坡地建筑結構設計方法及實踐應用

李濤

（太原市建筑設計研究院，山西太原 030002）

目前，我國在坡地建筑方面缺少相應的研究，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，顯然不適合應用平地建筑結構形式，所以在設計坡地建筑結構的過程中，要基于坡地地形結構的了解為出發點，開展深入的探究工作，為坡地建筑質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，會致使該種建筑結構和平地建筑之間存在巨大差異，所以進行結構設計時必須進行深入研究，同時也應積極借鑒一些成功案例，進而依據多方數據來開展科學、合理的坡地建筑結構設計，確保借助坡地建筑結構設計為坡地建筑后續施工提供可靠指導。

1 坡地建筑概述

在坡地建筑項目施工建設時，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，坡地建筑施工建設環節，常用方法是修整坡地，進而實現多個具有連續性臺面的處理目的，之后坡地建筑工程的施工建設即可在修整完的臺面上開展。在我國經濟迅猛發展的背景下，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，同時也存在復雜化的地質條件和構成因素，所以對比平地建筑來說，坡地建筑設計難度較大，且坡地建筑結構要求也會更高。所以，在推進坡地建筑項目發展的過程中，必須高度重視建筑結構設計方法的創新與優化，而在不斷研究坡地建筑結構設計方法的情況下，也能為建筑行業進一步發展提供促進條件。

2 坡地建筑結構設計重點

2.1 利用山體特征

從當下我國國土面積具體情況進行分析，其中山地就占據我國總面積的2/3，且全國各地城鎮中的絕大部分地域都和山地呈相鄰的狀態，所以在進行坡地建筑項目開發規劃時，建筑結構設計也是以山地區域為主。因山地區域并不存在較多的平地資源，所以坡地建筑設計的出發點不應選擇平地，在考慮各種設計元素的過程中，要盡可能與山體特征相結合，如在設計環節要充分納入山體植被及自然形成地質景觀等多方面內容，進而基于山體原有自然生態條件的利用為出發點，為坡地建筑綠化及裝飾體系的完善提供輔助作用，促進坡地建筑的景觀、人文、生態等多方價值得到最大化發揮，使坡地建筑周圍環境得到優化和改善的同時，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系是以負相關為主，在大部分房地產開發商開發規劃建筑項目時，重點關注的一個內容就是容積率。以比例不同為依據，地塊容積率也應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。在設計坡地建筑結構時，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重的泥石流及地震、山體滑坡等自然災害影響，因此要提高在坡地的排水設計方面重視程度。在坡地建筑排水設計工作具體開展時，要注意當地降水量及地質結構、坡地實際情況等多方面因素的綜合考量，以此為參考依據將相應的排水設計工作做好，為排水系統合理性、高效化運行提供保障。在進行排水系統設計工作時，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構及坡地建筑基礎穩固性的現象[2]。與此同時，也要提高在坡地建筑結構通風設計優化方面的重視程度，通風設計也會在一定程度上影響排水設計，所以在進行排水設計的過程中要兼顧通風設計。

2.4 重視通風防潮

在坡地建筑結構設計中，較為關鍵的內容之一就是通風防潮設計。因山區環境濕度比平地要大，所以為了有效避免坡地建筑受濕度影響而產生質量問題的不良現象，必須提高在建筑通風防潮功能實現方面的重視程度，為建筑室內環境舒適度提供保障。通常來說，坡地建筑結構設計時，設計理念應以建筑外墻和山體分離的理念為主，再基于放坡和擋墻設置方式的應用，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，也應注意通風口的設置，同時基于其他措施的應用，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 坡地建筑結構設計方法

3.1 基礎設計

在建筑結構設計中，關鍵內容所在就是基礎設計，不論是坡地還是平地等建筑類型來說，開展基礎設計工作時，都要保障基礎設計與相關規范和具體要求相符。具體要求如下：上部建筑承載力及沉降變形、建筑整體穩定性等。因坡地具有復雜的地質構造，所以坡地建筑持力層分布不均的情況極易出現。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且均衡分布時，此時基礎設計環節要在天然淺基礎的設計方面進行優先考慮，該種設計方式的顯著優勢為開挖深度小、具有良好經濟性，此時只要具備坡地建筑上部結構對基礎造成的荷載負擔較小的情況，就能夠在坡地建筑結構基礎設計中應用天然淺基礎。

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，應使用深基礎將天然淺基礎代替，為基礎設計的穩固性、可靠性提供保障。其中，具有較高經濟性的就是人工挖孔墩基礎，其具備良好的質量保障作用。但值得注意的是，人工挖孔墩基礎應用的過程中，如果面臨極深持力層埋藏情況，此時在人工開挖基礎方式貿然應用的情況下，因需要穿過的巖土層厚度深，會導致施工難度、安全風險系數隨之增加，所以該環節并不適用于人力開發方式，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，也會嚴格要求設備和場地條件，所以施工中應對是否應用該種方式進行合理斟酌，如果必須使用此種方式，應借助優化設計的方式，盡可能控制沖孔灌注樁施工占比[3]。

受地質條件差異化因素影響，在坡地建筑基礎設計工作時，極易出現面臨的嚴重沉降情況，而此種問題產生的主要原因是基礎不均勻。一般來說，開展基礎結構設計工作時，地質不允許存在性質上的高度差異現象，但因實際地質情況的復雜化特征十分突出，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。而此種方法就會導致基礎設計分布不均的情況由此產生，應通過一些方法的應用，使土層支撐狀態得到改善，有效避免沉降的發生，規避沉降給建筑結構造成嚴重破壞的現象有效規避。在解決的過程中，常見方法如下：①與天然淺基礎、人工挖孔墩基礎相結合，進而將持力層向巖石層方面引導，此時可能會導致基礎滑移的情況隨之產生，所以應注重巖石錨桿的額外設置。②基于厚度300~500mm 中砂及粗砂、爐渣等物料的應用，有效構建褥墊層，之后基于此種褥墊層的應用，對基礎和巖石接觸部分進行處理。

3.2 擋土墻設計

坡地建筑結構設計中，擋土墻設計與建筑上部結構整體設計密切相關，所以擋土墻設計具有重要的現實意義，開展設計工作時，應以安全、合理、經濟原則為主。具體開展擋土墻設計工作時，應基于工程區域實際地質情況的充分研究為前提，具體設計環節要因地制宜，確保擋土墻設計能夠充分結合區域地質地形條件。設計環節可選擇以下兩種設計方法應用：①擋土墻和建筑主體結構分離的設計法。該種設計方法的優勢為利于受力基礎、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，該種設計方法需要開展大量巖石層施工，可能會導致工期延長情況，也會大幅增加工程造價成本，加之該種分離式設計方式會致使更多空間被占據，最終壓縮建筑本體空間，所以應用過程應謹慎考慮實際情況[4]。②基于建筑主體結構為前提來進行擋土墻設計。該種設計方法不同于之前的設計方案，這種設計方法主要是從一個整體出發來設計擋土墻和建筑相應部分，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，確保空間面積隨之擴大，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整優勢。

坡地建筑擋土墻設計環節，面臨的設計要求較高，而這些要求要在強度及剛度、穩定性等方面得到了充分體現。對于擋土墻的強度來說，要保障擋土墻與設計標準相符，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，也應基于相應措施的應用，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。從擋土墻設計的穩定性要求方面來看，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，仍然能夠與相應穩定性要求相符。擋土墻穩定性強化的過程中，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，也能夠有效穩固土壤性質[5]。最后需注意，擋土墻的泄水孔設計環節，因其密切關系著建筑整體結構防潮性能，所以不應設置在墻內側，需要將排水用的盲溝設置在擋土墻背面底部或中部位置，確保充分發揮其作用。

3.3 上部結構設計

在設計坡地建筑主體結構的過程中，主要考慮的因素應以側向上壓力產生的影響為主，首先要先計算出集中力，之后以此為依據圍繞結構整體各方面參數進行計算和分析。一般來說，坡地建筑結構設計要保障充分滿足正常使用極限需求，同時也應與承載力極限條件相符。因坡地建筑受到的荷載影響較多，如風力、地震等，所以極易出現失穩及滑坡等情況，嚴重情況下，坡地建筑的安全使用也會受到影響，所以具體設計坡地建筑上部結構的過程中，應盡可能避免不穩定邊坡，并嚴格控制施工質量[6]。除此之外，也可選擇以下上部結構設計方式：進行結構上的抗震縫設計、監測基礎設計、要及時處理沉降和滑移等問題，在底部設計、提高抗震措施應用方面的重視程度。

具體來說，上部結構設計過程可選擇如下方法：①選擇建筑場地的過程中，盡可能以邊坡穩定區為主，使上部結構的穩定性有效提高，也能夠為上部結構抗震性設計奠定堅實基礎[7]。②因坡地建筑自身特征為豎向剛度不規則等方面，所以扭轉效應極為明顯，要充分做好底部設計工作，基于底部強度的提高，加之抗震措施的應用，盡可能減少建筑中短柱的數量，以此確保上剛下柔情況的出現得以有效規避。③高度差變化顯著位置、主體結構和地層連廊相接處，應注意防震縫的設置，確保充分發揮良好抗震作用，使不均勻沉降影響上部結構的現象得以有效預防[8]。④設計上部結構時，也應充分結合基礎形式，將二者間協調工作做好，如選擇墩基礎形式應用的過程中，要應用聯系梁確保上部結構中柱體和墩柱能夠實現形成統一整體目的，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而影響建筑整體穩定性的現象。

4 坡地建筑結構設計的實踐效果分析

案例一：湖北某技術學院中，設計其中一棟宿舍樓時，因該宿舍樓的建設需要依靠山體，且宜昌這一城市又有長江流經，所以宜昌常年都存在較大的空氣濕度，因此會嚴格要求建筑防潮通風設計。施工人員具體施工時，對宿舍樓地理位置及當地氣候條件等多方面因素進行了綜合考量，之后先開鑿、修整山體本身，并穩固了結構，確保山體自身條件能充分滿足宿舍樓建設要求，有效規避沉降問題的同時，充分凸顯一定景觀價值、人文價值[9]。設計擋土墻時，選擇了擋土墻、建筑依山部位整體設計方式，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防潮效果達到預期目標，選擇了其他措施應用；基礎結構處理的過程中，借助磚混結構及沉降后澆帶設置方式、褥墊層設置方式等，切實強化基礎結構的牢固性，最終切實保障了宿舍樓工程施工質量。

案例二：某商住樓坡地工程施工建設中，共2.8 萬m2的建筑總面積，層高為27，總高為97.2m。項目地基基礎設計時，①從地質條件方面來看。在勘察現場地質條件后了解到，廠區內并無不良地質情況，具有穩定性，為工程建設奠定了堅實基礎。地基基礎體系內，中等風化頁巖與粉砂巖為基礎持力層所在，其中頁巖有10.98MPa 的飽和強度標準值，而3.84MPa 為地基承載力特征值。②基礎設計。工程基礎選型具體如下：該建筑結構框架部分是以樁基為主，采用筏基來當做核心筒部分；而對于樁基來說，是以人工挖孔樁為主，之后在中風化巖層中完全嵌入其基礎。③環境處理。因該建筑工程場地高差存在變化不均的情況，所以設計建筑結構時，要對場地關系進行充分利用，有效避免大開挖或高邊坡現象。對于建筑主體部分來說，其主要是以周圍環境高差較小部位為主，選擇應用鋼筋混凝土擋土墻，也可以借助重力式擋土墻來實現良好支護效果，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，同時注意《04J008 擋土墻圖集》的參考[10]。因基坑開挖導致形成臨時邊坡形成，所以選擇自然放坡形式應用的過程中，1:1.5 為土層比例，而1:0.5、1:0.2 為強風化巖層、中風化巖層分別取值比例。④掉層部分結構設計。因該商住樓項目需要將其依山而建的效果呈現出來，加之坡地建筑假定模型并不復合現有軟件模型，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到柱邊的距離小，所以本文所提處理方法的可行性巨大。

5 結語

在開展坡地建筑結構設計工作時，要深刻意識到其不同于平地建筑，開展具體結構設計工作的過程中，相關設計人員應基于坡地地質特征的充分了解、全面掌握為出發點，開展區別于平地的結構設計工作，掌握坡地建筑結構設計關鍵點，做好結構安全設計工作，如此才能促進坡地建筑結構設計水平的提高，為坡地建筑總體的安全性、穩固性提供保障。