美國(guó)波士頓防洪建筑韌性設(shè)計(jì)及其啟示

劉輝 ，陳軼 ，葉志聰 （南京工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，江蘇 南京 211816）

1 引言

洪水被認(rèn)為是美國(guó)和其他國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)的主要自然災(zāi)害之一，幾乎占據(jù)全球自然災(zāi)害有關(guān)損失的30%[1]。由于全球變暖和氣候變化的影響，洪水的頻率和強(qiáng)度正在增加。美國(guó)近幾年發(fā)生的災(zāi)難性洪水，包括2012年紐約的超級(jí)風(fēng)暴桑迪和2018年波士頓遭遇40年來(lái)最嚴(yán)重的洪水，造成了數(shù)十億美元的財(cái)產(chǎn)損失[2]。根據(jù)“應(yīng)對(duì)氣候變化的波士頓”計(jì)劃預(yù)測(cè)，與2000年的海平面高度相比，到2030年時(shí)，波士頓的海平面將至少升高0.23m，而到2050年和2070年時(shí)，海平面高度將預(yù)計(jì)升高 0.53m和0.91m，0.23m的升幅盡管看起來(lái)并不起眼，卻能使波士頓地區(qū)百年一遇的沿海洪災(zāi)發(fā)生概率提高4或5倍；當(dāng)海平面高度升幅達(dá)0.91m時(shí)（即2070年預(yù)測(cè)值），百年一遇的洪水屆時(shí)將可能“一月一遇”[3]。

波士頓已經(jīng)成為應(yīng)對(duì)氣候變化問(wèn)題的領(lǐng)導(dǎo)者，它是美國(guó)乃至國(guó)際上首批發(fā)布?xì)夂虮O(jiān)測(cè)和評(píng)估框架的城市[4]。波士頓是為數(shù)不多的在遭受洪水侵襲前就未雨綢繆，為應(yīng)對(duì)海平面上升和氣候影響制定規(guī)劃的城市之一。波士頓規(guī)劃發(fā)展局不僅僅在區(qū)域?qū)用娼⒎篮橹笇?dǎo)原則，還在建筑層面強(qiáng)調(diào)韌性防洪措施與技術(shù)設(shè)計(jì)。建筑層面主要是引導(dǎo)社會(huì)發(fā)展新建和改建現(xiàn)有建筑，以更好地保護(hù)建筑免受或減輕洪災(zāi)的破壞，使其應(yīng)對(duì)當(dāng)前和未來(lái)的洪災(zāi)更具韌性。

2 波士頓泛洪區(qū)概況

波士頓人口約447萬(wàn)，總面積約232.1km2，是美國(guó)馬薩諸塞州的首府和最大城市，擁有哈佛和麻省理工等國(guó)際知名學(xué)府而被稱為智慧之城，是科學(xué)技術(shù)的方向盤(pán)。在面對(duì)自然災(zāi)害威脅人類財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)穩(wěn)定的情況下，針對(duì)洪水災(zāi)害，波士頓首先計(jì)算出洪水泛濫的區(qū)域并建立泛洪區(qū)模型，分別以當(dāng)前每年有1%的洪水風(fēng)險(xiǎn)和預(yù)計(jì)2070年發(fā)生1%的洪水概率為依據(jù)。該模型的空間邊界（即，到2070年海平面上升101.6cm，預(yù)計(jì)每年發(fā)生洪災(zāi)的機(jī)會(huì)為1%的區(qū)域）是通過(guò)利用波士頓港洪水風(fēng)險(xiǎn)模型工具得出的預(yù)測(cè)來(lái)確定的，其數(shù)據(jù)可在全市范圍內(nèi)獲得，該工具可預(yù)測(cè)未來(lái)的洪水風(fēng)險(xiǎn)以及發(fā)生洪水的范圍和淹沒(méi)深度，并為新建筑和改建建筑的防洪設(shè)計(jì)提供有關(guān)用途、高度、性能標(biāo)準(zhǔn)的參考，以增強(qiáng)對(duì)洪水的防災(zāi)能力。

3 防洪建筑設(shè)計(jì)思路

3.1 干式防洪：阻止洪水進(jìn)入

干式防洪是一類旨在抑制水進(jìn)入建筑的處理方法。此技術(shù)適用于低洪水位和可以承受洪水施加的靜水壓力的結(jié)構(gòu)，當(dāng)洪水深度不超過(guò)3m時(shí)且洪水速度和持續(xù)時(shí)間較低時(shí)，干式防洪是最實(shí)用的[5]。建筑中除了用于通道、停車或存儲(chǔ)的部分之外，不允許其他空間使用干式防洪，而在具有高速作用的特殊洪水危險(xiǎn)區(qū)應(yīng)嚴(yán)格禁止干式防洪，因?yàn)樗炔荒芊乐购樗畯?qiáng)烈沖擊，反而會(huì)對(duì)建筑進(jìn)行沖刷，使其遭受更大的破壞風(fēng)險(xiǎn)。由于洪水可能仍會(huì)從防洪堤建筑的小開(kāi)口滲出，因此防水和密封措施可以適用于墻壁和地板的外部或內(nèi)部以使它們不滲透。

3.2 濕式防洪：允許洪水進(jìn)入

濕式防洪是允許洪水進(jìn)入和離開(kāi)那些不用作居住空間部分的適應(yīng)措施。該策略主要在允許淹沒(méi)的防洪墻上設(shè)置若干個(gè)泄洪口，而泄洪口對(duì)于允許水進(jìn)入和離開(kāi)建筑內(nèi)外進(jìn)水和出水速度至關(guān)重要[6]。因此，濕式防洪要求對(duì)泄洪口的數(shù)量、類型和位置進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠?jì)算。這種方法通過(guò)平衡墻體兩側(cè)的靜水壓力和浮力來(lái)避免結(jié)構(gòu)損壞。除了提供允許洪水進(jìn)入的開(kāi)口之外，濕式防洪還要求在洪水高度以下使用防洪材料，保護(hù)服務(wù)設(shè)備免受洪水破壞，任何公用設(shè)施或服務(wù)設(shè)備，如管道、加熱器和電線都應(yīng)從洪水浸沒(méi)區(qū)轉(zhuǎn)移。

4 防洪建筑韌性設(shè)計(jì)

4.1 建筑形式

4.1.1 利用樁、墩或柱子支撐建筑

在這種防洪策略中，將建筑抬高到具有開(kāi)放基礎(chǔ)的樁、墩或柱子上，使建筑第一層可在設(shè)計(jì)洪水高度之上，在其受到洪水沖擊作用時(shí)此策略可保護(hù)建筑免受洪水沖擊影響，否則會(huì)侵蝕放置在下方的填充材料或?qū)?jiān)固的基礎(chǔ)墻造成結(jié)構(gòu)損壞[7]。起支撐作用的樁、墩或柱子必須設(shè)計(jì)成在結(jié)構(gòu)上抵抗設(shè)計(jì)洪水荷載，在巖土工程中穩(wěn)定，不易受到洪水沖刷和侵蝕。在泛洪區(qū)內(nèi)，舊的、嚴(yán)重受損的和經(jīng)過(guò)重大改進(jìn)的建筑建議在有樁、墩或柱子上架設(shè)，禁止使用易沖蝕的填充物來(lái)抬高結(jié)構(gòu)。這種支撐形式的建筑底層空間在有洪水的時(shí)候允許洪水通過(guò)，沒(méi)有洪水的時(shí)候便是貯藏、停車或者公共交往休憩的空間。

4.1.2 加固地基墻和填充地基空間

在易受洪水影響的地區(qū)，可通過(guò)在堅(jiān)實(shí)的地基墻上抬高最低樓層將建筑架高從而滿足防洪的要求。在使用該策略現(xiàn)有建筑進(jìn)行改造時(shí)，現(xiàn)有的實(shí)心地基墻應(yīng)加高，以滿足新架空的最低層的要求，現(xiàn)有的地基需要整修或加固，以確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。此外還需要對(duì)墻壁和樓板進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，并且最底層的地基墻應(yīng)設(shè)計(jì)有泄洪口以減輕洪水壓力，還應(yīng)考慮沖刷和侵蝕深度以及結(jié)構(gòu)填充的必要性，地基應(yīng)填充現(xiàn)有的地下空間，填料必須壓實(shí)并能抵抗沖刷和侵蝕，可用于填充的材料包括壓實(shí)的土壤，用混凝土板包裹的碎石和受控的低強(qiáng)度材料，以確保在洪水條件下不會(huì)破壞地基穩(wěn)定性。這類設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性非常高，主要適用于中高層混凝土建筑。

4.1.3 抬高建筑最底層

抬高建筑最底層主要適用于新建建筑，主要以填土抬高地形的方法，使建筑滿足設(shè)計(jì)洪水高度的要求。抬高地形的方式可以通過(guò)人工就地抬高，也可以優(yōu)先選擇地勢(shì)較高的區(qū)域用以新建。倘若采取填土抬高的方式就要考慮填土的抗洪能力，保證填土可以長(zhǎng)期穩(wěn)定的支撐建筑，因此需要額外的修復(fù)水土保持能力。建議在填土上創(chuàng)造積極的共同效益，以植被和其他公共設(shè)施填筑斜坡的形式，創(chuàng)造或保持開(kāi)放空間。對(duì)于大型公共建筑而言，此策略有可能將景觀特征合并到現(xiàn)有或新的地面空間區(qū)域中，從而可以應(yīng)對(duì)額外的氣候風(fēng)險(xiǎn)，例如極端降水和氣溫升高。在濱水區(qū)，鼓勵(lì)填土抬高場(chǎng)地，可以有效防止洪水穿過(guò)該場(chǎng)地，同時(shí)也可以保護(hù)周邊交通系統(tǒng)的穩(wěn)定性和公共財(cái)產(chǎn)的安全性。

4.2 建筑結(jié)構(gòu)

4.2.1 建筑底層部分抬高并新增內(nèi)部通道

對(duì)于第一層較高的建筑，可以將第一層的部分空間抬高到設(shè)計(jì)洪水高度以上，并新增內(nèi)部坡道或樓梯使其可以直接到達(dá)二樓，以防止該層遭受洪水危險(xiǎn)。小戶型建筑底層下方的空間建議采用濕式防洪，應(yīng)加裝泄洪口使洪水通過(guò)，從而平衡了靜水壓力。若要使用干式防洪，只有獲得工程結(jié)構(gòu)與洪水相關(guān)荷載的抵抗力的批準(zhǔn)才可以保留地下空間用于存儲(chǔ)或停車。大體量建筑則不同，底層到天花板的高度必須足夠高以容納降低的天花板高度。盡管許多現(xiàn)有建筑物可能其高度，但架高的地板可能會(huì)擾亂門(mén)窗與第一層的聯(lián)系方式，因此，此策略必須與現(xiàn)有立面的特征相協(xié)調(diào)，并與公共領(lǐng)域融為一體。

4.2.2 建筑底層外部抬高并新增外部通道

抬高建筑底層外圍從而形成高于洪水高度的空間，可以通過(guò)外部走道、坡道或樓梯，在建筑外部提供達(dá)到較高一樓水平的空間。這類設(shè)計(jì)主要適用于商業(yè)類型的建筑，在保證建筑防洪要求的前提下也形成了商業(yè)休憩交往的空間。由于新增的外部空間會(huì)對(duì)街道造成視覺(jué)上的改變，為了避免破壞街景的視覺(jué)連通性和趣味性，應(yīng)仔細(xì)考慮外部新增的抬高空間的公共作用。在這空間可以種植花木或增加座椅，并且采用與環(huán)境相適應(yīng)的材料用來(lái)促進(jìn)視覺(jué)興趣，從而形成積極有活力的交往空間，此策略可以增強(qiáng)公共領(lǐng)域的活力，非正式休閑可以無(wú)縫地融入樓梯和坡道空間。

4.3 建筑系統(tǒng)

4.3.1 抗洪材料的選擇

抗洪材料是指能夠抵抗洪水直接或長(zhǎng)期接觸而不會(huì)造成重大破壞的建筑材料、構(gòu)件或系統(tǒng)。這些材料可與其他策略一起使用，以防止可能發(fā)生與洪水接觸的損壞?？购椴牧显诤樗疀_襲過(guò)程中能保持完整，在洪水發(fā)生后清除污染物時(shí)不會(huì)變質(zhì)。國(guó)際洪水保護(hù)組織根據(jù)材料的抗洪破壞能力對(duì)其分為高度耐腐蝕材料和易損材料，高度耐腐蝕的材料如混凝土、石材、磚石砌塊、陶瓷和經(jīng)過(guò)壓力處理的天然抗腐蝕木材，而易損材料包括石膏墻板、玻璃纖維、棉氈隔熱層、地毯和刨花板。在評(píng)估抗洪能力時(shí)，應(yīng)考慮各種材料的組合。例如粘附在混凝土板上的瓷磚地板結(jié)合起來(lái)具有更好的抗洪能力，相反，如果將塑料地板放在未經(jīng)處理的膠合板底層地板上，則該組件將不能被視為具有抗洪能力。

4.3.2 保護(hù)建筑內(nèi)部關(guān)鍵系統(tǒng)

在建筑的整個(gè)生命周期中，必須將其內(nèi)部所有關(guān)鍵系統(tǒng)納入應(yīng)對(duì)氣候變化的考慮當(dāng)中[8]。建筑內(nèi)部的關(guān)鍵系統(tǒng)如電力和機(jī)械設(shè)備是維護(hù)正常生活的重要一環(huán)，因此也需要將其納入洪水風(fēng)險(xiǎn)的考慮。對(duì)于所有新舊建筑，應(yīng)將電氣、供暖、管道和空調(diào)設(shè)備以及其他服務(wù)設(shè)施布置在洪水泛濫區(qū)域之外，新建筑可以輕松地保護(hù)關(guān)鍵系統(tǒng)，而對(duì)于老舊建筑，保護(hù)的方法主要有3種，分別是抬高基座、搬遷和就地保護(hù)。抬高基座通?？梢栽诨蚱脚_(tái)上架高設(shè)備，以使設(shè)施系統(tǒng)高于洪水高度。搬遷是根據(jù)現(xiàn)有建筑物中的可用空間，可以將地下室或洪水位以下其他區(qū)域的設(shè)備搬到高層，以使設(shè)備和配電系統(tǒng)高于洪水高度。就地保護(hù)主要是在舉升和搬遷不可行時(shí)，提高關(guān)鍵系統(tǒng)韌性的最后一種選擇是就地將它們保護(hù)到位，可以將其重新包裝或者在附近范圍壘砌墻面。

5 啟示

5.1 建立泛洪區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)與模型

進(jìn)行防洪建筑韌性設(shè)計(jì)的第一步便是確定洪水泛濫的區(qū)域，分別制定近期百年一遇的洪水和遠(yuǎn)期百年一遇的洪水的泛洪區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)與模型，無(wú)論是區(qū)域性或社區(qū)性的防洪規(guī)劃都可以參考這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)社會(huì)公眾公開(kāi)，這有助于人們清楚的了解自身所在的區(qū)域是否為泛洪區(qū)，同時(shí)也可以為規(guī)劃決策者制定正確合理的防洪規(guī)劃。以數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，人們可以清楚的辨別指定區(qū)域的洪水災(zāi)害發(fā)生概率和泛濫區(qū)域，以做好相應(yīng)的防洪措施，減少洪水災(zāi)害造成的巨大損失。

5.2 對(duì)泛洪區(qū)的建筑進(jìn)行防洪能力評(píng)估

明確泛洪區(qū)之后要對(duì)該區(qū)域內(nèi)所有現(xiàn)存建筑進(jìn)行防洪能力評(píng)估，建議分別采取建筑高度、建筑年代和建筑質(zhì)量三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估的不同結(jié)果要采取不同的韌性設(shè)計(jì)措施。明確了泛洪區(qū)內(nèi)每一棟現(xiàn)存建筑防洪能力之后，也要對(duì)未來(lái)新建建筑的防洪能力提出基本要求，泛洪區(qū)不同程度的洪水所采取的基本要求也有所不同。

5.3 有針對(duì)性的進(jìn)行防洪建筑韌性設(shè)計(jì)與改造

在進(jìn)行防洪建筑韌性設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)當(dāng)判斷該建筑適合干式防洪還是濕式防洪，然后在這基礎(chǔ)上分別采取措施。干式防洪適用于建筑密度低且建筑質(zhì)量較好的區(qū)域，濕式防洪則適用于中高層建筑且底層不用做居住功能的區(qū)域。除了現(xiàn)存建筑的韌性改造設(shè)計(jì)，凡是泛洪區(qū)內(nèi)均建議制定防洪建筑韌性設(shè)計(jì)指南，以促進(jìn)未來(lái)防洪建筑的要求，保護(hù)建筑不受洪水的影響，維護(hù)日常生活的正常秩序，減輕洪水帶來(lái)的災(zāi)害損失。