重さと水の設計——屋上を農地に変える物理

地上の畑なら、設計は作物から始められます。何を育てたいかを決め、それに合う土をつくり、必要なら水を引く。土の下に何があるのかを問う必要は、ほとんどありません。屋上ではこの順序が逆になります。最初に問われるのは「このスラブは何キログラムまで許すのか」であり、次が「防水層をどう守るのか」、その次が「水をどこから入れて、どこへ抜くのか」です。作物の選択は、いちばん最後に来ます。昨日の第1回では、屋上を土の深さという最も基本的な自由を最初に奪われた農地だと書きました。今日はその不自由の中身を、数字と層の順番に沿って開いていきます。

この順序を守らなかったときに何が起きるかは、はっきりしています。土を厚くしすぎれば構造が持たない。防水層の一点が破れれば階下が濡れる。排水が詰まれば屋上に水が溜まり、その水がまた重さになる。灌水設備を省けば真夏の数日で枯れる。屋上農園の失敗は、農業の失敗としてよりも、設備の失敗として起こります。だからこの記事は、農書としてではなく設計の話として書きます。扱うのは四つの物理——重さ、水、風、熱——であり、そのすべてが互いに結びついています。

その結びつき方は、しばしば直観に反します。たとえば重さは屋上農園にとって最大の制約ですが、同時に風に対するほとんど唯一の抵抗手段でもあります。土を軽くするほど飛ばされやすくなる。水は植物の命綱ですが、建物にとっては最大の脅威であり、しかも水を吸い切った土は最も重い状態になります。冷却効果を生むのは土そのものではなく、土が抱えた水です。ひとつを軽くすると別のどこかが弱くなる——屋上の設計とは、この綱引きのどこに線を引くかを決める作業にほかなりません。

日本で屋上に何を載せられるかを最初に規定するのは、建築基準法施行令第85条の積載荷重の表です。表の（八）は「屋上広場又はバルコニー」を掲げ、その数値は（一）の「住宅の居室、住宅以外の建築物における寝室又は病室」によると定めています。（一）の数値は、床の構造計算をする場合が1平方メートルにつき1,800ニュートン、大ばり・柱又は基礎の構造計算をする場合が1,300ニュートン、地震力を計算する場合が600ニュートンです。ただし学校または百貨店の用途に供する建築物では、（四）「百貨店又は店舗の売場」の数値、すなわち2,900・2,400・1,300ニュートンによるとされています。

1,800ニュートンは、重力加速度で割ればおよそ184キログラム重にあたります。1平方メートルにつき180キログラムまで、という言い方をすると余裕があるように聞こえますが、この数字の意味を取り違えてはいけません。積載荷重とは、人や家具のように入れ替わり、動く荷重を統計的に見込んだ数字です。屋上緑化の土や排水材や樹木は、本来そこには入りません。埼玉県が公開している屋上緑化の資料も、屋上緑化は建物の積載荷重によって制限されると述べたうえで、施行令の規定を参照しています。制限するのは確かに積載荷重の枠ですが、載る土そのものは別の枠に属しているのです。

新築であれば話は単純です。緑化の重さを設計条件として最初から織り込み、必要なら梁や柱を増やせばよい。難しいのは既存の屋上です。設計時にどれだけの余裕が見込まれていたのか、その余裕をどこまで使ってよいのかは、図面と構造計算書を当たらなければわかりません。「屋上があるから畑にできる」とは言えず、「構造計算書があるから検討できる」と言うべきなのです。市民の側から屋上農園を始めようとするとき、最初に立ちはだかるのは土でも植物でもなく、この一冊の書類です。

構造設計では、荷重を大きく固定荷重と積載荷重に分けます。固定荷重は建物自身の重さ、すなわちスラブ・仕上げ・設備のように動かないものの重量です。積載荷重は、人・家具・在庫のように入れ替わるものを統計的に見込んだ値です。屋上緑化の層——防水押えから排水材、植栽基盤、そして植物まで——は、原則として前者に属します。屋上緑化の設計で、緑化計画と構造設計を最初から並行させることが求められるのは、この区別があるからです。屋上に土を載せることは模様替えではなく、建物の自重そのものを増やす行為なのです。

数字を並べると事情がはっきりします。薄く軽い薄層型（extensive）の緑化はおよそ50〜120キログラム毎平方メートル、土を厚く盛る厚層型（intensive）は390〜730キログラム毎平方メートルとされます。厚層型の下限である390キログラムは、事務室の積載荷重2,900ニュートン——およそ296キログラム重——さえ上回ります。つまり厚層型は、余裕を流用して後から載せられる種類のものではありません。既存屋上への後載せが薄層型に寄っていくのは、緑化の思想が変わったからではなく、算術がそう強いているからです。

もうひとつ重要なのは、どの状態で重さを測るのかという点です。土は乾いているときと雨を吸い切ったときとで、重量がまったく違います。北米には植栽屋根システムの固定荷重・活荷重の決定手順を定めるASTM E2397や、固定荷重解析のための最大培地密度を測るASTM E2399といった規格があり、いずれも培地を飽水させたうえで密度を測る手順を含むとされます。設計に使うべきは、晴れた日の重さではありません。豪雨のあと、土が水を抱えきった最も重い瞬間の重さです。この一点を外した計算は、最も危険な状態を見落とすことになります。

屋上緑化の断面は、下から順に、防水層、耐根層、排水層、ろ過層（フィルター）、植栽基盤、植物、そしてしばしば灌水配管という重なりでできています。地上の畑には一枚もない層が、ここでは五枚も六枚も入る。屋上農園を「土を運び上げた畑」と考えると、この重なりの意味が見えません。正確には、建物を守るための防水システムの上に、植物を生かすための別のシステムを積み上げた複合体です。どちらか一方の都合だけで設計することはできず、両者の要求が衝突する箇所——たとえば排水口の位置や立ち上がりの納まり——が、そのまま設計の勘所になります。

最も切実なのは耐根層です。植物の根、とりわけ地下茎を伸ばす種は、防水層の継ぎ目や立ち上がりの弱点を探り当てて侵入します。欧州には防水シートの耐根性を調べるEN 13948という試験規格があり、ドイツのFLLガイドライン（2018年版）はさらに厳しく、ピラカンサ（Pyracantha coccinea）とシバムギを用いる2年間の試験と、ハンノキの一種（Alnus incana）とシバムギを用いる4年間の試験を課すとされます。年単位で植物に攻撃させ、それでも破られないことを確かめて初めて合格が判定される——耐根性とは、材料試験というより一種の栽培試験なのです。日本では、防水層の上に耐根シートを別途重ねる工法が広く採られています。

排水層とろ過層は地味ですが、この二枚が屋上農園の寿命を決めます。排水層は水を滞らせずドレンへ導き、同時に一定量の水を保持します。ろ過層は細かい土が排水層に落ちて目詰まりするのを防ぎます。ドレンが詰まれば屋上は浅い池になり、水深10センチはそれだけでおよそ100キログラム毎平方メートルの追加荷重に相当します。前節で見た荷重の余裕は、こうして静かに食い尽くされる。屋上農園の維持管理で最初に点検すべきは作物ではなく排水口だ、という実務の常識には、こういう算術の裏づけがあります。

屋上の土は、畑の土とは材料からして違います。主役になるのは焼成発泡骨材、すなわち粘土・頁岩・スレートを高温で焼いて内部を発泡させた粒や、軽石・スコリアのような天然の多孔質火山礫です。膨張粘土（LECA）は粘土をおよそ1,200℃の回転窯で焼き、閉じ込められたガスが膨張して無数の小さな気泡をつくることで多孔質になります。この材料のかさ密度は品種によっておよそ250〜510キログラム毎立方メートル。鉱質土壌のかさ密度が一般におよそ1.1〜1.6グラム毎立方センチメートル、すなわち1,100〜1,600キログラム毎立方メートルとされることを思えば、三分の一から五分の一の軽さです。

では、なぜ軽いのに水を持てるのか。鍵は孔の位置です。水は粒と粒のあいだ（粒間孔）だけでなく、粒そのものの内部（粒内孔）にも保持されます。粒内に水を抱えられるからこそ、粒間は排水のために空けておける。「速く抜けるのに、なお持つ」という一見矛盾した性質は、この二階建ての孔構造から生まれます。台湾・国立中央大学の屋上で行われた実験では、厚さ10センチの軽量人工土壌について、圃場容水量が体積比0.45、間隙率がおよそ0.46、飽和透水係数が毎時339.8ミリメートルと報告されました。毎時340ミリという透水性は豪雨をそのまま通す速さであり、それでいて体積の45%まで水を抱えられるということです。

ただし軽量土壌は万能ではありません。有機物を混ぜれば保水と養分は増えますが、有機物は分解して減るため、数年で基盤の厚さが目減りします。粒が軽いということは、風で飛びやすいということでもあります。そして最も本質的な限界は、深さそのものが荷重で縛られていることです。厚さ10センチと30センチの基盤を比較した研究では、深いほど保水量が大きくなることが確認されています。より深くすればよいと誰もが知っていて、しかし深くできない。屋上の土は、既知の解を法と構造が禁じている場所に置かれているのです。

屋上は地上より風が強く、しかも風は一様には吹きません。建物の縁で気流が剥離するため、パラペット際と隅角部には屋根の中央よりはるかに大きな吸い上げ（アップリフト）がかかり、同時に土を削り取る洗掘（スカー）が起きます。屋上農園が壊れるとき、真ん中から壊れることはまれで、たいていは縁から壊れます。北米には植栽屋根の耐風設計規準としてANSI/SPRI RP-14があり、建物高さ・パラペット高さ・暴露区分から許容風速を求める方法を与えているとされます。バラスト式の単層防水屋根に関する規準を下敷きにしている点も、この規格の性格をよく表しています。

対策の要点は二つです。ひとつは、屋根の縁と突出物のまわりに植栽を置かない帯——ベジテーション・フリー・ゾーン——を設け、砂利などで押さえること。幅はおよそ50〜90センチが目安とされ、立ち上がりまわりには300〜500ミリの砂利敷きを設けるという実務も示されます。この帯は延焼を止める防火帯を兼ねます。もうひとつは、土や砂利そのものをバラスト、すなわち重りとして使うことです。植栽屋根の多くは接着も機械固定もされておらず、載っている重さだけで風に抗しています。

ここで重さの意味が反転します。前半で見たとおり、重さは屋上農園にとって最大の制約でした。ところが風に対しては、その重さこそがほとんど唯一の武器になる。軽量化を突き詰めるほど飛散のリスクは上がり、耐風のために重くすれば構造の余裕を食う。屋上の設計に「軽ければ軽いほどよい」という単純な最適解が存在しないのは、この二つの要求が正面から衝突しているからです。設計とは、この衝突のどこに線を引くかという判断であり、その線の位置は建物の高さと立地によって毎回変わります。

屋上緑化の効能としてまず挙げられるのは温度です。米国環境保護庁（EPA）は、緑化屋根の表面温度が従来の屋根より最大で華氏56度——摂氏でおよそ31度——低くなりうること、周辺の気温を最大で華氏20度（およそ11度）下げうること、そして冷房負荷を70%削減し室内気温を華氏27度（およそ15度）下げた例があることを示しています。2023年のメタ分析では夏季の屋根表面温度が平均およそ30℃低下したと報告され、シカゴ市庁舎の屋上では従来型の屋根より1.4〜4.4℃低いという観測もあります。数字に幅があるのは当然で、気候も工法も植物も違うからです。

重要なのは、この冷却がどこから来ているかです。台湾・国立中央大学の屋上で行われた実験では、厚さ10センチの軽量人工土壌に在来種を植えた区画が、対照の屋根に比べて室内温度を夏季平均で5〜6℃、最大で10.65℃下げました。そして室内温度の低下への寄与が最も大きかった要因は、断熱でも日射遮蔽でもなく、蒸発散でした。次いで土壌水分、気温、蒸気圧と続きます。つまり屋上を冷やしているのは土の層そのものではなく、その土が抱えた水が蒸発するときに奪っていく潜熱です。緑化屋根は断熱材ではなく、水を燃料にして動く冷却装置だと考えるほうが実態に近い。

この一文には、運用上の重い含意があります。乾いた屋上緑化は、期待された性能を出しません。土壌水分が落ちれば蒸発散は止まり、冷却も止まる。灌水は「植物を枯らさないための世話」であると同時に、「屋根の性能を維持するための設備運転」でもあるということです。同じことは雨水にも言えます。ポーランド・オポーレでの研究では、緑化屋根が大雨のおよそ44%を保持し、日降水量5ミリ以下の雨は薄層型・厚層型ともに完全に保持したと報告されました。一方で3日以上続く降雨では低減効果が20%落ち、3日以上の乾燥期間のあとでは20%上がります。屋上の性能は、土の厚さだけでなく「いま土がどれだけ乾いているか」で決まるのです。

本記事は、屋上農園の図面を下から読む、というひとつの方針で貫かれています。最初に置いたのは建築基準法施行令第85条でした。屋上広場およびバルコニーの積載荷重は住宅の居室と同じ扱いを受け、床の構造計算では1平方メートルにつき1,800ニュートン、大ばり・柱・基礎では1,300ニュートン、地震力の計算では600ニュートンとされ、学校と百貨店ではそれぞれ2,900・2,400・1,300ニュートンになります。次に、その数字が土のためのものではないことを確かめ、緑化の重量を固定荷重として数え直しました。そこから層の断面へ、土の材料へ、風へ、熱へと降りていき、最後に、屋上を冷やしているのが土ではなく土の抱えた水だという結論に到達しました。出発点の「重さ」と終着点の「水」は、飽水した土という一点で結ばれています。

覚えておくべき論点は三つです。第一に、屋上の設計は積載荷重ではなく固定荷重の問題であること。薄層型がおよそ50〜120キログラム毎平方メートル、厚層型が390〜730キログラム毎平方メートルであり、厚層型の下限でさえ事務室の積載荷重（2,900ニュートン、およそ296キログラム重）を上回ります。第二に、軽量人工土壌が軽いのに水を持てるのは、粒内孔と粒間孔という二階建ての構造によること。粘土をおよそ1,200℃で焼いた膨張粘土のかさ密度は約250〜510キログラム毎立方メートルで、鉱質土壌の三分の一から五分の一にとどまります。第三に、屋上の冷却を担っているのが蒸発散であること。台湾・国立中央大学の実験では厚さ10センチの基盤で室内温度が夏季平均5〜6℃、最大10.65℃低下し、寄与が最も大きかった要因は蒸発散でした。

同時に、わかっていないこと、留保すべきことがあります。ここで挙げた重量の範囲や温度の低減幅は、気候・工法・植物・管理水準の異なる事例から集めた値であり、どの屋上にもそのまま当てはまるものではありません。EPAが示す数値は、ある条件下で観測された上限であって平均ではありません。台湾やポーランドの結果は亜熱帯および中欧の気候で得られたもので、日本の梅雨と猛暑にそのまま移せる保証はない。ASTMやFLL、ANSI/SPRIの規格については、本稿の執筆時点で原本の全文を取得できなかったため、名称と趣旨の記述にとどめ、細目の数値は引いていません。そして想定される最も重い反論として、屋上を設備工学の問題に還元しすぎると、そこで働く人の手間や楽しみ、育つ作物の味といったものが視野から落ちます。設計は必要条件であって、十分条件ではありません。

特集「屋上という農地」の第2回として、本記事は昨日の第1回「屋上という農地」が面積として示したものを、設計の言語に翻訳しました。屋上に載る緑は、思想の産物である以前に、荷重・防水・排水・灌水の帰結です。もっとも、その技術体系は空から降ってきたわけではありません。誰が、いつ、どんな動機で、屋根に土を載せることを思いついたのか。年単位の栽培試験を課すような耐根性の規格が、なぜドイツで整えられたのか。明日の第3回では、近代建築が屋上庭園を思想として掲げた経緯から、戦後ドイツで屋根緑化が技術体系になった過程、そして日本の百貨店屋上という独特の文化までを辿ります。今日の数字がどこから来たのかを、歴史の側から見ることになります。