山地建筑设计探讨

2021-01-27杨剑维吕志刚

广东土木与建筑 2021年1期

何熹，杨剑维，吕志刚

（广东省城乡规划设计研究院有限责任公司广州510290）

0 引言

山地建筑——从建筑学的角度的定义是建于地表不同地形坡度的建筑；从结构工程学的角度定义为是底部竖向构件的约束部位不在同一水平面上且不能简化为同一水平面时的结构。随着我国城市化进程的深入，开发山地建筑成为了拓展土地资源、节约耕地的一个重要手段，而山地建筑设计项目将会成为不可或缺的一个重要项目类型。因此，探讨山地建筑设计有着十分重要的现实意义［1-2］。

本文从结构工程师的角度，从规划、建筑、结构3个方面对山地建筑设计的要点进行梳理，并结合具体项目对山地建筑的设计进行探讨。

1 山地建筑规划选址要点

1.1 地质

在山地建筑选址中，山地地质的安全性是最重要的考虑因素。首先应确保基地的地质状况良好，地质承载力适宜，周边无潜在地质灾害侵袭，以保证其安全性。

在选址之初应通过实地观测、勘探或根据现有勘测图纸资料，依靠地质学、岩土工程、结构工程的专业人员，综合分析场地的土壤、地质、水文等条件，避开地质断层和各种地质灾害易发地带，并选择合适坡度坡向的地形。确保山地建筑的安全性与山地地形的可建性，规避潜在的自然灾害——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与建设成本都不同。山地坡度越大，出现地质风险的可能性越大，建筑专业的接地处理也更加复杂，施工的难度也越大，从而带来更高的建设成本。因此应综合考虑地形因素，确定合适的建筑选址与建设项目的类型。不同地形坡度与建筑场地布置的基本规律如表1所示。

表1 地形坡度与建筑场地布置的基本规律Tab.1 Basic Law of Terrain Slope and Construction Site Layout

1.3 日照

从日照的规律来说，南向山地夏季相对凉爽、冬季相对温暖，甚至比平地更宜居。因此，在山地选址中，日向坡为最佳选址，即南坡、东南坡或西南坡；半日向坡次之，即东坡、西坡；尽量避免选择北坡。坡地的日照特征如图1所示。

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

1.4 风

在山地中，不同的山体区域具有不同的风速。在建筑选址中，应选择有利于通风散热的位置，将建筑布置于夏季主导风向的迎风面。同时，在选址中应仔细勘测主导风上风处是否有空气污染源存在。

并且还应充分考虑有利的地形风，如山谷风等，在选址中充分考虑水域、山谷、山坡对于风的影响，利用山地独特地形进行合理的建筑布局以获取地形风，从而促进建筑自然通风。

1.5 降水量

山区迎风坡的降水量较大，水土植被较好，是山地建筑选址的较好地点。但是过大的降水量也会对建筑产生不良影响，因此在规划选址过程应对降水量进行深入研究探讨，以免过大的降水量对建筑造成湿度过大、干扰交通等影响，以至于引发滑坡等地质灾害。

1.6 景观

当地块周围有重要的景观点时，选址时也应该加以考虑，例如奇山、奇石、海景、古建筑等。

1.7 小结

综上所述，“趋利避害”是山地建筑规划选址的重要原则。山地建筑有着比平地建筑更为复杂的基地条件和周边状况，因此规划选址需要把握全局，综合考虑权衡地质、地形、日照、风、降水、景观等因素，还可以考虑山体、水体等微气候特征，尽量争取最有利的建筑基址。

2 山地建筑形态设计要点

山地建筑的形态特征，应取决于山地建筑所存在的山地环境，其形态设计应考虑山地的坡度、位置、走势、自然肌理等因素。为了保护山地的原生地貌，倡导建筑采取“减少接地”的接地形式；合理利用山地的高差，提倡“不定基面”的原则；与山体形态的协调，提倡建筑要“随山塑形”，使建筑形态与山地环境相适应［3～5］。

按照地可以山地建筑的形态可归纳为3种类型——地形适应建筑、建筑适应地形、建筑和地形互相适应，如图2所示。

在山地建筑的设计过程中，针对同样的地形条件，往往可以应用不同的形态设计，建筑师与结构师应该对不同接地设计的效果进行综合评估。

3 山地建筑结构设计要点

在《山地建筑结构设计规程（征求意见稿）》中对于山地建筑的计算与相关构造提出了一些要求，结合规程的相关要求与设计经验提出山地建筑结构设计中需注意的一些要点。

3.1 场地

针对不同的地质状况与山地坡度，应采取不同的边坡加固方式。对于较缓、地质状况良好的边坡加以整治，可采用调整山体坡度、修筑台阶等措施；对坡度较大、地质状况不稳定的边坡一般采用挡土墙措施，结合抗滑桩、护坡、护面墙等多方式对坡地进行加固，对较陡的边坡，还可分别改造成几个高度较小的人工阶地。同时对于山体上不稳定的土石体，应予以挖除，场地处理方式如图3 所示。处理后的边坡还可结合有限元软件进行分析，进一步论证整治后场地的安全性。

3.2 山地建筑上部结构处理要点

山地建筑上部结构的控制要点是选取合适的计算分析模型与确定合适的抗震加强部位与加强措施［6～11］。具体措施如下：

⑴验证大震之下斜坡的稳定，确保嵌固端的有效性。

⑵针对底部结构构件不等高的结构（如吊脚等结构），具备不同标高的接地端。结构分析时，一般取平均高度作为该层高度。此时应按等效线刚度对竖向构件截面进行调整。

⑶针对底部多台阶的结构（如掉层等结构），结构分析采用设置主接地面的方式简化处理分析模型——简化为上接地端为主接地面和下接地端为主接地面两种类型。即将结构的大部分（一般保证楼层的抗侧力刚度占比80%以上）置于一个台阶。

⑷地震作用按1.1～1.6的放大系数。

⑸运用抗震性能分析的手法，结构竖向构件可按中震弹性，大震抗剪不屈服设计。且保证底层结构竖向构件抗震性能不低于上部构件。

⑹避免极短柱。结构底部加强区高度按高端控制，并延伸至下端。

图2 山地建筑形态Fig.2 Mountain Architectural Form

图3 场地处理Fig.3 Site Treatment

3.3 水土保持及防水

在山地上过大的水流量是非常有害的。一方面会对地表进行冲刷，造成水土流失，进一步引发山洪或泥石流；另一方面，过大的水量会渗透进地下，使土体的抗剪强度降低，引发滑坡或造成山体建筑地下室浮起。因此，要控制山地上的水流量，应当合理组织排水系统，保持山体环境的稳定，从而增加山体建筑的安全性。对于有地下室建筑，可采取地表硬化并截排水、或地下疏水层自排水等方案，释放山地建筑地下室水浮力。水土保持措施如图4所示。

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

4 山地建筑设计实例

河源市某纪念馆工程项目为一单层的纪念馆，环山体建设，建筑面积约1 600 mm2。位于山体的半山坡位置，山体坡度约为25°～30°。纪念馆采用环形的建筑形式，环绕在纪念碑下，象征着革命烈士的生命之环——生命终而复始，英魂不朽。同时，环形的参观流线更简明生动，是展览建筑常用形式。图5 为项目效果图，图6为场地的现状，图7为项目总图，图8为项目方案平面图。

图5 项目效果Fig.5 Project Effect

图7 项目总图Fig.7 General Layout of the Project

图8 项目方案平面Fig.8 Project Plan

建筑整体位于同一个标高，因此并未采用错层等形式。根据对山体扰动最小的原则，以及山体走势，建筑局部埋入山体中，局部采用了吊脚的形式。建筑局部剖面如图9所示。

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

除了类似平地建筑一样在建筑范围内勘察，还提出对山体整体进行勘察，设置了多条勘测线，以保证场地的安全性。根据勘察结果，拟建场地未见断层构造及活动断裂通过，场地位于风化残丘之上，自然坡体稳定，场地稳定性较好，适宜建筑。勘察布孔如图10所示，典型地质剖面如图11所示。

根据勘察结果，场地岩土层中等复杂，各岩土层由上至下依次为耕土、粉质粘土、全风化泥质粉砂岩、强风化泥质粉砂岩以及中风化泥质粉砂岩。

采用MIDAS GTS NX 软件边坡稳定（SRM）模块对施工后的边坡进行分析，水位按最不利取满水状态，土层参数均按地勘取值，且考虑地震作用。得到边坡稳定安全系数为5.73，满足《建筑边坡工程技术规范：GB 50330-2013》的要求。得出在极端满水的情况下山体是稳定安全的结论。边坡处于极限状态时（Fs=5.73）时的总位移如图12a 所示，边坡处于极限状态时（Fs=5.73）时的等效塑性应变如图12b所示。

图10 勘察布孔Fig.10 Survey Hole Layout

图11 典型地质剖面Fig.11 Typical Geological Section

图12 GTS软件分析结果Fig.12 GTS Software Analysis Results

建筑位置位于半山坡，可视为建筑抗震的不利地段，根据《建筑抗震设计规范：GB 50011-2010》规定，水平地震影响系数最大值按1.1倍考虑。

因为建筑美观的要求，不分开设置挡土墙，而采用由建筑物本身来抵抗土体的方案。山上土体对建筑物推力较大，而建筑本身较轻，很难用自重抵抗住。因此采用了钻孔灌注桩基础，由桩基来承担土体的水平推力，每根桩基的水平承载力需达50 t，并应通过现场水平载荷试验来验证。挡土墙大样如图13所示，桩基础平面如图14所示。