关于山地建筑的特点及结构设计的思考与启示

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建设科技
CONSTRUCTION SCIENCE AND TECHNOLOGY
2021年2月合刊总第424期
交流探讨
在人类发展过程中，山地建筑常与自然融为一体，但复杂的地形会使建筑设计上出现多处接地的情形。

以往，人们对此类地震效应的特征和破坏机理的损害程度并不太重视，常采取基于普遍建筑结构设计的规范，并根据实践经验加强方法进行山地建筑结构设计。

自然灾难发生时均有不同于一般建筑结构的震害性山地结构特
关于山地建筑的特点及结构设计的思考与启示
童军辉
（广东省高教建筑规划设计院，广东 广州 510045）
[摘要]山地建筑结构比常规建筑结构存在多方面特殊性，传统理论研究在当前越来越复杂的山地建筑结构设计指导方面略有不足，因此提出关于山地建筑的特点及结构设计的思考与启示。

基于山地建筑的结构接地形式特点，分析了山地建筑结构设计中的隐含问题，着重进行了山地建筑特定掉层和吊脚结构的设计思考，并在此基础上得出了山地建筑结构设计的有关启示，为后续工作指出新的思路和方向。

[关键词]山地建筑；结构嵌固；掉层结构；吊脚结构；边坡稳定；地震效应
Thinking and Enlightenment on the Characteristics and Structural
Design of Mountain Buildings
Tong Tunhui
(Gaojiao Construction Planning Design Institute, Guangzhou, 510045, Guangdong)
Abstract : There are many particularities in mountain building structure compared with conventional building structure. The traditional theoretical research is a little insufficient in the design guidance for more and more complicated mountain building structure. Therefore, this paper puts forward some thoughts and enlightenment on the characteristics of mountain building and structural design. Based on the characteristics of structural grounding form of mountain buildings, this paper analyzes the hidden problems in the structural design of mountain building, especially focusing on the design thinking of the specific floor-dropping and foot-hanging structure of the mountain buildings, obtains the relevant enlightenment of the structure design of mountainous buildings, and puts forward some new ideas and directions for the follow-up work.
Keywords : mountain building, embedded structure, floor-dropping structure, foot-hanging structure, slope stability, earthquake effect
征。

目前，基本上没有系统的研究山地建筑结构设计中的特殊问题是山地建筑学研究的一个重大缺口。

对山地建筑结构设计具有指导性的研究成果，以及与之匹配的国家规范都较少，导致山地建筑结构在深、广两个方面仍有较大的不足。

DOI: 10.16116/ki.jskj.2021.03/04.030
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讨
1 山地建筑的特点与结构嵌固
如图1显示，建筑和山地的接触面之间的关系，通常直接由山与建筑之间的地形状态反映，直观地表现了山地建筑所需克服的地形障碍，获得建筑的使用空间[1]。

综合山地地形和水文、土质情况，一般山地建筑的常用结构可分为掉层、吊脚式和附崖等，其中掉层和吊脚式两种最为特殊，本文将重点研究的这两种结构形式。

图1 山地建筑与地形关系
Fig.1 Relationship between mountain building and topog-
raphy
掉层结构的接地类型可分为脱开式和连接式两大类。

何为脱开式呢，就是结构和边坡没有连接关系，边坡上设置了一个独立的支护结构，且上、下两个接地端都嵌固；另外上接地面和掉层部分间的拉梁设计与否，又可分为无拉梁和有拉梁两种情况。

连接式掉层结构的边坡挡墙类型，又分为无锚杆连接挡墙和有锚杆连接挡墙两种。

对于吊脚结构，接地的类型一般有完全架空型和半架空型两种。

还有如果是掉层和吊脚结构组合式的情况，则接地类型更为复杂。

受山地地形限制，山地建筑结构嵌固部位的选取应根据实际情况确定。

带地下室上有塔楼的山地建筑，往往几面有土是衡量结构嵌固的重要条件，当地下室只一面或两面有土时，地下室顶板不能作为结构嵌固部位，此时最佳的处理方式是设置独立支挡，使该面的土体与结构主体彻底脱开。

对于常规掉层、吊脚结构来说，底部属于不等高嵌固，计算结构高度时，当大多数竖向构件嵌固于上接地端时，掉层结构宜以上接地端起算，而吊脚结构一般保守取较低接地端起算；此外，因为不等高嵌固，易存在首层平面质心与刚心不重合情形，以及底部的结构抗侧刚度小于上层的结构抗侧刚度情形。

正由于山地建筑的复杂性和天生的“缺陷性”，因此在进行结构设计时，应尽量让建筑的平、立面形状保证一定的规则性，减少复杂程度，以及要充分保证上部结构嵌固的可靠性，并宜采取一定的措施，尽量使其嵌固有效性较大化。

2 山地建筑结构设计中隐含问题
山地建筑的各种特点使其在结构方面具有先天不足性，相比常规建筑的结构而言，必然导致在地震效应、风压等作用方面均存在较明显的不同，不同的接地接坡形式也会出现复杂的岩土侧压力和边坡稳定的问题。

（1）实际上位于山体侧向的侧风面，客观存在一定的加速效应，这种来自侧方向对风速的加速现象会对地形修正系数η取值中发挥主导作用，目前根据规范中无论迎风坡还是背风坡面的对应η值取用计算，可能使得基本风压偏小，进而导致结构计算安全系数偏低。

另外对于没有统一的室外地面的山地建筑来说，当基础嵌固端标高不同时，结构高度就不同，计算风荷载时的受风面高度也会不同，而且当以结构高度界定房屋高度时，执行结构规范中相对应的各种规定和限值指标可能也会有差异。

（2）有研究表明，局部突出的地形对地面震动呈放大效果，特别是坡顶的地震波振幅和反应谱尤其显著，因此坡顶及斜坡段上的建筑物的震害会比周围常规建筑物更严重。

而设计中对坡顶及斜坡段上地震效应的放大常重视不够。

对土质性山地建筑结构的研究还显示，当不等高嵌固的高差程度比较大时，需注意结构在不等高的接地端输入地震动时应有所区别。

否则当地震动放大到一定程度时，部分结构层在统一输入的时候可能会偏于不安全。

另外在静力弹塑性计算中，山地建筑结构主要有加载方式和推覆方向的问题，推覆方向又存在顺坡向和横坡向，目前关于在顺坡向的推覆分析表明：当采用相同加载方式时，不同推覆方向(自掉层侧或自接地侧)的计算结果会存在差异，即单一的加载方式不足以准确评价结构的抗震性能。

（3）山地结构设计中，有时还容易忽视场地的滑坡稳定性问题，这涉及到山地建筑安全的基本保证。

既要关注边坡的局部稳定，也要小心场地整体的稳定性。

山地建筑结构与边坡的相互作用既密切又复杂，抗震设防烈度越高时越明显，针对山地结构的边坡安全稳定性
分析，显示结构底部和基础部位在上部荷载和地震效应
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的作用下，对边坡的破坏与稳定均有一定的关系，因此设计当中决不能将二者孤立对待。

对坡地建筑场地进行稳定分析时，可以得出几个主要的影响因素为：建筑恒活载作用，土的天然应力，地动效应作用等，这几者当中建筑恒活载是不容忽视的作用，它会使边坡的侧向压力有变大的趋势。

遇到对岩质性边坡的支挡设计时，如它属于无外倾结构面的，则应注意附近建筑基础产生的不利影响作用，以保证锚杆的承载力。

另外，在地震动效应作用下，由于邻近建筑桩的存在，土质边坡的挡土墙还会受到附加的土动力，通常也容易忽略，可能会造成抗倾覆偏于不安全。

山地建筑结构与边坡相互关系示意，如图2所示。

图2 结构-桩-边坡
Fig. 2 Structure-pile-slope
3 山地建筑特定掉层和吊脚结构的设计思考
山地建筑具有诸多特殊性，因此设计人员应注意抓住结构的主要矛盾和次要矛盾，特别是对关键部位构件的结构特征要有清醒的、预见性的认识。

3.1 掉层、吊脚结构基础设计
由于地形复杂，地质条件多样，局部地形结构影响明显，对地震反应产生了深远的影响[2]，往往破坏形式比常规建筑更加敏感。

我们可以在上面结构的基础顶部上安装刚度较小、变形力大的隔震设置，以此将结构主体与地面隔开，从而减少接触面向上传播的地震能量，进而成功地减轻上面结构的震动。

地基基础的结构稳定性问题是我国山地地区建筑主体结构设计中的一个重要技术问题。

由于这些山地地形建筑通常位于斜坡地形上的特殊限制，大多数山地情况下建筑都会直接选择在一处斜坡或者是紧靠悬崖边坡的地方建设。

如此，一方面，这样一种构筑建造新的过程往往是不可避免的，需要不断改造新的地形；另一方面，
建筑的自身荷重往往会对边坡的坡体结构产生一种较大的附加应力，这种大的附加应力往往会对建筑地基基础的稳定情况产生直接性的影响，这时就非常需要对建筑地基基础的设计情况进行科学分析和综合计算，比如在这种连续坡地上采用接地式掉层架构的方法，可有效提高地基基础的稳定性，如图3所示。

图3 接地式掉层架构
Fig. 3 Grounded floor-dropping structure
此外在实际设计中，还常遇到如下情况：在同一座建筑中，虽然按承载力计算使用天然浅基础可以满足需求，但紧邻坡顶的第一排基础，采用浅基础的情况下不
能满足稳定性要求，还需加深或采用桩基。

对此问题定性的同时，又产生了一个新的问题：第一排的基础需要什么类型的桩基合适？此时应该分析坡体可能存在的最不利滑动面，所选桩型的施工应利于穿过滑动界面和能保证桩基一定的嵌固深度，同时桩身需具有较大的水平承载能力，以抵抗土体变形产生的水平剪力。

另外值得注意的是，有时紧邻坡顶的第一排基础，从稳定性上讲，需要使用桩基，但从总体稳定性上看，至少第一、第二排应共同使用桩基。

当同一结构单元中，基础类型及埋置的深度明显不同时，应充分考虑两种基础的沉降差带来的安全隐患，及时在基础梁和上部结构的关联部位中采取相应的措施。

例如，加强基础梁刚度，提高整体性能。

3.2 掉层、吊脚结构关键构件设计
掉层结构的接地构件受力较复杂，既是结构底部的薄弱处，也是关键的部位，设计时应重点关注，并结合计算结果进行必要的抗扭验算和采取一定的抗震延性措施。

当多数的接地构件处在上接地端时，还需加强掉层部分与上接地端的连接楼盖的刚度和配筋，以减小扭转的不利影响。

吊脚结构与坡道的关系比掉层结构更加紧密，边坡设计也更复杂，需要将建筑与边坡本身的稳定
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和结构动力的稳定度相结合，同时对影响边坡稳定和结构安全的地质及水文状况进行实际评估，并采取有针对性的措施进行综合评估[3]。

吊脚部分垂直构件的分布要尽量均匀，避免长短柱的共用数量较多，如果结构平面刚度相差较大，整体结构容易发生扭转，必然导致危险系数增加。

吊脚部与上部对应的部分要注意刚度比应满足要求，避免吊脚的部分形成薄弱，同时吊脚部分垂直构件的所受的剪力不能小于其上面相应的部位垂直构件所受的剪力。

为了进一步加强措施，一般在吊脚部应设置拉梁，消除可能在吊脚部的垂直结构上出现变形和倾斜的问题。

此外，由于吊脚结构坡顶接地柱的限制会对结构产生不利的影响，为减少扭转效应，可通过增强横向限制、提高垂直限制等方式，达到改善刚度的不平衡问题。

4 山地建筑结构设计的启示
山地建筑结构具有先天不规则性，也与边坡有密切的相互作用，因此设计过程中始终保持概念清晰很重要。

通过上文的分析与思考，还得到了以下一些有益的启示：（1）山地建筑结构的计算常常假定每一个接地端都是嵌固的，设计时必须采取有效的措施，尽量减少对边坡产生不良影响，确保边坡稳定和严格的变形。

（2）山地建筑设计中，需要认真对待地震效应以及风荷载作用这两个敏感因子的影响，尤其地震作用力应结合地形情况适当放大，这是规范强条，不能遗漏。

此外，在设计时要注意基础顶嵌固的有效性和基础的整体稳定性，还要严格控制好以下两个方面：①验算基础抗滑移性。

抗滑移是多种力的综合性贡献，其中包括基底下地面的摩擦力和地下室侧壁摩擦力等，验算时，应根据土质条件和参数，正确使用公式，确保抗滑移的安全性。

②验算抗倾覆能力。

其要点在于对基础底部零应力区的限制，即限制基础的偏心距，从而保证建筑的抗倾覆能力
（3）山地建筑基本上存在一定程度的结构扭转问题，而结构平面几何模型却有时难以真实反应出结构实际的扭变问题，因此要设法采取减少结构扭变的措施，并针对上接地柱、掉层和吊脚部分的抗震等级提高一级设计，以提高抗震延性。

（4）山坡地貌场地存在大范围较厚填土时，优先采用大直径灌注桩，当无法采用桩基时，可进行强夯法或复合地基处理，但注意地基加固处理后，要尽量采用整体性好，刚度大，对地基变形不敏感的基础形式，如交叉条形基础，筏板基础等，以应对场地土体位移带来的危害。

（5）遇到复杂的山地项目时，建筑设计机构可以和岩土勘察公司有机地组织起来，共同对建筑场地进行评估、治理，寻求最大程度的总体合理。

根据在岩土勘察报告中对原场地的稳定性作出的评价，以此为建筑方案的重要条件，对竖向建筑设计初步制定的场地平整方案，进行优化竖向设计。

（6）在山地工程项目中，一个安全可靠的边坡支护对建筑结构的基础稳固性起到保驾护航的作用。

因此结构专业应尽早介入，对边坡支护的结构方案形成预判，建筑专业在规划方案阶段也应结合场地，将可能存在的高大边坡的情况及时反馈给结构专业。

对于高边坡，应做到能卸载放坡就尽量少采用挡土，能退台分级就尽量别做高大性支挡。

选择支护形式时，要综合考虑地质资料、边坡高度、周边环境、经济合理等因素，做好施工技术可行性分析，保证支护方案能够顺利执行。

5 结束语
山地建筑是结构设计当中较为常见的类型，但目前在结构抗震设计理论上和对各种边坡类型的地震响应本质性规律的分析还不全面和成熟，对于越来越复杂的山地建筑来说，当前成果仍然需进一步加强对山地结构的受力机制及相关抗震措施的研究，继续完善山地建筑的抗震设计理论和方法，为今后山地项目更加合理的结构设计奠定基础。

笔者仅通过以上的思考与启示，希望有助于读者了解山地建筑结构的特殊性，为一线的结构工程师提供一些有用的设计参考价值。

参考文献
[1]杨佑发,刘议蓬,梁婷.山地掉层框架-摇摆墙结构抗震性能研究[J].建筑结构学报,2020,41(S1):210-220.
[2]刘佳.山地高层建筑结构设计探讨[J].建筑结构,2020,50(S1):92-96.
[3]杨佑发,肖淳,谭曦.主余震作用下山地掉层框架结构的易损性分析[J].地震工程学报,2020,42(02):290-298.作者简介
童军辉（1976——），男，汉族，江西鹰潭市人，大学本科学历，一级注册结构工程师，主要从事建筑结构设计相关工作。