何 熹，楊劍維，呂志剛

（廣東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院有限責(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化為同一水平面時的結(jié)構(gòu)。隨著我國城市化進程的深入，開發(fā)山地建筑成為了拓展土地資源、節(jié)約耕地的一個重要手段，而山地建筑設(shè)計項目將會成為不可或缺的一個重要項目類型。因此，探討山地建筑設(shè)計有著十分重要的現(xiàn)實意義［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個方面對山地建筑設(shè)計的要點進行梳理，并結(jié)合具體項目對山地建筑的設(shè)計進行探討。

1 山地建筑規(guī)劃選址要點

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)通過實地觀測、勘探或根據(jù)現(xiàn)有勘測圖紙資料，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)項目的類型。不同地形坡度與建筑場地布置的基本規(guī)律如表1所示。

表1 地形坡度與建筑場地布置的基本規(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，南向山地夏季相對涼爽、冬季相對溫暖，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，在選址中應(yīng)仔細勘測主導(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、山坡對于風(fēng)的影響，利用山地獨特地形進行合理的建筑布局以獲取地形風(fēng)，從而促進建筑自然通風(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。但是過大的降水量也會對建筑產(chǎn)生不良影響，因此在規(guī)劃選址過程應(yīng)對降水量進行深入研究探討，以免過大的降水量對建筑造成濕度過大、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?shù)貕K周圍有重要的景觀點時，選址時也應(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，盡量爭取最有利的建筑基址。

2 山地建筑形態(tài)設(shè)計要點

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)計應(yīng)考慮山地的坡度、位置、走勢、自然肌理等因素。為了保護山地的原生地貌，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)計過程中，針對同樣的地形條件，往往可以應(yīng)用不同的形態(tài)設(shè)計，建筑師與結(jié)構(gòu)師應(yīng)該對不同接地設(shè)計的效果進行綜合評估。

3 山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

在《山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程（征求意見稿）》中對于山地建筑的計算與相關(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)計經(jīng)驗提出山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中需注意的一些要點。

3.1 場地

針對不同的地質(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、修筑臺階等措施；對坡度較大、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、護坡、護面墻等多方式對坡地進行加固，對較陡的邊坡，還可分別改造成幾個高度較小的人工階地。同時對于山體上不穩(wěn)定的土石體，應(yīng)予以挖除，場地處理方式如圖3 所示。處理后的邊坡還可結(jié)合有限元軟件進行分析，進一步論證整治后場地的安全性。

3.2 山地建筑上部結(jié)構(gòu)處理要點

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

⑴驗證大震之下斜坡的穩(wěn)定，確保嵌固端的有效性。

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

⑶針對底部多臺階的結(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化處理分析模型——簡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）置于一個臺階。

⑷地震作用按1.1～1.6的放大系數(shù)。

⑸運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。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。一方面會對地表進行沖刷，造成水土流失，進一步引發(fā)山洪或泥石流；另一方面，過大的水量會滲透進地下，使土體的抗剪強度降低，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)計實例

河源市某紀念館工程項目為一單層的紀念館，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°。紀念館采用環(huán)形的建筑形式，環(huán)繞在紀念碑下，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，環(huán)形的參觀流線更簡明生動，是展覽建筑常用形式。圖5 為項目效果圖，圖6為場地的現(xiàn)狀，圖7為項目總圖，圖8為項目方案平面圖。

圖5 項目效果Fig.5 Project Effect

圖7 項目總圖Fig.7 General Layout of the Project

圖8 項目方案平面Fig.8 Project Plan

建筑整體位于同一個標高，因此并未采用錯層等形式。根據(jù)對山體擾動最小的原則，以及山體走勢，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，還提出對山體整體進行勘察，設(shè)置了多條勘測線，以保證場地的安全性。根據(jù)勘察結(jié)果，擬建場地未見斷層構(gòu)造及活動斷裂通過，場地位于風(fēng)化殘丘之上，自然坡體穩(wěn)定，場地穩(wěn)定性較好，適宜建筑?？辈觳伎兹鐖D10所示，典型地質(zhì)剖面如圖11所示。

根據(jù)勘察結(jié)果，場地巖土層中等復(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）模塊對施工后的邊坡進行分析，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（Fs=5.73）時的總位移如圖12a 所示，邊坡處于極限狀態(tài)時（Fs=5.73）時的等效塑性應(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。

因為建筑美觀的要求，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)，由樁基來承擔土體的水平推力，每根樁基的水平承載力需達50 t，并應(yīng)通過現(xiàn)場水平載荷試驗來驗證。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念館工程山體建筑采用的一些特有措施。目前該項目正處于施工前期。

5 總結(jié)

山地建筑設(shè)計的規(guī)律和思路歸結(jié)如下：

⑴山地建筑設(shè)計應(yīng)與當?shù)丨h(huán)境協(xié)調(diào)、隨坡塑形，在不破壞原生態(tài)，不任意改變原有環(huán)境的準則下進行。

⑵規(guī)劃：每一個山地建筑設(shè)計前期，設(shè)計者應(yīng)充分調(diào)查了解擬建場地的各種自然影響因素，總結(jié)地質(zhì)、地形等因素對山地建筑可能產(chǎn)生的影響，并具體分析山地日照、風(fēng)、降水的基本要點，同時還應(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)合山地的獨特性，采取相應(yīng)的建筑布局與處理手法，以使設(shè)計的建筑達到所要求的層次，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)：針對山地建筑場地和形態(tài)的特殊性和復(fù)雜性，發(fā)現(xiàn)和解決相對應(yīng)的工程問題，確保建筑結(jié)構(gòu)安全。