坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及實踐應(yīng)用

李濤

（太原市建筑設(shè)計研究院，山西太原 030002）

目前，我國在坡地建筑方面缺少相應(yīng)的研究，與此同時，社會中成型且投入使用的坡地建筑也并不是很多。而對于坡地建筑來說，顯然不適合應(yīng)用平地建筑結(jié)構(gòu)形式，所以在設(shè)計坡地建筑結(jié)構(gòu)的過程中，要基于坡地地形結(jié)構(gòu)的了解為出發(fā)點，開展深入的探究工作，為坡地建筑質(zhì)量的可靠性提供保障。雖然說坡地建筑也屬于一種建筑類型，但值得注意的是，受坐落位置這一方面的差異化因素影響，會致使該種建筑結(jié)構(gòu)和平地建筑之間存在巨大差異，所以進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須進(jìn)行深入研究，同時也應(yīng)積極借鑒一些成功案例，進(jìn)而依據(jù)多方數(shù)據(jù)來開展科學(xué)、合理的坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保借助坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計為坡地建筑后續(xù)施工提供可靠指導(dǎo)。

1 坡地建筑概述

在坡地建筑項目施工建設(shè)時，通常都是以高低差較大的坡地地形為主要位置，而坡地建筑的顯著特征為建筑底部并不是以同一水平面為主。目前，坡地建筑施工建設(shè)環(huán)節(jié)，常用方法是修整坡地，進(jìn)而實現(xiàn)多個具有連續(xù)性臺面的處理目的，之后坡地建筑工程的施工建設(shè)即可在修整完的臺面上開展。在我國經(jīng)濟迅猛發(fā)展的背景下，日益加劇了土地資源的緊缺程度，此時要想充分利用土地資源，就要開發(fā)坡地建筑項目，其利于土地資源緊張局面的有效緩解，同時坡地建筑在良好建筑環(huán)境塑造方面的作用也十分顯著。但值得注意的是，與平地相比，坡地本身地形地貌的特殊性特征十分突出，同時也存在復(fù)雜化的地質(zhì)條件和構(gòu)成因素，所以對比平地建筑來說，坡地建筑設(shè)計難度較大，且坡地建筑結(jié)構(gòu)要求也會更高。所以，在推進(jìn)坡地建筑項目發(fā)展的過程中，必須高度重視建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的創(chuàng)新與優(yōu)化，而在不斷研究坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的情況下，也能為建筑行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展提供促進(jìn)條件。

2 坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計重點

2.1 利用山體特征

從當(dāng)下我國國土面積具體情況進(jìn)行分析，其中山地就占據(jù)我國總面積的2/3，且全國各地城鎮(zhèn)中的絕大部分地域都和山地呈相鄰的狀態(tài)，所以在進(jìn)行坡地建筑項目開發(fā)規(guī)劃時，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計也是以山地區(qū)域為主。因山地區(qū)域并不存在較多的平地資源，所以坡地建筑設(shè)計的出發(fā)點不應(yīng)選擇平地，在考慮各種設(shè)計元素的過程中，要盡可能與山體特征相結(jié)合，如在設(shè)計環(huán)節(jié)要充分納入山體植被及自然形成地質(zhì)景觀等多方面內(nèi)容，進(jìn)而基于山體原有自然生態(tài)條件的利用為出發(fā)點，為坡地建筑綠化及裝飾體系的完善提供輔助作用，促進(jìn)坡地建筑的景觀、人文、生態(tài)等多方價值得到最大化發(fā)揮，使坡地建筑周圍環(huán)境得到優(yōu)化和改善的同時，推動坡地建筑使用中舒適度的有效提高[1]。

2.2 處理好容積率

區(qū)域建筑總面積和凈用地面積之間的比就是容積率，容積率也可稱之為建筑面積毛密度。一般來說，針對建筑用地使用強度進(jìn)行衡量的過程中，通常會使用容積率，容積率和居民舒適度之間的關(guān)系是以負(fù)相關(guān)為主，在大部分房地產(chǎn)開發(fā)商開發(fā)規(guī)劃建筑項目時，重點關(guān)注的一個內(nèi)容就是容積率。以比例不同為依據(jù)，地塊容積率也應(yīng)與不同類型的建筑相匹配，比如說對于0.8及以下的地塊容積率來說，在建造別墅更適合；而對于1.0 的容積率來說，在高低搭配的多層建筑中更為適用；而多層建筑、高層建筑則更適合1.5、2.0 的容積率。在設(shè)計坡地建筑結(jié)構(gòu)時，必須將地塊利用效率處理好，基于容積率的良好控制，確保容積率能夠為建筑提供良好使用條件。

2.3 做好排水設(shè)計

平地建筑和坡地建筑之間的差異化特征十分顯著，因坡地建筑是以坡地為主要坐落部位，所以往往會面臨更嚴(yán)重的泥石流及地震、山體滑坡等自然災(zāi)害影響，因此要提高在坡地的排水設(shè)計方面重視程度。在坡地建筑排水設(shè)計工作具體開展時，要注意當(dāng)?shù)亟邓考暗刭|(zhì)結(jié)構(gòu)、坡地實際情況等多方面因素的綜合考量，以此為參考依據(jù)將相應(yīng)的排水設(shè)計工作做好，為排水系統(tǒng)合理性、高效化運行提供保障。在進(jìn)行排水系統(tǒng)設(shè)計工作時，一般有排水溝及雨水收集管道等包含其中，其能為排水體系將降水及時排出提供保障，降水和其他因素影響山體結(jié)構(gòu)及坡地建筑基礎(chǔ)穩(wěn)固性的現(xiàn)象[2]。與此同時，也要提高在坡地建筑結(jié)構(gòu)通風(fēng)設(shè)計優(yōu)化方面的重視程度，通風(fēng)設(shè)計也會在一定程度上影響排水設(shè)計，所以在進(jìn)行排水設(shè)計的過程中要兼顧通風(fēng)設(shè)計。

2.4 重視通風(fēng)防潮

在坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，較為關(guān)鍵的內(nèi)容之一就是通風(fēng)防潮設(shè)計。因山區(qū)環(huán)境濕度比平地要大，所以為了有效避免坡地建筑受濕度影響而產(chǎn)生質(zhì)量問題的不良現(xiàn)象，必須提高在建筑通風(fēng)防潮功能實現(xiàn)方面的重視程度，為建筑室內(nèi)環(huán)境舒適度提供保障。通常來說，坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計理念應(yīng)以建筑外墻和山體分離的理念為主，再基于放坡和擋墻設(shè)置方式的應(yīng)用，確保建筑外墻、擋墻、放坡、山體間有一定空間留置出來。除此之外，也應(yīng)注意通風(fēng)口的設(shè)置，同時基于其他措施的應(yīng)用，為空氣流通提供保障，切實緩解建筑本體和周圍的潮濕度問題。

3 坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

3.1 基礎(chǔ)設(shè)計

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，關(guān)鍵內(nèi)容所在就是基礎(chǔ)設(shè)計，不論是坡地還是平地等建筑類型來說，開展基礎(chǔ)設(shè)計工作時，都要保障基礎(chǔ)設(shè)計與相關(guān)規(guī)范和具體要求相符。具體要求如下：上部建筑承載力及沉降變形、建筑整體穩(wěn)定性等。因坡地具有復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，所以坡地建筑持力層分布不均的情況極易出現(xiàn)。在坡地具有理想地層的情況下，加之持力層呈埋藏淺的狀態(tài)且均衡分布時，此時基礎(chǔ)設(shè)計環(huán)節(jié)要在天然淺基礎(chǔ)的設(shè)計方面進(jìn)行優(yōu)先考慮，該種設(shè)計方式的顯著優(yōu)勢為開挖深度小、具有良好經(jīng)濟性，此時只要具備坡地建筑上部結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)造成的荷載負(fù)擔(dān)較小的情況，就能夠在坡地建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計中應(yīng)用天然淺基礎(chǔ)。

但在持力層埋藏較深的情況下，加之地形存在較大的起伏變化、土層厚度并未均勻分布時，應(yīng)使用深基礎(chǔ)將天然淺基礎(chǔ)代替，為基礎(chǔ)設(shè)計的穩(wěn)固性、可靠性提供保障。其中，具有較高經(jīng)濟性的就是人工挖孔墩基礎(chǔ)，其具備良好的質(zhì)量保障作用。但值得注意的是，人工挖孔墩基礎(chǔ)應(yīng)用的過程中，如果面臨極深持力層埋藏情況，此時在人工開挖基礎(chǔ)方式貿(mào)然應(yīng)用的情況下，因需要穿過的巖土層厚度深，會導(dǎo)致施工難度、安全風(fēng)險系數(shù)隨之增加，所以該環(huán)節(jié)并不適用于人力開發(fā)方式，最好是選擇沖孔灌注樁的方式，但該種沖孔灌注樁具有較高的造價成本，也會嚴(yán)格要求設(shè)備和場地條件，所以施工中應(yīng)對是否應(yīng)用該種方式進(jìn)行合理斟酌，如果必須使用此種方式，應(yīng)借助優(yōu)化設(shè)計的方式，盡可能控制沖孔灌注樁施工占比[3]。

受地質(zhì)條件差異化因素影響，在坡地建筑基礎(chǔ)設(shè)計工作時，極易出現(xiàn)面臨的嚴(yán)重沉降情況，而此種問題產(chǎn)生的主要原因是基礎(chǔ)不均勻。一般來說，開展基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計工作時，地質(zhì)不允許存在性質(zhì)上的高度差異現(xiàn)象，但因?qū)嶋H地質(zhì)情況的復(fù)雜化特征十分突出，所以在坡地地形基巖面起伏較為明顯時，持力層僅能以多種土層為主。而此種方法就會導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)計分布不均的情況由此產(chǎn)生，應(yīng)通過一些方法的應(yīng)用，使土層支撐狀態(tài)得到改善，有效避免沉降的發(fā)生，規(guī)避沉降給建筑結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞的現(xiàn)象有效規(guī)避。在解決的過程中，常見方法如下：①與天然淺基礎(chǔ)、人工挖孔墩基礎(chǔ)相結(jié)合，進(jìn)而將持力層向巖石層方面引導(dǎo)，此時可能會導(dǎo)致基礎(chǔ)滑移的情況隨之產(chǎn)生，所以應(yīng)注重巖石錨桿的額外設(shè)置。②基于厚度300~500mm 中砂及粗砂、爐渣等物料的應(yīng)用，有效構(gòu)建褥墊層，之后基于此種褥墊層的應(yīng)用，對基礎(chǔ)和巖石接觸部分進(jìn)行處理。

3.2 擋土墻設(shè)計

坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，擋土墻設(shè)計與建筑上部結(jié)構(gòu)整體設(shè)計密切相關(guān)，所以擋土墻設(shè)計具有重要的現(xiàn)實意義，開展設(shè)計工作時，應(yīng)以安全、合理、經(jīng)濟原則為主。具體開展擋土墻設(shè)計工作時，應(yīng)基于工程區(qū)域?qū)嶋H地質(zhì)情況的充分研究為前提，具體設(shè)計環(huán)節(jié)要因地制宜，確保擋土墻設(shè)計能夠充分結(jié)合區(qū)域地質(zhì)地形條件。設(shè)計環(huán)節(jié)可選擇以下兩種設(shè)計方法應(yīng)用：①擋土墻和建筑主體結(jié)構(gòu)分離的設(shè)計法。該種設(shè)計方法的優(yōu)勢為利于受力基礎(chǔ)、方向的明確，且在建筑防水防潮方面也能起到良好效果。但值得注意的是，該種設(shè)計方法需要開展大量巖石層施工，可能會導(dǎo)致工期延長情況，也會大幅增加工程造價成本，加之該種分離式設(shè)計方式會致使更多空間被占據(jù)，最終壓縮建筑本體空間，所以應(yīng)用過程應(yīng)謹(jǐn)慎考慮實際情況[4]。②基于建筑主體結(jié)構(gòu)為前提來進(jìn)行擋土墻設(shè)計。該種設(shè)計方法不同于之前的設(shè)計方案，這種設(shè)計方法主要是從一個整體出發(fā)來設(shè)計擋土墻和建筑相應(yīng)部分，如底板、頂板等，所以不僅利于工程造價的有效控制，有效縮短工期，確?？臻g面積隨之?dāng)U大，同時也不具備較高的施工難度。但值得注意的是，與之前的分離式設(shè)計方法相比，該種方法不具備良好的防水防潮性能和受力調(diào)整優(yōu)勢。

坡地建筑擋土墻設(shè)計環(huán)節(jié)，面臨的設(shè)計要求較高，而這些要求要在強度及剛度、穩(wěn)定性等方面得到了充分體現(xiàn)。對于擋土墻的強度來說，要保障擋土墻與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)相符，且擋土墻單位面積能夠承受住來自靜止土壓力、水壓力的雙重作用影響；與此同時，也應(yīng)基于相應(yīng)措施的應(yīng)用，為擋土墻剛度不受影響提供保障，具體措施如下：可將鋼筋混凝土扶壁柱設(shè)置在框架柱位置，或增加地下室頂板、底板厚度等。從擋土墻設(shè)計的穩(wěn)定性要求方面來看，要求擋土墻在承受多重壓力的同時，如覆土及自重、水壓、土壓等，仍然能夠與相應(yīng)穩(wěn)定性要求相符。擋土墻穩(wěn)定性強化的過程中，具體方法如下：增加墻趾外挑尺寸，該種強化方法利于增加擋土墻本體抗傾覆力距，其起到的顯著作用為緩解墻背土壓力，也能夠有效穩(wěn)固土壤性質(zhì)[5]。最后需注意，擋土墻的泄水孔設(shè)計環(huán)節(jié)，因其密切關(guān)系著建筑整體結(jié)構(gòu)防潮性能，所以不應(yīng)設(shè)置在墻內(nèi)側(cè)，需要將排水用的盲溝設(shè)置在擋土墻背面底部或中部位置，確保充分發(fā)揮其作用。

3.3 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

在設(shè)計坡地建筑主體結(jié)構(gòu)的過程中，主要考慮的因素應(yīng)以側(cè)向上壓力產(chǎn)生的影響為主，首先要先計算出集中力，之后以此為依據(jù)圍繞結(jié)構(gòu)整體各方面參數(shù)進(jìn)行計算和分析。一般來說，坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要保障充分滿足正常使用極限需求，同時也應(yīng)與承載力極限條件相符。因坡地建筑受到的荷載影響較多，如風(fēng)力、地震等，所以極易出現(xiàn)失穩(wěn)及滑坡等情況，嚴(yán)重情況下，坡地建筑的安全使用也會受到影響，所以具體設(shè)計坡地建筑上部結(jié)構(gòu)的過程中，應(yīng)盡可能避免不穩(wěn)定邊坡，并嚴(yán)格控制施工質(zhì)量[6]。除此之外，也可選擇以下上部結(jié)構(gòu)設(shè)計方式：進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的抗震縫設(shè)計、監(jiān)測基礎(chǔ)設(shè)計、要及時處理沉降和滑移等問題，在底部設(shè)計、提高抗震措施應(yīng)用方面的重視程度。

具體來說，上部結(jié)構(gòu)設(shè)計過程可選擇如下方法：①選擇建筑場地的過程中，盡可能以邊坡穩(wěn)定區(qū)為主，使上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有效提高，也能夠為上部結(jié)構(gòu)抗震性設(shè)計奠定堅實基礎(chǔ)[7]。②因坡地建筑自身特征為豎向剛度不規(guī)則等方面，所以扭轉(zhuǎn)效應(yīng)極為明顯，要充分做好底部設(shè)計工作，基于底部強度的提高，加之抗震措施的應(yīng)用，盡可能減少建筑中短柱的數(shù)量，以此確保上剛下柔情況的出現(xiàn)得以有效規(guī)避。③高度差變化顯著位置、主體結(jié)構(gòu)和地層連廊相接處，應(yīng)注意防震縫的設(shè)置，確保充分發(fā)揮良好抗震作用，使不均勻沉降影響上部結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象得以有效預(yù)防[8]。④設(shè)計上部結(jié)構(gòu)時，也應(yīng)充分結(jié)合基礎(chǔ)形式，將二者間協(xié)調(diào)工作做好，如選擇墩基礎(chǔ)形式應(yīng)用的過程中，要應(yīng)用聯(lián)系梁確保上部結(jié)構(gòu)中柱體和墩柱能夠?qū)崿F(xiàn)形成統(tǒng)一整體目的，為二者共同工作提供保障，有效提高水平力傳遞效率，以此有效防止個別墩失穩(wěn)而影響建筑整體穩(wěn)定性的現(xiàn)象。

4 坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的實踐效果分析

案例一：湖北某技術(shù)學(xué)院中，設(shè)計其中一棟宿舍樓時，因該宿舍樓的建設(shè)需要依靠山體，且宜昌這一城市又有長江流經(jīng)，所以宜昌常年都存在較大的空氣濕度，因此會嚴(yán)格要求建筑防潮通風(fēng)設(shè)計。施工人員具體施工時，對宿舍樓地理位置及當(dāng)?shù)貧夂驐l件等多方面因素進(jìn)行了綜合考量，之后先開鑿、修整山體本身，并穩(wěn)固了結(jié)構(gòu)，確保山體自身條件能充分滿足宿舍樓建設(shè)要求，有效規(guī)避沉降問題的同時，充分凸顯一定景觀價值、人文價值[9]。設(shè)計擋土墻時，選擇了擋土墻、建筑依山部位整體設(shè)計方式，為宿舍樓可及時投入使用提供了保障，而為了確保宿舍樓的通風(fēng)防潮效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，選擇了其他措施應(yīng)用；基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)處理的過程中，借助磚混結(jié)構(gòu)及沉降后澆帶設(shè)置方式、褥墊層設(shè)置方式等，切實強化基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的牢固性，最終切實保障了宿舍樓工程施工質(zhì)量。

案例二：某商住樓坡地工程施工建設(shè)中，共2.8 萬m2的建筑總面積，層高為27，總高為97.2m。項目地基基礎(chǔ)設(shè)計時，①從地質(zhì)條件方面來看。在勘察現(xiàn)場地質(zhì)條件后了解到，廠區(qū)內(nèi)并無不良地質(zhì)情況，具有穩(wěn)定性，為工程建設(shè)奠定了堅實基礎(chǔ)。地基基礎(chǔ)體系內(nèi)，中等風(fēng)化頁巖與粉砂巖為基礎(chǔ)持力層所在，其中頁巖有10.98MPa 的飽和強度標(biāo)準(zhǔn)值，而3.84MPa 為地基承載力特征值。②基礎(chǔ)設(shè)計。工程基礎(chǔ)選型具體如下：該建筑結(jié)構(gòu)框架部分是以樁基為主，采用筏基來當(dāng)做核心筒部分；而對于樁基來說，是以人工挖孔樁為主，之后在中風(fēng)化巖層中完全嵌入其基礎(chǔ)。③環(huán)境處理。因該建筑工程場地高差存在變化不均的情況，所以設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)時，要對場地關(guān)系進(jìn)行充分利用，有效避免大開挖或高邊坡現(xiàn)象。對于建筑主體部分來說，其主要是以周圍環(huán)境高差較小部位為主，選擇應(yīng)用鋼筋混凝土擋土墻，也可以借助重力式擋土墻來實現(xiàn)良好支護效果，其中52~40cm 為鋼筋混凝土擋土墻厚度，而選用重力式擋土墻時，要以支擋土層高度為依據(jù)，同時注意《04J008 擋土墻圖集》的參考[10]。因基坑開挖導(dǎo)致形成臨時邊坡形成，所以選擇自然放坡形式應(yīng)用的過程中，1:1.5 為土層比例，而1:0.5、1:0.2 為強風(fēng)化巖層、中風(fēng)化巖層分別取值比例。④掉層部分結(jié)構(gòu)設(shè)計。因該商住樓項目需要將其依山而建的效果呈現(xiàn)出來，加之坡地建筑假定模型并不復(fù)合現(xiàn)有軟件模型，所以要選擇特殊處理方式確保模型能夠吻合真實邊界條件。最終，本工程在面對大震作用影響時，樁孔中柱子位移比柱頂?shù)街叺木嚯x小，所以本文所提處理方法的可行性巨大。

5 結(jié)語

在開展坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作時，要深刻意識到其不同于平地建筑，開展具體結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的過程中，相關(guān)設(shè)計人員應(yīng)基于坡地地質(zhì)特征的充分了解、全面掌握為出發(fā)點，開展區(qū)別于平地的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，掌握坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵點，做好結(jié)構(gòu)安全設(shè)計工作，如此才能促進(jìn)坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水平的提高，為坡地建筑總體的安全性、穩(wěn)固性提供保障。