低烈度地區風控高層住宅設計管控要點

楊 琿 （安徽五維建筑規劃設計有限公司，安徽 合肥 230001）

1 工程概況

亳州玉暉公館項目位于安徽省亳州市嵇康路與百合路交口東北角。項目總用地面積約15.6萬m2，總建筑面積約38.6萬m2。由多棟17～32層高層住宅、多棟2層的社區配套用房及商業、幼兒園組成。

根據《建筑抗震設計規范》，亳州地區地震烈度為七度，基本風壓0.45kPa。對一般高層住宅而言為典型的風荷載剛度控制。嚴格采用集團標準化戶型后，雖獲得較好的建筑平面布置，市場反應良好，但就結構專業而言，其剪力墻布置、梁板布置并不合理。也導致單方土建成本偏高，且優化空間有限。

圖1 亳州玉暉公館鳥瞰圖

2 高層建筑風控因素分析

結構設計過程中，把握結構體系的特點，分析各類荷載工況，力求承載力和剛度都得到相對合理、相對均質的利用是至關重要的。通常剛度發揮接近極限，而承載力富余量很大，則表明結構體系的選擇和利用可能并不合理，勢必造成不必要的浪費，反之亦然，因此需要通過一些技術手段來適當調整不合理的指標。

2.1 低烈度高風壓

在大量的低烈度地區，地震作用相對較小，單純從抗震設計角度通常情況下滿足軸壓比等限制后，地震下的變形要求很容易滿足。一旦風荷載較大時，結構的變形就會受到風荷載控制，有時甚至可以達到中震水平，為此不得不增加額外的抗側力構件來滿足風荷載作用下的剛度需求。

2.2 周邊環境

風荷載大小受場地影響非常顯著，對于空曠地區風通常直接作用于建筑物表面，而當場地周邊一定范圍內存在高大建筑物時，對風荷載有明顯的減緩，風剖面也會發生明顯變化。根據《荷載規范》8.2.1條規定，A～D類場地，風荷載相差一倍有余。

2.3 高層建筑的高寬比

控制高層建筑的高寬比，是對結構剛度、整體穩定、承載能力和經濟合理性的宏觀控制。下式為等剛度、倒三角荷載作用下、不計剪切變形頂點位移計算公式。可見在倒三角形水平風荷載作用下，其頂點水平位移與建筑高度的四次方成正比，而剛度作為分母，當墻肢沒有足夠的長度時，剛度呈三次方下降。該描述不具有實際工程計算的意義，但可說明高寬比對風荷載變形影響的重要性。

式中：q—倒三角形分布水平荷載的頂點集度；

H—結構總高度

EJd—結構總彈性側移剛度

2.4 建筑體型

風荷載的體型系數是計算風荷載大小的一個重要參數，它描述的是建筑物表面在穩定風壓作用下的靜態壓力的分布規律，主要與建筑物的體型和尺度有關。高層建筑豎向體型宜均勻、規則布置，盡量避免過大的外挑和內收。調整建筑平面布置不合理及凹凸不規則等，可以有效的減小風荷載。

3 結構設計中的管控要點

結構成本占到整個建安成本的三分之一以上，是成本的重要組成部分，但結構成本并不同于建筑外立面、室內、景觀等專業可以通過簡配來節省成本，涉及安全底線必要的成本必須保障。結構體系的合理性、荷載選擇的合理性、正確認識正常使用極限狀態和承載能力極限狀態，都將在保證安全的前提下合理的節約成本。就優化而言，施工圖階段的優化多數為行業俗稱的“摳鋼筋”，有數據表明，優化設計約七成的優化成果是出在方案階段，而“摳鋼筋”僅占三成不到，且此類做法設計院抗性極大。因此，通過設計前置、加強管控是設計管理過程中的重要原則。

3.1 控制高寬比

結合亳州玉暉公館項目，從計算分析角度進行高層建筑風荷載與地震作用的比較研究，選取了總基底剪力與彎矩和各層間位移進行對比分析得出以下結論。

①在結構高度不變的情況下，隨著高寬比的增加，風荷載將逐漸起控制作用。在其他條件相同的情況下，輕柔建筑的臨界高寬比小于剛度較大的高層建筑。

②調整方案的高寬比并不容易，宜盡量爭取，前文提到變形與高寬比之間的關系并非線性，適當減少一點高寬比將對經濟性產生顯著影響，比如降低兩層高度，面積在其他地方適當補償。

③地下部分在計算風致層間位移角時，計算模型中建議不帶入地下室模型，位移角在正負零位置為純轉動，計入并無實際意義，徒增上部結構的無害位移角。項目案例表明，帶一層地下室時位移角約增加5%～8%，而要通過剛度調整可能需要增加大量墻肢。

圖2 亳州玉暉公館側立面

3.2 優化建筑體型

荷載規范第8.1.1條，風荷載的體型系數是計算風荷載大小的一個重要參數，它描述的是建筑物表面的穩定風壓作用下的靜態壓力的分布規律，主要與建筑物的體型和尺度有關。根據大量的風洞試驗，求出各種模型的體型系數，從而定出有關風載體型系數中的一些規律性。如迎風墻面、墻高與墻長之比越大，風體型系數越大；順風山墻和背風墻面，當房屋寬度與高度之比越大，風載體形系數越小。又如空曠地面封閉式建筑，迎風垂直面風載體型系數為正，背風垂直面為負，順風側立面(山墻)為負等等。

以亳州玉暉公館項為例，結構專業積極深入建筑方案階段，通過調整陽臺、設備平臺的進深，減小外輪廓凸起和凹入的尺寸從而降低風壓渦流的影響，最終達到風荷載效應的目的。

圖3 玉暉公館建筑平面

3.3 地面粗糙度選擇

除了風荷載體型系數之外，還可以通過靈活選取風壓高度變化系數來達到減小風荷載的目的。荷載規范第8.2.1條，地面粗糙度直接決定了風壓高度變化系數的取值。對于百米的高層建筑，A類場地是D類的2.14倍，也就是說風荷載的大小差了2倍多。對于風控高層建筑來說，這是一個不可忽視的因素。

亳州屬于四線城市，經濟發展水平相對落后，建筑物相對稀疏和低矮。設計院在設計此類項目時，往往偏于保守的選擇C類甚至是B類，這就造成了剪力墻布置的極大浪費，加大了模型整體參數調整的難度。荷載規范的條文說明里明確規定，可以通過擬建建筑2km為半徑的迎風半圓影響范圍內的建筑高度和密集度來區分粗糙度類別。影響范圍內不同高度的面域可按下述原則確定，即每座建筑物向外延伸距離為其高度的面域內為該高度，當不同高度的面域相交時，交疊部分的高度取大者。以半圓影響范圍內建筑的平均高度h來劃分地面粗糙度類別，當 h≥18m，為 D類；9m＜h＜18m，為 C 類；h≤9m，為 B 類。由此，通過精細化選擇地面粗糙度類別來減小水平向風荷載，從而達到優化風控高層建筑的剪力墻布置的目的。

亳州項目玉暉公館項目，場地現場觀察，周邊建筑物不多，較為符合B類特征，但根據政府提供的城南新區城市規劃圖，周邊2km在建項目較多，或者已經完成土地出讓，或者在建，也有已經建成投入使用，經統計，符合荷載規范附錄部分的C類場地標準，極大的減小了風荷載。

圖4 亳州規劃圖兩公里范圍線