美國波士頓防洪建筑韌性設計及其啟示

劉輝 ，陳軼 ，葉志聰 （南京工業大學建筑學院，江蘇 南京 211816）

1 引言

洪水被認為是美國和其他國家社會經濟的主要自然災害之一，幾乎占據全球自然災害有關損失的30%[1]。由于全球變暖和氣候變化的影響，洪水的頻率和強度正在增加。美國近幾年發生的災難性洪水，包括2012年紐約的超級風暴桑迪和2018年波士頓遭遇40年來最嚴重的洪水，造成了數十億美元的財產損失[2]。根據“應對氣候變化的波士頓”計劃預測，與2000年的海平面高度相比，到2030年時，波士頓的海平面將至少升高0.23m，而到2050年和2070年時，海平面高度將預計升高 0.53m和0.91m，0.23m的升幅盡管看起來并不起眼，卻能使波士頓地區百年一遇的沿海洪災發生概率提高4或5倍；當海平面高度升幅達0.91m時（即2070年預測值），百年一遇的洪水屆時將可能“一月一遇”[3]。

波士頓已經成為應對氣候變化問題的領導者，它是美國乃至國際上首批發布氣候監測和評估框架的城市[4]。波士頓是為數不多的在遭受洪水侵襲前就未雨綢繆，為應對海平面上升和氣候影響制定規劃的城市之一。波士頓規劃發展局不僅僅在區域層面建立防洪指導原則，還在建筑層面強調韌性防洪措施與技術設計。建筑層面主要是引導社會發展新建和改建現有建筑，以更好地保護建筑免受或減輕洪災的破壞，使其應對當前和未來的洪災更具韌性。

2 波士頓泛洪區概況

波士頓人口約447萬，總面積約232.1km2，是美國馬薩諸塞州的首府和最大城市，擁有哈佛和麻省理工等國際知名學府而被稱為智慧之城，是科學技術的方向盤。在面對自然災害威脅人類財產安全和社會穩定的情況下，針對洪水災害，波士頓首先計算出洪水泛濫的區域并建立泛洪區模型，分別以當前每年有1%的洪水風險和預計2070年發生1%的洪水概率為依據。該模型的空間邊界（即，到2070年海平面上升101.6cm，預計每年發生洪災的機會為1%的區域）是通過利用波士頓港洪水風險模型工具得出的預測來確定的，其數據可在全市范圍內獲得，該工具可預測未來的洪水風險以及發生洪水的范圍和淹沒深度，并為新建筑和改建建筑的防洪設計提供有關用途、高度、性能標準的參考，以增強對洪水的防災能力。

3 防洪建筑設計思路

3.1 干式防洪：阻止洪水進入

干式防洪是一類旨在抑制水進入建筑的處理方法。此技術適用于低洪水位和可以承受洪水施加的靜水壓力的結構，當洪水深度不超過3m時且洪水速度和持續時間較低時，干式防洪是最實用的[5]。建筑中除了用于通道、停車或存儲的部分之外，不允許其他空間使用干式防洪，而在具有高速作用的特殊洪水危險區應嚴格禁止干式防洪，因為它既不能防止洪水強烈沖擊，反而會對建筑進行沖刷，使其遭受更大的破壞風險。由于洪水可能仍會從防洪堤建筑的小開口滲出，因此防水和密封措施可以適用于墻壁和地板的外部或內部以使它們不滲透。

3.2 濕式防洪：允許洪水進入

濕式防洪是允許洪水進入和離開那些不用作居住空間部分的適應措施。該策略主要在允許淹沒的防洪墻上設置若干個泄洪口，而泄洪口對于允許水進入和離開建筑內外進水和出水速度至關重要[6]。因此，濕式防洪要求對泄洪口的數量、類型和位置進行適當的計算。這種方法通過平衡墻體兩側的靜水壓力和浮力來避免結構損壞。除了提供允許洪水進入的開口之外，濕式防洪還要求在洪水高度以下使用防洪材料，保護服務設備免受洪水破壞，任何公用設施或服務設備，如管道、加熱器和電線都應從洪水浸沒區轉移。

4 防洪建筑韌性設計

4.1 建筑形式

4.1.1 利用樁、墩或柱子支撐建筑

在這種防洪策略中，將建筑抬高到具有開放基礎的樁、墩或柱子上，使建筑第一層可在設計洪水高度之上，在其受到洪水沖擊作用時此策略可保護建筑免受洪水沖擊影響，否則會侵蝕放置在下方的填充材料或對堅固的基礎墻造成結構損壞[7]。起支撐作用的樁、墩或柱子必須設計成在結構上抵抗設計洪水荷載，在巖土工程中穩定，不易受到洪水沖刷和侵蝕。在泛洪區內，舊的、嚴重受損的和經過重大改進的建筑建議在有樁、墩或柱子上架設，禁止使用易沖蝕的填充物來抬高結構。這種支撐形式的建筑底層空間在有洪水的時候允許洪水通過，沒有洪水的時候便是貯藏、停車或者公共交往休憩的空間。

4.1.2 加固地基墻和填充地基空間

在易受洪水影響的地區，可通過在堅實的地基墻上抬高最低樓層將建筑架高從而滿足防洪的要求。在使用該策略現有建筑進行改造時，現有的實心地基墻應加高，以滿足新架空的最低層的要求，現有的地基需要整修或加固，以確保結構穩定。此外還需要對墻壁和樓板進行結構加固，并且最底層的地基墻應設計有泄洪口以減輕洪水壓力，還應考慮沖刷和侵蝕深度以及結構填充的必要性，地基應填充現有的地下空間，填料必須壓實并能抵抗沖刷和侵蝕，可用于填充的材料包括壓實的土壤，用混凝土板包裹的碎石和受控的低強度材料，以確保在洪水條件下不會破壞地基穩定性。這類設計的穩定性非常高，主要適用于中高層混凝土建筑。

4.1.3 抬高建筑最底層

抬高建筑最底層主要適用于新建建筑，主要以填土抬高地形的方法，使建筑滿足設計洪水高度的要求。抬高地形的方式可以通過人工就地抬高，也可以優先選擇地勢較高的區域用以新建。倘若采取填土抬高的方式就要考慮填土的抗洪能力，保證填土可以長期穩定的支撐建筑，因此需要額外的修復水土保持能力。建議在填土上創造積極的共同效益，以植被和其他公共設施填筑斜坡的形式，創造或保持開放空間。對于大型公共建筑而言，此策略有可能將景觀特征合并到現有或新的地面空間區域中，從而可以應對額外的氣候風險，例如極端降水和氣溫升高。在濱水區，鼓勵填土抬高場地，可以有效防止洪水穿過該場地，同時也可以保護周邊交通系統的穩定性和公共財產的安全性。

4.2 建筑結構

4.2.1 建筑底層部分抬高并新增內部通道

對于第一層較高的建筑，可以將第一層的部分空間抬高到設計洪水高度以上，并新增內部坡道或樓梯使其可以直接到達二樓，以防止該層遭受洪水危險。小戶型建筑底層下方的空間建議采用濕式防洪，應加裝泄洪口使洪水通過，從而平衡了靜水壓力。若要使用干式防洪，只有獲得工程結構與洪水相關荷載的抵抗力的批準才可以保留地下空間用于存儲或停車。大體量建筑則不同，底層到天花板的高度必須足夠高以容納降低的天花板高度。盡管許多現有建筑物可能其高度，但架高的地板可能會擾亂門窗與第一層的聯系方式，因此，此策略必須與現有立面的特征相協調，并與公共領域融為一體。

4.2.2 建筑底層外部抬高并新增外部通道

抬高建筑底層外圍從而形成高于洪水高度的空間，可以通過外部走道、坡道或樓梯，在建筑外部提供達到較高一樓水平的空間。這類設計主要適用于商業類型的建筑，在保證建筑防洪要求的前提下也形成了商業休憩交往的空間。由于新增的外部空間會對街道造成視覺上的改變，為了避免破壞街景的視覺連通性和趣味性，應仔細考慮外部新增的抬高空間的公共作用。在這空間可以種植花木或增加座椅，并且采用與環境相適應的材料用來促進視覺興趣，從而形成積極有活力的交往空間，此策略可以增強公共領域的活力，非正式休閑可以無縫地融入樓梯和坡道空間。

4.3 建筑系統

4.3.1 抗洪材料的選擇

抗洪材料是指能夠抵抗洪水直接或長期接觸而不會造成重大破壞的建筑材料、構件或系統。這些材料可與其他策略一起使用，以防止可能發生與洪水接觸的損壞?？购椴牧显诤樗疀_襲過程中能保持完整，在洪水發生后清除污染物時不會變質。國際洪水保護組織根據材料的抗洪破壞能力對其分為高度耐腐蝕材料和易損材料，高度耐腐蝕的材料如混凝土、石材、磚石砌塊、陶瓷和經過壓力處理的天然抗腐蝕木材，而易損材料包括石膏墻板、玻璃纖維、棉氈隔熱層、地毯和刨花板。在評估抗洪能力時，應考慮各種材料的組合。例如粘附在混凝土板上的瓷磚地板結合起來具有更好的抗洪能力，相反，如果將塑料地板放在未經處理的膠合板底層地板上，則該組件將不能被視為具有抗洪能力。

4.3.2 保護建筑內部關鍵系統

在建筑的整個生命周期中，必須將其內部所有關鍵系統納入應對氣候變化的考慮當中[8]。建筑內部的關鍵系統如電力和機械設備是維護正常生活的重要一環，因此也需要將其納入洪水風險的考慮。對于所有新舊建筑，應將電氣、供暖、管道和空調設備以及其他服務設施布置在洪水泛濫區域之外，新建筑可以輕松地保護關鍵系統，而對于老舊建筑，保護的方法主要有3種，分別是抬高基座、搬遷和就地保護。抬高基座通?？梢栽诨蚱脚_上架高設備，以使設施系統高于洪水高度。搬遷是根據現有建筑物中的可用空間，可以將地下室或洪水位以下其他區域的設備搬到高層，以使設備和配電系統高于洪水高度。就地保護主要是在舉升和搬遷不可行時，提高關鍵系統韌性的最后一種選擇是就地將它們保護到位，可以將其重新包裝或者在附近范圍壘砌墻面。

5 啟示

5.1 建立泛洪區數據庫與模型

進行防洪建筑韌性設計的第一步便是確定洪水泛濫的區域，分別制定近期百年一遇的洪水和遠期百年一遇的洪水的泛洪區數據庫與模型，無論是區域性或社區性的防洪規劃都可以參考這個數據庫，并對社會公眾公開，這有助于人們清楚的了解自身所在的區域是否為泛洪區，同時也可以為規劃決策者制定正確合理的防洪規劃。以數據庫為基礎，人們可以清楚的辨別指定區域的洪水災害發生概率和泛濫區域，以做好相應的防洪措施，減少洪水災害造成的巨大損失。

5.2 對泛洪區的建筑進行防洪能力評估

明確泛洪區之后要對該區域內所有現存建筑進行防洪能力評估，建議分別采取建筑高度、建筑年代和建筑質量三個指標進行評估，評估的不同結果要采取不同的韌性設計措施。明確了泛洪區內每一棟現存建筑防洪能力之后，也要對未來新建建筑的防洪能力提出基本要求，泛洪區不同程度的洪水所采取的基本要求也有所不同。

5.3 有針對性的進行防洪建筑韌性設計與改造

在進行防洪建筑韌性設計時首先應當判斷該建筑適合干式防洪還是濕式防洪，然后在這基礎上分別采取措施。干式防洪適用于建筑密度低且建筑質量較好的區域，濕式防洪則適用于中高層建筑且底層不用做居住功能的區域。除了現存建筑的韌性改造設計，凡是泛洪區內均建議制定防洪建筑韌性設計指南，以促進未來防洪建筑的要求，保護建筑不受洪水的影響，維護日常生活的正常秩序，減輕洪水帶來的災害損失。