山地建筑設(shè)計(jì)探討

何 熹，楊劍維，呂志剛

（廣東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 廣州510290）

0 引言

山地建筑——從建筑學(xué)的角度的定義是建于地表不同地形坡度的建筑；從結(jié)構(gòu)工程學(xué)的角度定義為是底部豎向構(gòu)件的約束部位不在同一水平面上且不能簡(jiǎn)化為同一水平面時(shí)的結(jié)構(gòu)。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的深入，開發(fā)山地建筑成為了拓展土地資源、節(jié)約耕地的一個(gè)重要手段，而山地建筑設(shè)計(jì)項(xiàng)目將會(huì)成為不可或缺的一個(gè)重要項(xiàng)目類型。因此，探討山地建筑設(shè)計(jì)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義［1-2］。

本文從結(jié)構(gòu)工程師的角度，從規(guī)劃、建筑、結(jié)構(gòu)3個(gè)方面對(duì)山地建筑設(shè)計(jì)的要點(diǎn)進(jìn)行梳理，并結(jié)合具體項(xiàng)目對(duì)山地建筑的設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1 山地建筑規(guī)劃選址要點(diǎn)

1.1 地質(zhì)

在山地建筑選址中，山地地質(zhì)的安全性是最重要的考慮因素。首先應(yīng)確?；氐牡刭|(zhì)狀況良好，地質(zhì)承載力適宜，周邊無潛在地質(zhì)災(zāi)害侵襲，以保證其安全性。

在選址之初應(yīng)通過實(shí)地觀測(cè)、勘探或根據(jù)現(xiàn)有勘測(cè)圖紙資料，依靠地質(zhì)學(xué)、巖土工程、結(jié)構(gòu)工程的專業(yè)人員，綜合分析場(chǎng)地的土壤、地質(zhì)、水文等條件，避開地質(zhì)斷層和各種地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)地帶，并選擇合適坡度坡向的地形。確保山地建筑的安全性與山地地形的可建性，規(guī)避潛在的自然災(zāi)害——例如山洪、滑坡、崩塌、泥石流等。

1.2 地形

不同坡度的地形的可建性與建設(shè)成本都不同。山地坡度越大，出現(xiàn)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的可能性越大，建筑專業(yè)的接地處理也更加復(fù)雜，施工的難度也越大，從而帶來更高的建設(shè)成本。因此應(yīng)綜合考慮地形因素，確定合適的建筑選址與建設(shè)項(xiàng)目的類型。不同地形坡度與建筑場(chǎng)地布置的基本規(guī)律如表1所示。

表1 地形坡度與建筑場(chǎng)地布置的基本規(guī)律Tab.1 Basic Law of Terrain Slope and Construction Site Layout

1.3 日照

從日照的規(guī)律來說，南向山地夏季相對(duì)涼爽、冬季相對(duì)溫暖，甚至比平地更宜居。因此，在山地選址中，日向坡為最佳選址，即南坡、東南坡或西南坡；半日向坡次之，即東坡、西坡；盡量避免選擇北坡。坡地的日照特征如圖1所示。

圖1 坡地日照特征Fig.1 Sunshine Characteristics of Slope Land

1.4 風(fēng)

在山地中，不同的山體區(qū)域具有不同的風(fēng)速。在建筑選址中，應(yīng)選擇有利于通風(fēng)散熱的位置，將建筑布置于夏季主導(dǎo)風(fēng)向的迎風(fēng)面。同時(shí)，在選址中應(yīng)仔細(xì)勘測(cè)主導(dǎo)風(fēng)上風(fēng)處是否有空氣污染源存在。

并且還應(yīng)充分考慮有利的地形風(fēng)，如山谷風(fēng)等，在選址中充分考慮水域、山谷、山坡對(duì)于風(fēng)的影響，利用山地獨(dú)特地形進(jìn)行合理的建筑布局以獲取地形風(fēng)，從而促進(jìn)建筑自然通風(fēng)。

1.5 降水量

山區(qū)迎風(fēng)坡的降水量較大，水土植被較好，是山地建筑選址的較好地點(diǎn)。但是過大的降水量也會(huì)對(duì)建筑產(chǎn)生不良影響，因此在規(guī)劃選址過程應(yīng)對(duì)降水量進(jìn)行深入研究探討，以免過大的降水量對(duì)建筑造成濕度過大、干擾交通等影響，以至于引發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

1.6 景觀

當(dāng)?shù)貕K周圍有重要的景觀點(diǎn)時(shí)，選址時(shí)也應(yīng)該加以考慮，例如奇山、奇石、海景、古建筑等。

1.7 小結(jié)

綜上所述，“趨利避害”是山地建筑規(guī)劃選址的重要原則。山地建筑有著比平地建筑更為復(fù)雜的基地條件和周邊狀況，因此規(guī)劃選址需要把握全局，綜合考慮權(quán)衡地質(zhì)、地形、日照、風(fēng)、降水、景觀等因素，還可以考慮山體、水體等微氣候特征，盡量爭(zhēng)取最有利的建筑基址。

2 山地建筑形態(tài)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

山地建筑的形態(tài)特征，應(yīng)取決于山地建筑所存在的山地環(huán)境，其形態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮山地的坡度、位置、走勢(shì)、自然肌理等因素。為了保護(hù)山地的原生地貌，倡導(dǎo)建筑采取“減少接地”的接地形式；合理利用山地的高差，提倡“不定基面”的原則；與山體形態(tài)的協(xié)調(diào)，提倡建筑要“隨山塑形”，使建筑形態(tài)與山地環(huán)境相適應(yīng)［3～5］。

按照地可以山地建筑的形態(tài)可歸納為3種類型——地形適應(yīng)建筑、建筑適應(yīng)地形、建筑和地形互相適應(yīng)，如圖2所示。

在山地建筑的設(shè)計(jì)過程中，針對(duì)同樣的地形條件，往往可以應(yīng)用不同的形態(tài)設(shè)計(jì)，建筑師與結(jié)構(gòu)師應(yīng)該對(duì)不同接地設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行綜合評(píng)估。

3 山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在《山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程（征求意見稿）》中對(duì)于山地建筑的計(jì)算與相關(guān)構(gòu)造提出了一些要求，結(jié)合規(guī)程的相關(guān)要求與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)提出山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需注意的一些要點(diǎn)。

3.1 場(chǎng)地

針對(duì)不同的地質(zhì)狀況與山地坡度，應(yīng)采取不同的邊坡加固方式。對(duì)于較緩、地質(zhì)狀況良好的邊坡加以整治，可采用調(diào)整山體坡度、修筑臺(tái)階等措施；對(duì)坡度較大、地質(zhì)狀況不穩(wěn)定的邊坡一般采用擋土墻措施，結(jié)合抗滑樁、護(hù)坡、護(hù)面墻等多方式對(duì)坡地進(jìn)行加固，對(duì)較陡的邊坡，還可分別改造成幾個(gè)高度較小的人工階地。同時(shí)對(duì)于山體上不穩(wěn)定的土石體，應(yīng)予以挖除，場(chǎng)地處理方式如圖3 所示。處理后的邊坡還可結(jié)合有限元軟件進(jìn)行分析，進(jìn)一步論證整治后場(chǎng)地的安全性。

3.2 山地建筑上部結(jié)構(gòu)處理要點(diǎn)

山地建筑上部結(jié)構(gòu)的控制要點(diǎn)是選取合適的計(jì)算分析模型與確定合適的抗震加強(qiáng)部位與加強(qiáng)措施［6～11］。具體措施如下：

⑴驗(yàn)證大震之下斜坡的穩(wěn)定，確保嵌固端的有效性。

⑵針對(duì)底部結(jié)構(gòu)構(gòu)件不等高的結(jié)構(gòu)（如吊腳等結(jié)構(gòu)），具備不同標(biāo)高的接地端。結(jié)構(gòu)分析時(shí)，一般取平均高度作為該層高度。此時(shí)應(yīng)按等效線剛度對(duì)豎向構(gòu)件截面進(jìn)行調(diào)整。

⑶針對(duì)底部多臺(tái)階的結(jié)構(gòu)（如掉層等結(jié)構(gòu)），結(jié)構(gòu)分析采用設(shè)置主接地面的方式簡(jiǎn)化處理分析模型——簡(jiǎn)化為上接地端為主接地面和下接地端為主接地面兩種類型。即將結(jié)構(gòu)的大部分（一般保證樓層的抗側(cè)力剛度占比80%以上）置于一個(gè)臺(tái)階。

⑷地震作用按1.1～1.6的放大系數(shù)。

⑸運(yùn)用抗震性能分析的手法，結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件可按中震彈性，大震抗剪不屈服設(shè)計(jì)。且保證底層結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件抗震性能不低于上部構(gòu)件。

⑹避免極短柱。結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)區(qū)高度按高端控制，并延伸至下端。

圖2 山地建筑形態(tài)Fig.2 Mountain Architectural Form

圖3 場(chǎng)地處理Fig.3 Site Treatment

3.3 水土保持及防水

在山地上過大的水流量是非常有害的。一方面會(huì)對(duì)地表進(jìn)行沖刷，造成水土流失，進(jìn)一步引發(fā)山洪或泥石流；另一方面，過大的水量會(huì)滲透進(jìn)地下，使土體的抗剪強(qiáng)度降低，引發(fā)滑坡或造成山體建筑地下室浮起。因此，要控制山地上的水流量，應(yīng)當(dāng)合理組織排水系統(tǒng)，保持山體環(huán)境的穩(wěn)定，從而增加山體建筑的安全性。對(duì)于有地下室建筑，可采取地表硬化并截排水、或地下疏水層自排水等方案，釋放山地建筑地下室水浮力。水土保持措施如圖4所示。

圖4 水土保持措施Fig.4 Soil and Water Conservation Measures

4 山地建筑設(shè)計(jì)實(shí)例

河源市某紀(jì)念館工程項(xiàng)目為一單層的紀(jì)念館，環(huán)山體建設(shè)，建筑面積約1 600 mm2。位于山體的半山坡位置，山體坡度約為25°～30°。紀(jì)念館采用環(huán)形的建筑形式，環(huán)繞在紀(jì)念碑下，象征著革命烈士的生命之環(huán)——生命終而復(fù)始，英魂不朽。同時(shí)，環(huán)形的參觀流線更簡(jiǎn)明生動(dòng)，是展覽建筑常用形式。圖5 為項(xiàng)目效果圖，圖6為場(chǎng)地的現(xiàn)狀，圖7為項(xiàng)目總圖，圖8為項(xiàng)目方案平面圖。

圖5 項(xiàng)目效果Fig.5 Project Effect

圖7 項(xiàng)目總圖Fig.7 General Layout of the Project

圖8 項(xiàng)目方案平面Fig.8 Project Plan

建筑整體位于同一個(gè)標(biāo)高，因此并未采用錯(cuò)層等形式。根據(jù)對(duì)山體擾動(dòng)最小的原則，以及山體走勢(shì)，建筑局部埋入山體中，局部采用了吊腳的形式。建筑局部剖面如圖9所示。

圖9 建筑局部剖面Fig.9 Partial Section of Building

除了類似平地建筑一樣在建筑范圍內(nèi)勘察，還提出對(duì)山體整體進(jìn)行勘察，設(shè)置了多條勘測(cè)線，以保證場(chǎng)地的安全性。根據(jù)勘察結(jié)果，擬建場(chǎng)地未見斷層構(gòu)造及活動(dòng)斷裂通過，場(chǎng)地位于風(fēng)化殘丘之上，自然坡體穩(wěn)定，場(chǎng)地穩(wěn)定性較好，適宜建筑。勘察布孔如圖10所示，典型地質(zhì)剖面如圖11所示。

根據(jù)勘察結(jié)果，場(chǎng)地巖土層中等復(fù)雜，各巖土層由上至下依次為耕土、粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖以及中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

采用MIDAS GTS NX 軟件邊坡穩(wěn)定（SRM）模塊對(duì)施工后的邊坡進(jìn)行分析，水位按最不利取滿水狀態(tài)，土層參數(shù)均按地勘取值，且考慮地震作用。得到邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為5.73，滿足《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范：GB 50330-2013》的要求。得出在極端滿水的情況下山體是穩(wěn)定安全的結(jié)論。邊坡處于極限狀態(tài)時(shí)（Fs=5.73）時(shí)的總位移如圖12a 所示，邊坡處于極限狀態(tài)時(shí)（Fs=5.73）時(shí)的等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D12b所示。

圖10 勘察布孔Fig.10 Survey Hole Layout

圖11 典型地質(zhì)剖面Fig.11 Typical Geological Section

圖12 GTS軟件分析結(jié)果Fig.12 GTS Software Analysis Results

建筑位置位于半山坡，可視為建筑抗震的不利地段，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011-2010》規(guī)定，水平地震影響系數(shù)最大值按1.1倍考慮。

因?yàn)榻ㄖ烙^的要求，不分開設(shè)置擋土墻，而采用由建筑物本身來抵抗土體的方案。山上土體對(duì)建筑物推力較大，而建筑本身較輕，很難用自重抵抗住。因此采用了鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，由樁基來承擔(dān)土體的水平推力，每根樁基的水平承載力需達(dá)50 t，并應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)水平載荷試驗(yàn)來驗(yàn)證。擋土墻大樣如圖13所示，樁基礎(chǔ)平面如圖14所示。

圖13 擋土墻大樣Fig.13 Detail of Retaining Wall

圖14 樁基礎(chǔ)平面Fig.14 Pile Foundation Plan

最后，在建筑墻后設(shè)置明溝排水，減少降水對(duì)山體穩(wěn)定的影響。散水及明溝大樣如圖15所示。

圖15 散水及明溝大樣Fig.15 Detail of Apron and Open Ditch

這些即為河源市某紀(jì)念館工程山體建筑采用的一些特有措施。目前該項(xiàng)目正處于施工前期。

5 總結(jié)

山地建筑設(shè)計(jì)的規(guī)律和思路歸結(jié)如下：

⑴山地建筑設(shè)計(jì)應(yīng)與當(dāng)?shù)丨h(huán)境協(xié)調(diào)、隨坡塑形，在不破壞原生態(tài)，不任意改變?cè)协h(huán)境的準(zhǔn)則下進(jìn)行。

⑵規(guī)劃：每一個(gè)山地建筑設(shè)計(jì)前期，設(shè)計(jì)者應(yīng)充分調(diào)查了解擬建場(chǎng)地的各種自然影響因素，總結(jié)地質(zhì)、地形等因素對(duì)山地建筑可能產(chǎn)生的影響，并具體分析山地日照、風(fēng)、降水的基本要點(diǎn)，同時(shí)還應(yīng)理解建筑所在地區(qū)的歷史文化背景。

⑶建筑：從建筑形態(tài)的角度出發(fā)，結(jié)合山地的獨(dú)特性，采取相應(yīng)的建筑布局與處理手法，以使設(shè)計(jì)的建筑達(dá)到所要求的層次，將建筑與山地特征結(jié)合在一起，使建筑融入自然。

⑷結(jié)構(gòu)：針對(duì)山地建筑場(chǎng)地和形態(tài)的特殊性和復(fù)雜性，發(fā)現(xiàn)和解決相對(duì)應(yīng)的工程問題，確保建筑結(jié)構(gòu)安全。