器、潜水泵、定时器等等），至此该生态农居微农业循环系统框架组建基本形成。
生态农居实景图
建筑成本估算：该建筑为农用种植屋面设计，增加了建筑荷载，因此地基、柱、梁承载需要适当加强，同时建筑成本相应增加。与平屋面建筑比较，由于不需要额外的保温隔热层、找坡层，甚至防水层等等，仅屋顶农田而言建筑成本不会增加甚至节约。但该建筑设置了众多的阳台与露台种植池，成本肯定会增加，因此总建筑成本会增加5-7%。如果与当地普遍流行坡顶建筑，如元宝顶或欧式尖顶民居比较，则可节约建设资金5-15%。如果政府能将建筑占用耕地 “占补平衡” 的异地造地资金，或将建设土地指标交易价（萧山50-100万元/亩）的一半费用，补助给建筑体自身土地复垦，肯定足足有余。
建筑节地：该试点虽然未能实现将庭院复垦的初衷，就占地216 m²的主体建筑而言，通过屋顶及露台造地复垦了235 m²，是建筑占地的108.8%，实现了建筑只占空间不占地的愿景。如果阳台（52 m²）也用于农业种植，地下室开辟食用菌栽培，则建房后的农用面积远超建筑占地面积，不仅仅满足了“占补平衡”，甚至获得翻倍。而且因为采纳蓄水种植，是真正的旱涝保收农田，生活区又有大量有机肥补充，它的品质与使用价值是任何地面农田都无法企及的，这从下面的种植实践可以印证。
城市菜篮子：屋顶覆土后，开展如下种植体验，包括安排“榨菜-黄瓜-豇豆”；“莴苣-番茄-花芽菜”；“黄瓜-豇豆-四季豆-大白菜”；“青菜-茄子-毛毛菜-萝卜”等4套耕作制，各种植30 m²，常规管理，分别获得15.4kg/m²、19.2kg/m²、19.8kg/m²、21.3kg/m²的收获，平均18.9kg/m²，是一个不错的收成。按我国城镇人口约120kg/人.年的蔬菜消耗水平计算，似乎7 m²/人屋顶菜园就能解决，按目前城市或集镇的人口密度，新建区域只要按上述方式对建筑体自身复垦，或可以完全实现蔬菜自给。
防灾抗灾：除种植蔬菜之外，还种植油菜、甜玉米、大豆、花生、奉化芋头和番薯等等粮油作物，同样获得了很好的收成，特别是在（长8 m *宽0.7m）的露台种植槽内，种了17棵番薯，有给予特别的照顾，仅有肥水不停地在种植层里流淌，不但垂挂的藤蔓疯长如瀑布，景色特美，居然生产出83.5 kg薯块，平均每棵达4.9kg，最多1棵甚至收了不可思议的13.3 kg，这是我平生所见结薯最多、个儿最大、产量最高的一棵番薯。“月宫一号”实践，依靠30 m²/人的种植区维持生计，完成循环。城市屋顶种植无疑比“月宫”内种植与循环更容易，一旦出现不测，屋顶农业或可成为城镇居民的食物安全备胎。
建筑生态修复：该建筑通过屋顶造地与每层建筑四周露台开发，覆土面积本身就超过了建筑占地面积，而露台种植垂挂作物或攀爬作物，覆盖面积成倍或数倍于占地面积，长满作物的建筑犹如一座青山，完全回复到自然绿色之中，修复是可行的成功的。
建筑节能：屋顶覆土农业种植，建筑冬暧夏凉已被众多试点所证实，这个试点土层下面蓄水深度比已原来实施的又增加20mm，效果更好。夏季连续高温时段（38-41℃），一周温度测定平均值如下表。
表*，蓄水种植屋面与非种植屋面温度温度比较表
|
测定时间 |
裸屋面板顶(℃) |
裸屋面板底（℃） |
种植屋面板顶(℃) |
种植屋面板底(℃) |
气温(℃) |
|
0.00 |
32.10 |
41.10 |
30.00 |
30.30 |
30.20 |
|
3.00 |
30.40 |
38.20 |
29.90 |
30.40 |
29.40 |
|
6.00 |
29.70 |
36.10 |
29.80 |
30.30 |
29.00 |
|
9.00 |
43.80 |
35.30 |
29.70 |
30.30 |
35.00 |
|
11.00 |
52.90 |
37.20 |
29.60 |
30.30 |
39.10 |
|
14.00 |
56.00 |
42.80 |
29.70 |
30.30 |
39.50 |
|
17.00 |
46.20 |
47.00 |
30.00 |
30.50 |
36.10 |
|
20.00 |
36.40 |
46.10 |
30.20 |
30.60 |
32.50 |
|
23.00 |
32.90 |
42.70 |
30.20 |
30.60 |
30.70 |
注：1. 检测仪器：杭州微松WS-T21G-A系列温、湿度自动记录仪；
2. 气温检测，离屋面高度1米，遮阳，但四周无遮挡（非百叶箱内温度）的空气温度。
3. 覆土种植板顶（室外）的探头放泥土与屋面的交接处；屋底（室内）的探头紧贴天花板，下面用300*300*50泡沫板覆盖，与室内空气隔离
4. 无保温隔热层屋面：水泥预制5孔板+一层SBS防水+50mm混凝土现浇保护层。屋顶上的探头直接贴在屋面上；屋面下的探头紧贴屋面板，下面用300*300*50泡沫板覆盖，与室内空气隔离
表内数值为七天平均值，平均后峰值有所拉平，但结果仍然非常地明显。蓄水种植屋顶与裸屋顶比，板顶（室外）降温达26.2℃，板底（室内）降温更是达到惊人的16.4℃。裸屋顶室内24小时间，始终在35.3-47℃的高温烧烤下，而蓄水种植屋顶室内24小时间，仅30.3-30.6℃之间，就相对凉爽。本试点种植屋面的板顶（室外）温度30.2℃与板底（室内）温度30.6℃，似乎仅差微不足道的0.4℃，但同样与以往种植屋面一样，出现不同于普通材料隔热屋面热量从上（屋顶）向下（室内）的传导现象，即反向传导，这是任何保温隔热材料都无法企及的。
建筑海绵体功能：屋顶农业采用蓄水种植设计，蓄水层120mm，覆土220 mm，蓄水层的孔隙度是72%，土壤孔隙度以55%计，仅蓄水层与土壤，可一次性滞纳雨水在207.4 mm，相当于杭州西湖蓄水深度的10%，加之植被层的滞水，蓄水能力更强，完全有能力接纳任何一次大雨或暴雨的水量。屋顶农田不但滞水，还能通过蒸发或蒸腾将水分送回大气层，以浙江杭州为例，地面农田向大气输送的水气在700-1000mm/年.之间，而屋顶风速远高于地面，输送的水气或超过1500mm/年。这或是海绵城市低影响开发的有效途径。
重建循环农业生物链，修复人类脆弱的生态：中华民族有着悠久的传统农耕文明发展史，它创造了无与伦比的“人、畜、农田——循环农业生态系统”。在农耕社会中，城乡处于同一生物链中，农村为城市提供食物、城市为农村提供饲料与肥料（生物质废弃物与人粪尿），城乡几乎没有垃圾的概念，直至上世纪70年代未仍然如此。
随着城市现代化推进，城市工业化与农村结构变化的双重因素，导致城市生活生物质废弃物与人粪尿不再是农村饲料与农业肥料，成了真正的“垃圾”。固体生物质废物不是填埋就是焚烧，人粪尿经工程手段处理后直接排入江河，此方式不仅仅只在城市，而且已全覆盖到浙江农村。不仅浪费了大量资源、能源，还污染土壤、大气与水源，长此以往人类或许没有未来。
中华农耕文明创造的“人、畜、农田——循环农业生物链系统”，是否还有存在的价值，经前期在农村、工厂、学校多地、多年试验是成功的，所以又移植到本试点。2018年4月初开始养猪2头，仅解决二住户的餐余农业副产品，2019年扩大到6头，解决本村民组约20户50余人的餐余废弃物及农业副产品。
人、畜排泄物等生物质垃圾、污水经沼气池转化为沼液，沼液经无害化处理后做屋顶或地面农田（因为养殖规模超出了预期，屋顶造地没达到预期，所以部分沼液转用于地面绿化）灌溉水源。屋顶蓄水种植，水分是贮存于泥土之下的，即使沼液不太干净（但在沼气池极厌氧的环境下已不存在致病生物），也不存在污染农产品与污染环境的风险。废弃物的利用，虽不说变废为宝，至少将垃圾变成了资源。从农业生产自身与中华民族传统饮食习惯而言，种植的农作物至少有1/3以上是家畜可食但人不能食用的秸杆、茎叶，而收获的谷物或果菜中又有1/3是家畜可食但人不能食用的谷糠、麦麸、瓜皮等等，即使进了厨房或上了餐桌，至少还有1/4左右被废弃。
2019年省社科院统计，浙江粮食自给率仅26.4%，我们理应珍惜太阳赋予土地并依靠农作物积累的一切能源，若将全省（7千余万人口，2千余万亩耕地）废弃的农业副产品与餐饮剩余用来养猪，每年至少可产出1千万头生猪。
至于人畜传染病的防控问题，特别是人与猪的传染病隔断，通常只要将猪饲料煮沸，自然冷却即可，就目前而言任何致病微生物在沸煮并维持较长时间高温的环境下都活不了。
区域微循环农业系统的建立与平稳运转，对于消纳城乡建筑区域内生活生物质垃圾与生活污水，使外排减量化甚至零排放，既做到了资源的充分利用，又保证了环境的洁净，是真正绿色低碳甚至负碳工程。对于节约资源、改善环境及人类的可持续性，还是很有现实意义的，至于是否能普及，关键在于对中华民族农耕文明精华的认识与自信心。
消防安全考量：本试点每一层走马楼的阳台、露台设计，不但用于种植需要，还为火灾逃生预设了安全通道，国内时常有火灾造成人员伤亡的报导，但多数都是因为火灾发生时，被困在室内逃无可逃，本案例就不存在这样的问题，任何时候楼内的人都可以从容进入露台，下到地面。
能源自给：该案例不但节能同时还产出能源。首先与猪舍配套的沼气池，每天可产出5-15立方米的沼气。其次通过在屋顶檐口与楼道顶部安装太阳能光伏电板（44块，70.4 m²，11.88KWP）及配变电设施，并接入国家电网，从2018年5月23日拼网发电至2020年2月22日，21个月共发电22113.45度，平均每天发电35度，实现两农户全年生活用电与燃料的自给有余。
虽然庭院及附房不能与主体建筑同建，没有完全体现设计者的初衷，而且由于受场地原因，猪舍与住宅贴得过近的不合理现象等等。但总体而言，还是体现出了设计者在节地、绿建、建筑海绵体与节水、节能产能、环保、食品安全与防灾等城乡可持续的众多元素，项目是成功的。
期望该试点能继续获得推进，让设计者的初衷得到更多展示，对于就业、交通、资产性收益等等社会功能还有怎样体现？
该建筑方案对撤村建居及移民脱贫的重建或有直接的参考意义，对于重建的旧城改造是否也有一定的启示。人类只有一个地球，我们应该珍惜所有资源，保护生存的环境不遭伤害。
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