淺探房屋建筑的結構概念設計

林鳳欽

隨著建筑業日新月異的發展,房屋建筑設計的要求也更復雜,建設方往往會要求有獨特的平面布置、新穎的立面造型,同時又要求低的工程造價;而建筑師本身也會標新立異,追求個性,這本并不是壞事,但有些建筑師因為對結構及設備了解不多,尤其是有些無結構、設備配合,只做方案的建筑師,造成后期結構難以布置或不合理、違反設計規范,以致施工圖無法實施,或不合理產生的浪費,給建設方造成經濟損失。本文根據規范對建筑師應了解的結構設計抗震規范做一些探討,便于建筑與結構密切配合,提高設計效率,節約造價,更好更快地設計出精品,為社會服務。

1 場地選擇的問題

根據GB 50011-2001建筑抗震設計規范(2008版)(以下簡稱《抗規》)3.3.1條對抗震有利、不利和危險地段的綜合評價,3.3.5條山區建筑場地,4.1.1條有利、不利和危險地段的劃分,4.1.8條不利地段抗震加強措施的規定,工程項目選址應考慮從地形地貌上盡可能避開非巖質的陡坡、高聳的山丘、河岸和邊坡的邊緣等不利地段;從場地條件上要盡量避開飽和砂層、軟弱土層、液化土、軟弱不均土層等;如無法避開,則應采取工程措施處理。選擇位于開闊平坦地帶的堅硬場地土或密實均勻中硬場地土,對建筑抗震有利的地段。工程項目的選址還要同時符合當地的總體規劃和防災專項規劃的要求,不擠占應急疏散、避難場所用地。曾經有見過在懸崖邊緣或跨越10多米高的邊坡上布置建筑的總平方案,這就是對結構和地質不了解才產生的問題,何況有時邊坡支護的費用可能遠大于邊坡上建筑物的單體造價。

2 結構高寬比的問題

根據JGJ 3-2002高層建筑混凝土結構技術規程(以下簡稱《高規》)4.2.3條規定,鋼筋混凝土高層建筑結構的高寬比:在6度、7度抗震設防烈度時,A級高度的框架、板柱—剪力墻不宜超過4,框架—剪力墻不宜超過5,剪力墻不宜超過6;B級高度不宜超過7。只有合理的結構平面進深,才能取得良好的經濟效益和抗震性能,但有些建筑設計人員在近100 m高的住宅建筑方案中,平面中只有11 m～12 m的進深,結構的高寬比達到9還多,多層的平面用在高層,嚴重違規,結構的層間位移比根本無法控制,結構不可行,不得不重新設計總體方案,浪費了時間和精力。

3 結構平面布置的問題

根據《抗規》3.4.1條規定,建筑設計應符合抗震概念設計的要求,不應采用嚴重不規則的設計方案,這對高層建筑尤為重要,《高規》4.1.2,4.1.3條對此作出了原則規定,4.3.5,4.3.6條更作出了定量的規定。

建筑物的平面布置在建筑設計中是十分重要的部分,它直接反映建筑的使用功能和要求。柱子的距離、墻體的布置、通道和樓電梯的位置、房間的數量和布置等,都要在建筑的平面布置圖上明確下來。而且,由于建筑使用功能不同,每個樓層的布置有可能差異很大,建筑平面上的墻體,包括外圍填充墻、內隔墻、有相應強度和剛度的非承重內隔墻等等布置不對稱,墻體和柱子分布的不對稱、不協調,使建筑物在地震時產生扭轉,對抗震很不利。

目前設計中常出現的“細腰建筑”就是典型的平面不規則建筑,該型建筑用在低層和多層問題不大,但用在高層問題就多了。“細腰建筑”雖然建筑使用功能較好,但對結構抗震卻非常不利,且在“細腰”處設置疏散樓梯間,當發生災害時,此“細腰”或與“細腰”連接的廊道一旦破壞,后果極為嚴重。因此,高層建筑設計應嚴格遵守《抗規》《高規》有關平面布置要求的規定,特別是核心筒周圍應布置足夠寬度的樓板,筒周邊墻體特別是疏散樓梯間墻體不應對外臨空。高層建筑中“細腰建筑”等平面特別不規則結構屬“超限”高層結構,如一定要采用時應通過“超限高層結構”工程抗震設防專項審查后方能采用。

震害表明,許多平面外形復雜,如平面上的外凸和凹進、側翼的過多伸懸、不對稱的側翼布置等在地震中都遭到了不同程度的破壞。9?12中國臺灣、5?12汶川地震就有不少這樣的震例。平面外形簡單規則的建筑在地震中未出現較重的破壞,有的甚至保持完好無損。因此,在建筑體形的設計中,應盡可能地使平面和空間的外形簡潔、規則;在平面外形上,矩形、圓形、扇形、方形等對抗震來說都是較好的體形。盡可能少做外凸和內凹的體形,盡可能少做不對稱的側翼和過長的伸翼。在體形布置上盡可能使建筑結構的質量和剛度比較均勻地分布,避免產生因體形不對稱導致質量和剛度不對稱的扭轉反應。圖1為我國臺灣地震中高層建筑平面不規則扭轉破壞。

在國內外的大地震中,由于防震縫設置不當,使相鄰建筑物碰撞而產生震害的情況也是不少的,這是由于在相鄰建筑單元之間,防震縫的寬度留得不夠,導致建筑物碰撞,造成震害。另外,地震區建筑物的沉降縫,溫度縫必然兼起防震縫的作用,但是,若縫的處理不當,也會造成震害。

4 結構豎向布置的問題

《高程》4.4.1條對高層建筑的豎向的體形,4.4.2條對抗震設計的高層建筑相鄰樓層的剛度,4.4.4條對結構豎向抗側力構件上下連續性均有明確的規定。

建筑的豎向布置設計的問題在建筑設計中主要反映在建筑沿高度(樓層)結構的質量和剛度分布設計上。存在的這個問題主要是,由于建筑使用功能的不同要求,如底層或下面幾層是商場、購物中心,建筑上要求是大柱距、大空間;上面的樓層則是開間較大的寫字樓或布置多樣化的公寓樓,低層設柱、墻很少,而上面則是以墻為主,柱很少。造成沿上下相鄰樓層的質量和剛度相差過大,形成突變。在剛度最差的樓層形成對抗震極為不利的抗震承載力不足和變形很大的薄弱層,在建筑設計中必須高度重視。

目前常見因層高突然變化(所謂“挑高”),或在某層抽掉柱子形成空曠(所謂“挑空”),或為追求大開間無梁無柱或錯層等均導致結構豎向不規則,剛度和強度突變。此類建筑在地震中破壞最為嚴重,而且破壞多集中在這些薄弱部位。圖2為汶川地震中某錯層框架結構剛度突變破壞。

以上震害實例分析證明合理的建筑布置在抗震設計中是頭等重要的,提倡平、立面簡單對稱。簡單、對稱的結構容易估計其地震時的反應,也容易采取抗震構造措施和進行細部處理。

5 結構體系布置的問題

《抗規》3.5.3條對結構體系提出了多道抗震防線的要求,對于在大震作用下結構抗倒塌具有重要意義。一個抗震結構體系應由若干個延性較好的分體系組成,并由延性較好的結構構件連接協同工作。在這次汶川大地震中,抗震性能較好的鋼筋混凝土結構有倒塌的,而抗震相對較差的砌體卻也有裂而不倒的,甚至個別私人建造的磚木結構的住宅都完好無損;同一地點,同是砌體教學樓,有的損壞嚴重,甚至倒塌,有的卻表現良好,這就是多道抗震防線起了作用。一般高層建筑結構可根據房屋高度和高寬比、抗震設防類別、抗震設防烈度因素選擇結構體系。根據建筑功能的不同而有所不同,常規如一般的商場、車站、展覽館、餐廳、停車庫等多層房屋用多跨框架結構較多;高層住宅、公寓、賓館等用剪力墻結構較多;酒店、寫字樓、教學樓、科研樓、病房樓等以及綜合性公共建筑用框架—剪力墻結構、框架—核心筒結構較多,同時還應注意規范的限值,圖3為因結構體系的不合理在地震中倒塌的辦公樓。

6 結構構件的問題

結構構件布置應遵守“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件、強底層柱(墻)”的原則。對可能造成結構的相對薄弱部位,應采取措施提高抗震能力。承受豎向荷載的主要構件不宜作為主要耗能構件。建筑應有梁筋錨固長度的概念,避免一字剪力墻,墻柱頭一般為墻厚的2倍,為了保證梁筋的錨固長度,至少需要300 mm～400 mm的剪力墻長或厚度。此類問題不可忽視,否則容易產生走道或樓梯寬度不足的問題或客廳當中露角。應注意盡量避免短柱,柱邊不布門窗,否則常為短柱,短柱箍筋須全長加密,造價增高且抗震不利,圖4為汶川地震中短柱的破壞情況。作為生命安全通道的樓梯間不宜設置在房屋的端部或轉角處,不宜設置凸出建筑物的轉角圓形樓梯間,更應禁止采用純懸挑結構的樓梯間,這些都是宜引起地震時集中變形破壞的地方。過高、過重的大屋頂,加大了變形,對建筑物抗震更不利。盡量不做或少做地震時容易倒塌、脫落的建筑附屬物。

7 結語

總的來說,建筑設計是建筑抗震設計的一個重要方面,建筑設計和建筑抗震設計有著密切關系。它對建筑抗震起著重要的基礎功能作用。一個優良的建筑抗震設計,必須是在建筑設計和結構設計相互配合協作共同考慮抗震的設計基礎上完成。為此,要充分重視建筑設計在建筑抗震設計中的重要性,在建筑抗震設計中更好地發揮建筑設計應有的功能。

[1] GB 50011-2001,建筑抗震設計規范[S].

[2] JGJ 3-2002,高層建筑混凝土結構技術規程[S].

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