坡地建筑结构设计方法及实践应用

李涛

（太原市建筑设计研究院，山西太原 030002）

目前，我国在坡地建筑方面缺少相应的研究，与此同时，社会中成型且投入使用的坡地建筑也并不是很多。而对于坡地建筑来说，显然不适合应用平地建筑结构形式，所以在设计坡地建筑结构的过程中，要基于坡地地形结构的了解为出发点，开展深入的探究工作，为坡地建筑质量的可靠性提供保障。虽然说坡地建筑也属于一种建筑类型，但值得注意的是，受坐落位置这一方面的差异化因素影响，会致使该种建筑结构和平地建筑之间存在巨大差异，所以进行结构设计时必须进行深入研究，同时也应积极借鉴一些成功案例，进而依据多方数据来开展科学、合理的坡地建筑结构设计，确保借助坡地建筑结构设计为坡地建筑后续施工提供可靠指导。

1 坡地建筑概述

在坡地建筑项目施工建设时，通常都是以高低差较大的坡地地形为主要位置，而坡地建筑的显著特征为建筑底部并不是以同一水平面为主。目前，坡地建筑施工建设环节，常用方法是修整坡地，进而实现多个具有连续性台面的处理目的，之后坡地建筑工程的施工建设即可在修整完的台面上开展。在我国经济迅猛发展的背景下，日益加剧了土地资源的紧缺程度，此时要想充分利用土地资源，就要开发坡地建筑项目，其利于土地资源紧张局面的有效缓解，同时坡地建筑在良好建筑环境塑造方面的作用也十分显著。但值得注意的是，与平地相比，坡地本身地形地貌的特殊性特征十分突出，同时也存在复杂化的地质条件和构成因素，所以对比平地建筑来说，坡地建筑设计难度较大，且坡地建筑结构要求也会更高。所以，在推进坡地建筑项目发展的过程中，必须高度重视建筑结构设计方法的创新与优化，而在不断研究坡地建筑结构设计方法的情况下，也能为建筑行业进一步发展提供促进条件。

2 坡地建筑结构设计重点

2.1 利用山体特征

从当下我国国土面积具体情况进行分析，其中山地就占据我国总面积的2/3，且全国各地城镇中的绝大部分地域都和山地呈相邻的状态，所以在进行坡地建筑项目开发规划时，建筑结构设计也是以山地区域为主。因山地区域并不存在较多的平地资源，所以坡地建筑设计的出发点不应选择平地，在考虑各种设计元素的过程中，要尽可能与山体特征相结合，如在设计环节要充分纳入山体植被及自然形成地质景观等多方面内容，进而基于山体原有自然生态条件的利用为出发点，为坡地建筑绿化及装饰体系的完善提供辅助作用，促进坡地建筑的景观、人文、生态等多方价值得到最大化发挥，使坡地建筑周围环境得到优化和改善的同时，推动坡地建筑使用中舒适度的有效提高[1]。

2.2 处理好容积率

区域建筑总面积和净用地面积之间的比就是容积率，容积率也可称之为建筑面积毛密度。一般来说，针对建筑用地使用强度进行衡量的过程中，通常会使用容积率，容积率和居民舒适度之间的关系是以负相关为主，在大部分房地产开发商开发规划建筑项目时，重点关注的一个内容就是容积率。以比例不同为依据，地块容积率也应与不同类型的建筑相匹配，比如说对于0.8及以下的地块容积率来说，在建造别墅更适合；而对于1.0 的容积率来说，在高低搭配的多层建筑中更为适用；而多层建筑、高层建筑则更适合1.5、2.0 的容积率。在设计坡地建筑结构时，必须将地块利用效率处理好，基于容积率的良好控制，确保容积率能够为建筑提供良好使用条件。

2.3 做好排水设计

平地建筑和坡地建筑之间的差异化特征十分显著，因坡地建筑是以坡地为主要坐落部位，所以往往会面临更严重的泥石流及地震、山体滑坡等自然灾害影响，因此要提高在坡地的排水设计方面重视程度。在坡地建筑排水设计工作具体开展时，要注意当地降水量及地质结构、坡地实际情况等多方面因素的综合考量，以此为参考依据将相应的排水设计工作做好，为排水系统合理性、高效化运行提供保障。在进行排水系统设计工作时，一般有排水沟及雨水收集管道等包含其中，其能为排水体系将降水及时排出提供保障，降水和其他因素影响山体结构及坡地建筑基础稳固性的现象[2]。与此同时，也要提高在坡地建筑结构通风设计优化方面的重视程度，通风设计也会在一定程度上影响排水设计，所以在进行排水设计的过程中要兼顾通风设计。

2.4 重视通风防潮

在坡地建筑结构设计中，较为关键的内容之一就是通风防潮设计。因山区环境湿度比平地要大，所以为了有效避免坡地建筑受湿度影响而产生质量问题的不良现象，必须提高在建筑通风防潮功能实现方面的重视程度，为建筑室内环境舒适度提供保障。通常来说，坡地建筑结构设计时，设计理念应以建筑外墙和山体分离的理念为主，再基于放坡和挡墙设置方式的应用，确保建筑外墙、挡墙、放坡、山体间有一定空间留置出来。除此之外，也应注意通风口的设置，同时基于其他措施的应用，为空气流通提供保障，切实缓解建筑本体和周围的潮湿度问题。

3 坡地建筑结构设计方法

3.1 基础设计

在建筑结构设计中，关键内容所在就是基础设计，不论是坡地还是平地等建筑类型来说，开展基础设计工作时，都要保障基础设计与相关规范和具体要求相符。具体要求如下：上部建筑承载力及沉降变形、建筑整体稳定性等。因坡地具有复杂的地质构造，所以坡地建筑持力层分布不均的情况极易出现。在坡地具有理想地层的情况下，加之持力层呈埋藏浅的状态且均衡分布时，此时基础设计环节要在天然浅基础的设计方面进行优先考虑，该种设计方式的显著优势为开挖深度小、具有良好经济性，此时只要具备坡地建筑上部结构对基础造成的荷载负担较小的情况，就能够在坡地建筑结构基础设计中应用天然浅基础。

但在持力层埋藏较深的情况下，加之地形存在较大的起伏变化、土层厚度并未均匀分布时，应使用深基础将天然浅基础代替，为基础设计的稳固性、可靠性提供保障。其中，具有较高经济性的就是人工挖孔墩基础，其具备良好的质量保障作用。但值得注意的是，人工挖孔墩基础应用的过程中，如果面临极深持力层埋藏情况，此时在人工开挖基础方式贸然应用的情况下，因需要穿过的岩土层厚度深，会导致施工难度、安全风险系数随之增加，所以该环节并不适用于人力开发方式，最好是选择冲孔灌注桩的方式，但该种冲孔灌注桩具有较高的造价成本，也会严格要求设备和场地条件，所以施工中应对是否应用该种方式进行合理斟酌，如果必须使用此种方式，应借助优化设计的方式，尽可能控制冲孔灌注桩施工占比[3]。

受地质条件差异化因素影响，在坡地建筑基础设计工作时，极易出现面临的严重沉降情况，而此种问题产生的主要原因是基础不均匀。一般来说，开展基础结构设计工作时，地质不允许存在性质上的高度差异现象，但因实际地质情况的复杂化特征十分突出，所以在坡地地形基岩面起伏较为明显时，持力层仅能以多种土层为主。而此种方法就会导致基础设计分布不均的情况由此产生，应通过一些方法的应用，使土层支撑状态得到改善，有效避免沉降的发生，规避沉降给建筑结构造成严重破坏的现象有效规避。在解决的过程中，常见方法如下：①与天然浅基础、人工挖孔墩基础相结合，进而将持力层向岩石层方面引导，此时可能会导致基础滑移的情况随之产生，所以应注重岩石锚杆的额外设置。②基于厚度300~500mm 中砂及粗砂、炉渣等物料的应用，有效构建褥垫层，之后基于此种褥垫层的应用，对基础和岩石接触部分进行处理。

3.2 挡土墙设计

坡地建筑结构设计中，挡土墙设计与建筑上部结构整体设计密切相关，所以挡土墙设计具有重要的现实意义，开展设计工作时，应以安全、合理、经济原则为主。具体开展挡土墙设计工作时，应基于工程区域实际地质情况的充分研究为前提，具体设计环节要因地制宜，确保挡土墙设计能够充分结合区域地质地形条件。设计环节可选择以下两种设计方法应用：①挡土墙和建筑主体结构分离的设计法。该种设计方法的优势为利于受力基础、方向的明确，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，该种设计方法需要开展大量岩石层施工，可能会导致工期延长情况，也会大幅增加工程造价成本，加之该种分离式设计方式会致使更多空间被占据，最终压缩建筑本体空间，所以应用过程应谨慎考虑实际情况[4]。②基于建筑主体结构为前提来进行挡土墙设计。该种设计方法不同于之前的设计方案，这种设计方法主要是从一个整体出发来设计挡土墙和建筑相应部分，如底板、顶板等，所以不仅利于工程造价的有效控制，有效缩短工期，确保空间面积随之扩大，同时也不具备较高的施工难度。但值得注意的是，与之前的分离式设计方法相比，该种方法不具备良好的防水防潮性能和受力调整优势。

坡地建筑挡土墙设计环节，面临的设计要求较高，而这些要求要在强度及刚度、稳定性等方面得到了充分体现。对于挡土墙的强度来说，要保障挡土墙与设计标准相符，且挡土墙单位面积能够承受住来自静止土压力、水压力的双重作用影响；与此同时，也应基于相应措施的应用，为挡土墙刚度不受影响提供保障，具体措施如下：可将钢筋混凝土扶壁柱设置在框架柱位置，或增加地下室顶板、底板厚度等。从挡土墙设计的稳定性要求方面来看，要求挡土墙在承受多重压力的同时，如覆土及自重、水压、土压等，仍然能够与相应稳定性要求相符。挡土墙稳定性强化的过程中，具体方法如下：增加墙趾外挑尺寸，该种强化方法利于增加挡土墙本体抗倾覆力距，其起到的显著作用为缓解墙背土压力，也能够有效稳固土壤性质[5]。最后需注意，挡土墙的泄水孔设计环节，因其密切关系着建筑整体结构防潮性能，所以不应设置在墙内侧，需要将排水用的盲沟设置在挡土墙背面底部或中部位置，确保充分发挥其作用。

3.3 上部结构设计

在设计坡地建筑主体结构的过程中，主要考虑的因素应以侧向上压力产生的影响为主，首先要先计算出集中力，之后以此为依据围绕结构整体各方面参数进行计算和分析。一般来说，坡地建筑结构设计要保障充分满足正常使用极限需求，同时也应与承载力极限条件相符。因坡地建筑受到的荷载影响较多，如风力、地震等，所以极易出现失稳及滑坡等情况，严重情况下，坡地建筑的安全使用也会受到影响，所以具体设计坡地建筑上部结构的过程中，应尽可能避免不稳定边坡，并严格控制施工质量[6]。除此之外，也可选择以下上部结构设计方式：进行结构上的抗震缝设计、监测基础设计、要及时处理沉降和滑移等问题，在底部设计、提高抗震措施应用方面的重视程度。

具体来说，上部结构设计过程可选择如下方法：①选择建筑场地的过程中，尽可能以边坡稳定区为主，使上部结构的稳定性有效提高，也能够为上部结构抗震性设计奠定坚实基础[7]。②因坡地建筑自身特征为竖向刚度不规则等方面，所以扭转效应极为明显，要充分做好底部设计工作，基于底部强度的提高，加之抗震措施的应用，尽可能减少建筑中短柱的数量，以此确保上刚下柔情况的出现得以有效规避。③高度差变化显著位置、主体结构和地层连廊相接处，应注意防震缝的设置，确保充分发挥良好抗震作用，使不均匀沉降影响上部结构的现象得以有效预防[8]。④设计上部结构时，也应充分结合基础形式，将二者间协调工作做好，如选择墩基础形式应用的过程中，要应用联系梁确保上部结构中柱体和墩柱能够实现形成统一整体目的，为二者共同工作提供保障，有效提高水平力传递效率，以此有效防止个别墩失稳而影响建筑整体稳定性的现象。

4 坡地建筑结构设计的实践效果分析

案例一：湖北某技术学院中，设计其中一栋宿舍楼时，因该宿舍楼的建设需要依靠山体，且宜昌这一城市又有长江流经，所以宜昌常年都存在较大的空气湿度，因此会严格要求建筑防潮通风设计。施工人员具体施工时，对宿舍楼地理位置及当地气候条件等多方面因素进行了综合考量，之后先开凿、修整山体本身，并稳固了结构，确保山体自身条件能充分满足宿舍楼建设要求，有效规避沉降问题的同时，充分凸显一定景观价值、人文价值[9]。设计挡土墙时，选择了挡土墙、建筑依山部位整体设计方式，为宿舍楼可及时投入使用提供了保障，而为了确保宿舍楼的通风防潮效果达到预期目标，选择了其他措施应用；基础结构处理的过程中，借助砖混结构及沉降后浇带设置方式、褥垫层设置方式等，切实强化基础结构的牢固性，最终切实保障了宿舍楼工程施工质量。

案例二：某商住楼坡地工程施工建设中，共2.8 万m2的建筑总面积，层高为27，总高为97.2m。项目地基基础设计时，①从地质条件方面来看。在勘察现场地质条件后了解到，厂区内并无不良地质情况，具有稳定性，为工程建设奠定了坚实基础。地基基础体系内，中等风化页岩与粉砂岩为基础持力层所在，其中页岩有10.98MPa 的饱和强度标准值，而3.84MPa 为地基承载力特征值。②基础设计。工程基础选型具体如下：该建筑结构框架部分是以桩基为主，采用筏基来当做核心筒部分；而对于桩基来说，是以人工挖孔桩为主，之后在中风化岩层中完全嵌入其基础。③环境处理。因该建筑工程场地高差存在变化不均的情况，所以设计建筑结构时，要对场地关系进行充分利用，有效避免大开挖或高边坡现象。对于建筑主体部分来说，其主要是以周围环境高差较小部位为主，选择应用钢筋混凝土挡土墙，也可以借助重力式挡土墙来实现良好支护效果，其中52~40cm 为钢筋混凝土挡土墙厚度，而选用重力式挡土墙时，要以支挡土层高度为依据，同时注意《04J008 挡土墙图集》的参考[10]。因基坑开挖导致形成临时边坡形成，所以选择自然放坡形式应用的过程中，1:1.5 为土层比例，而1:0.5、1:0.2 为强风化岩层、中风化岩层分别取值比例。④掉层部分结构设计。因该商住楼项目需要将其依山而建的效果呈现出来，加之坡地建筑假定模型并不复合现有软件模型，所以要选择特殊处理方式确保模型能够吻合真实边界条件。最终，本工程在面对大震作用影响时，桩孔中柱子位移比柱顶到柱边的距离小，所以本文所提处理方法的可行性巨大。

5 结语

在开展坡地建筑结构设计工作时，要深刻意识到其不同于平地建筑，开展具体结构设计工作的过程中，相关设计人员应基于坡地地质特征的充分了解、全面掌握为出发点，开展区别于平地的结构设计工作，掌握坡地建筑结构设计关键点，做好结构安全设计工作，如此才能促进坡地建筑结构设计水平的提高，为坡地建筑总体的安全性、稳固性提供保障。