美国波士顿防洪建筑韧性设计及其启示

刘辉 ，陈轶 ，叶志聪 （南京工业大学建筑学院，江苏 南京 211816）

1 引言

洪水被认为是美国和其他国家社会经济的主要自然灾害之一，几乎占据全球自然灾害有关损失的30%[1]。由于全球变暖和气候变化的影响，洪水的频率和强度正在增加。美国近几年发生的灾难性洪水，包括2012年纽约的超级风暴桑迪和2018年波士顿遭遇40年来最严重的洪水，造成了数十亿美元的财产损失[2]。根据“应对气候变化的波士顿”计划预测，与2000年的海平面高度相比，到2030年时，波士顿的海平面将至少升高0.23m，而到2050年和2070年时，海平面高度将预计升高 0.53m和0.91m，0.23m的升幅尽管看起来并不起眼，却能使波士顿地区百年一遇的沿海洪灾发生概率提高4或5倍；当海平面高度升幅达0.91m时（即2070年预测值），百年一遇的洪水届时将可能“一月一遇”[3]。

波士顿已经成为应对气候变化问题的领导者，它是美国乃至国际上首批发布气候监测和评估框架的城市[4]。波士顿是为数不多的在遭受洪水侵袭前就未雨绸缪，为应对海平面上升和气候影响制定规划的城市之一。波士顿规划发展局不仅仅在区域层面建立防洪指导原则，还在建筑层面强调韧性防洪措施与技术设计。建筑层面主要是引导社会发展新建和改建现有建筑，以更好地保护建筑免受或减轻洪灾的破坏，使其应对当前和未来的洪灾更具韧性。

2 波士顿泛洪区概况

波士顿人口约447万，总面积约232.1km2，是美国马萨诸塞州的首府和最大城市，拥有哈佛和麻省理工等国际知名学府而被称为智慧之城，是科学技术的方向盘。在面对自然灾害威胁人类财产安全和社会稳定的情况下，针对洪水灾害，波士顿首先计算出洪水泛滥的区域并建立泛洪区模型，分别以当前每年有1%的洪水风险和预计2070年发生1%的洪水概率为依据。该模型的空间边界（即，到2070年海平面上升101.6cm，预计每年发生洪灾的机会为1%的区域）是通过利用波士顿港洪水风险模型工具得出的预测来确定的，其数据可在全市范围内获得，该工具可预测未来的洪水风险以及发生洪水的范围和淹没深度，并为新建筑和改建建筑的防洪设计提供有关用途、高度、性能标准的参考，以增强对洪水的防灾能力。

3 防洪建筑设计思路

3.1 干式防洪：阻止洪水进入

干式防洪是一类旨在抑制水进入建筑的处理方法。此技术适用于低洪水位和可以承受洪水施加的静水压力的结构，当洪水深度不超过3m时且洪水速度和持续时间较低时，干式防洪是最实用的[5]。建筑中除了用于通道、停车或存储的部分之外，不允许其他空间使用干式防洪，而在具有高速作用的特殊洪水危险区应严格禁止干式防洪，因为它既不能防止洪水强烈冲击，反而会对建筑进行冲刷，使其遭受更大的破坏风险。由于洪水可能仍会从防洪堤建筑的小开口渗出，因此防水和密封措施可以适用于墙壁和地板的外部或内部以使它们不渗透。

3.2 湿式防洪：允许洪水进入

湿式防洪是允许洪水进入和离开那些不用作居住空间部分的适应措施。该策略主要在允许淹没的防洪墙上设置若干个泄洪口，而泄洪口对于允许水进入和离开建筑内外进水和出水速度至关重要[6]。因此，湿式防洪要求对泄洪口的数量、类型和位置进行适当的计算。这种方法通过平衡墙体两侧的静水压力和浮力来避免结构损坏。除了提供允许洪水进入的开口之外，湿式防洪还要求在洪水高度以下使用防洪材料，保护服务设备免受洪水破坏，任何公用设施或服务设备，如管道、加热器和电线都应从洪水浸没区转移。

4 防洪建筑韧性设计

4.1 建筑形式

4.1.1 利用桩、墩或柱子支撑建筑

在这种防洪策略中，将建筑抬高到具有开放基础的桩、墩或柱子上，使建筑第一层可在设计洪水高度之上，在其受到洪水冲击作用时此策略可保护建筑免受洪水冲击影响，否则会侵蚀放置在下方的填充材料或对坚固的基础墙造成结构损坏[7]。起支撑作用的桩、墩或柱子必须设计成在结构上抵抗设计洪水荷载，在岩土工程中稳定，不易受到洪水冲刷和侵蚀。在泛洪区内，旧的、严重受损的和经过重大改进的建筑建议在有桩、墩或柱子上架设，禁止使用易冲蚀的填充物来抬高结构。这种支撑形式的建筑底层空间在有洪水的时候允许洪水通过，没有洪水的时候便是贮藏、停车或者公共交往休憩的空间。

4.1.2 加固地基墙和填充地基空间

在易受洪水影响的地区，可通过在坚实的地基墙上抬高最低楼层将建筑架高从而满足防洪的要求。在使用该策略现有建筑进行改造时，现有的实心地基墙应加高，以满足新架空的最低层的要求，现有的地基需要整修或加固，以确保结构稳定。此外还需要对墙壁和楼板进行结构加固，并且最底层的地基墙应设计有泄洪口以减轻洪水压力，还应考虑冲刷和侵蚀深度以及结构填充的必要性，地基应填充现有的地下空间，填料必须压实并能抵抗冲刷和侵蚀，可用于填充的材料包括压实的土壤，用混凝土板包裹的碎石和受控的低强度材料，以确保在洪水条件下不会破坏地基稳定性。这类设计的稳定性非常高，主要适用于中高层混凝土建筑。

4.1.3 抬高建筑最底层

抬高建筑最底层主要适用于新建建筑，主要以填土抬高地形的方法，使建筑满足设计洪水高度的要求。抬高地形的方式可以通过人工就地抬高，也可以优先选择地势较高的区域用以新建。倘若采取填土抬高的方式就要考虑填土的抗洪能力，保证填土可以长期稳定的支撑建筑，因此需要额外的修复水土保持能力。建议在填土上创造积极的共同效益，以植被和其他公共设施填筑斜坡的形式，创造或保持开放空间。对于大型公共建筑而言，此策略有可能将景观特征合并到现有或新的地面空间区域中，从而可以应对额外的气候风险，例如极端降水和气温升高。在滨水区，鼓励填土抬高场地，可以有效防止洪水穿过该场地，同时也可以保护周边交通系统的稳定性和公共财产的安全性。

4.2 建筑结构

4.2.1 建筑底层部分抬高并新增内部通道

对于第一层较高的建筑，可以将第一层的部分空间抬高到设计洪水高度以上，并新增内部坡道或楼梯使其可以直接到达二楼，以防止该层遭受洪水危险。小户型建筑底层下方的空间建议采用湿式防洪，应加装泄洪口使洪水通过，从而平衡了静水压力。若要使用干式防洪，只有获得工程结构与洪水相关荷载的抵抗力的批准才可以保留地下空间用于存储或停车。大体量建筑则不同，底层到天花板的高度必须足够高以容纳降低的天花板高度。尽管许多现有建筑物可能其高度，但架高的地板可能会扰乱门窗与第一层的联系方式，因此，此策略必须与现有立面的特征相协调，并与公共领域融为一体。

4.2.2 建筑底层外部抬高并新增外部通道

抬高建筑底层外围从而形成高于洪水高度的空间，可以通过外部走道、坡道或楼梯，在建筑外部提供达到较高一楼水平的空间。这类设计主要适用于商业类型的建筑，在保证建筑防洪要求的前提下也形成了商业休憩交往的空间。由于新增的外部空间会对街道造成视觉上的改变，为了避免破坏街景的视觉连通性和趣味性，应仔细考虑外部新增的抬高空间的公共作用。在这空间可以种植花木或增加座椅，并且采用与环境相适应的材料用来促进视觉兴趣，从而形成积极有活力的交往空间，此策略可以增强公共领域的活力，非正式休闲可以无缝地融入楼梯和坡道空间。

4.3 建筑系统

4.3.1 抗洪材料的选择

抗洪材料是指能够抵抗洪水直接或长期接触而不会造成重大破坏的建筑材料、构件或系统。这些材料可与其他策略一起使用，以防止可能发生与洪水接触的损坏。抗洪材料在洪水冲袭过程中能保持完整，在洪水发生后清除污染物时不会变质。国际洪水保护组织根据材料的抗洪破坏能力对其分为高度耐腐蚀材料和易损材料，高度耐腐蚀的材料如混凝土、石材、砖石砌块、陶瓷和经过压力处理的天然抗腐蚀木材，而易损材料包括石膏墙板、玻璃纤维、棉毡隔热层、地毯和刨花板。在评估抗洪能力时，应考虑各种材料的组合。例如粘附在混凝土板上的瓷砖地板结合起来具有更好的抗洪能力，相反，如果将塑料地板放在未经处理的胶合板底层地板上，则该组件将不能被视为具有抗洪能力。

4.3.2 保护建筑内部关键系统

在建筑的整个生命周期中，必须将其内部所有关键系统纳入应对气候变化的考虑当中[8]。建筑内部的关键系统如电力和机械设备是维护正常生活的重要一环，因此也需要将其纳入洪水风险的考虑。对于所有新旧建筑，应将电气、供暖、管道和空调设备以及其他服务设施布置在洪水泛滥区域之外，新建筑可以轻松地保护关键系统，而对于老旧建筑，保护的方法主要有3种，分别是抬高基座、搬迁和就地保护。抬高基座通常可以在基座或平台上架高设备，以使设施系统高于洪水高度。搬迁是根据现有建筑物中的可用空间，可以将地下室或洪水位以下其他区域的设备搬到高层，以使设备和配电系统高于洪水高度。就地保护主要是在举升和搬迁不可行时，提高关键系统韧性的最后一种选择是就地将它们保护到位，可以将其重新包装或者在附近范围垒砌墙面。

5 启示

5.1 建立泛洪区数据库与模型

进行防洪建筑韧性设计的第一步便是确定洪水泛滥的区域，分别制定近期百年一遇的洪水和远期百年一遇的洪水的泛洪区数据库与模型，无论是区域性或社区性的防洪规划都可以参考这个数据库，并对社会公众公开，这有助于人们清楚的了解自身所在的区域是否为泛洪区，同时也可以为规划决策者制定正确合理的防洪规划。以数据库为基础，人们可以清楚的辨别指定区域的洪水灾害发生概率和泛滥区域，以做好相应的防洪措施，减少洪水灾害造成的巨大损失。

5.2 对泛洪区的建筑进行防洪能力评估

明确泛洪区之后要对该区域内所有现存建筑进行防洪能力评估，建议分别采取建筑高度、建筑年代和建筑质量三个指标进行评估，评估的不同结果要采取不同的韧性设计措施。明确了泛洪区内每一栋现存建筑防洪能力之后，也要对未来新建建筑的防洪能力提出基本要求，泛洪区不同程度的洪水所采取的基本要求也有所不同。

5.3 有针对性的进行防洪建筑韧性设计与改造

在进行防洪建筑韧性设计时首先应当判断该建筑适合干式防洪还是湿式防洪，然后在这基础上分别采取措施。干式防洪适用于建筑密度低且建筑质量较好的区域，湿式防洪则适用于中高层建筑且底层不用做居住功能的区域。除了现存建筑的韧性改造设计，凡是泛洪区内均建议制定防洪建筑韧性设计指南，以促进未来防洪建筑的要求，保护建筑不受洪水的影响，维护日常生活的正常秩序，减轻洪水带来的灾害损失。