有關建筑結構平面規則性的若干問題討論

趙仕興， 楊姝姮， 陳 可

(1 四川省建筑設計研究院有限公司， 成都 610017； 2 四川省建筑設計研究院有限公司復雜結構設計研究中心， 成都 610017；3 成都惟尚建筑設計有限公司， 成都 610017)

0 前言

歷次大地震震害表明，體型規則的建筑震害相對較輕，能夠更有效地保護人民的生命財產安全。

1978年，在總結海城地震、唐山地震經驗和教訓的基礎上，住房和城鄉建設部頒布了我國第一本建筑抗震設計規范《工業與民用建筑抗震設計規范》(TJ 11—78)[1](簡稱78版抗規)。之后歷經多次修訂，主要形成《建筑抗震設計規范》(GBJ 11-89)[2](簡稱89版抗規)、《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2001)[3](簡稱2001版抗規)和《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)[4](簡稱2010版抗規)。各版規范均把對建筑的規則性要求納入正式條文，并做出了很多具體規定和限制。

(1)78版抗規

第4條第四款：力求建筑物體型簡單，重量、剛度對稱和均勻分布，避免立面、平面上的突然變化和不規則形狀。

(2)89版抗規

2.2.1條：建筑平、立面布置宜規則、對稱，建筑的質量分布和剛度變化均勻，樓層不宜錯層。

6.1.4條:1)平面局部突出部分的長度不大于其寬度，且不大于該方向總長的30%；2)立面收進的尺寸不大于該方向總尺寸的25%；3)樓層剛度不小于相鄰上層的70%，且連續三層總剛度降低不超過50%；4)房屋平面內質量分布和抗側力構件布置基本均勻對稱。

(3)2001版抗規

規則性單獨成節，對平面和豎向規則性做了系統規定，在平面不規則中增加了扭轉不規則、樓板不連續的規定，豎向不規則中增加了樓層承載力突變，并對不規則結構的計算分析做出了規定。同時，在抗震規范里首次提出了位移比的概念。

(4)2010版抗規

與2001版抗規中的要求基本一致，但對不規則結構的計算做出了更細化的規定。

78版抗規只有少量的定性要求，89版抗規從平面、豎向的尺寸開始做出規定，并對豎向剛度比做出了規定。從2001版抗規開始，關于規則性的規定更加系統，除定性要求外，增加了大量定量要求，并對不規則結構的抗震計算分析做出了明確的規定。

隨著我國對于建筑的規則性認識越來越深入，建筑的復雜程度越來越高，對于抗震技術的要求也越來越高。從歷次大地震的經驗來看，合理的建筑體型和結構布置是保證建筑抗震性能的基礎。

由于規范的抗震措施、抗震超限的判斷和建筑的規則性相關，所以建筑的規則性判斷是抗震設計的前提，也是抗震概念設計的的重要內容。

建筑的規則性包括平面規則性和豎向規則性。其中，豎向規則性的判斷較為客觀，工程師們基本都可得到相同的判斷結果。但對于平面規則性判斷，因建筑的造型和平面布置趨于復雜，面對同一個項目，往往不同工程師會有不同的判斷結果，在實際工作中也會有很大的分歧。結合多年工作經驗，針對建筑結構平面規則性判斷等具體問題，筆者給出了自己的看法。

1 建筑結構平面規則性相關內容

1.1 結構平面

建筑的平面規則性判斷均是基于結構平面進行判斷。對于各種各樣建筑平面特別是復雜平面，如何確定結構平面是判斷規則性的前提。

一個完整的結構體系，一般由豎向構件(柱、剪力墻、支撐等)和能夠對豎向構件提供有效約束的水平構件(梁、板等)組成，水平構件的投影外邊界線圍合成結構平面。

一般情況下，結構平面指豎向抗側力構件圍合成的平面。但多數情況下，豎向抗側力構件以外還有樓蓋，當這部分樓蓋對結構的整體性和水平剛度有貢獻時(圖1)，則結構平面可算至樓蓋的外邊緣。

圖1 抗側力構件以外樓蓋對建筑結構整體性和水平剛度有貢獻示例

圖2 建筑結構有多個代表性結構平面示例

若一棟建筑體型沿豎向有變化，則平面也會有變化，確定該建筑的結構平面規則性時，一般以最具有代表性的平面作為結構平面。若多個平面均有代表性(圖2)，可以認為該建筑有多個結構平面，對每個結構平面均應進行規則性判斷。

圖3 按樓板開洞考慮的深凹口平面

特別要注意的是，對于深凹口平面，即使在凹口處設置拉梁或者拉板，當平面剛度不足時，拉板和凹型平面形成的整體平面不符合平面剛性樓板假定，結構平面應算至凹口內，仍為凹進平面。實際操作時，如果該處設置的拉板寬度不小于2m，且凹口寬度與拉板寬度之比不大于4，結構平面可以算至拉板外側，可按樓板開洞考慮(圖3)，該處的拉板也可采用平面剛度等效的寬扁梁代替，連梁或者拉板應按拉彎、壓彎構件設計。

1.2 凹凸不規則和樓板不連續

凹凸不規則和樓板不連續都是樓板寬度或者平面剛度的變化所導致的平面不規則，有時容易混淆，同一個平面，有人界定為凹凸不規則，有人界定為樓板不連續，可能會給平面規則性判斷帶來不一樣的結果。

圖4 凹凸不規則

圖5 樓板不連續

一般來說，凹凸不規則是從結構平面的輪廓線判斷，是結構平面的外形問題，而樓板不連續是結構平面的內部問題，如圖4為凹凸不規則，圖5為樓板不連續。

1.3 樓板的有效寬度

在住宅設計中經常會遇到這樣的情況：有些位置樓蓋寬度較小，該處卻又有大量的樓、電梯間等洞口。若計算樓板的有效寬度時扣除這些洞口，則會出現有效寬度過小而違反規范要求的情況。若不扣除，從道理上又說不過去。

在進行平面規則性判斷時，為了便于操作，往往只考慮結構的水平截面方向。事實上，任何一個房屋結構都是三維的，都是空間受力結構體系。對于該類樓、電梯間圍合的情況，如果洞口周圍都有抗震墻，即使水平開洞，該處的整體結構剛度依然較大，可以有效傳遞水平地震作用。

因此，如果樓板開洞的四周由鋼筋混凝土整體墻、小開口墻或者聯肢墻圍合，甚至是深梁密柱，都可以認為圍合較好，計算樓板的有效寬度時可按照不扣除洞口考慮。

1.4 凹凸不規則和組合平面

在2010版抗規中無組合平面的說法。在《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3—2010)[5]中提到了細腰形和角部重疊平面。在《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》(建質〔2015〕67號)[6]中提到了組合平面，并明確包含細腰形和角部重疊平面。凹凸不規則平面和組合平面都屬于復雜的結構平面。

凹凸不規則：平面凹凸的尺寸大于相應投影方向總尺寸的30%(2010版抗規)。

凹凸不規則是基于一個主體平面基礎上的凹凸，所以，判斷凹凸不規則時，首先確定結構的主體平面，以主體平面以外的凹凸肢進行凹凸不規則判定。圖6為T形平面的判斷。

圖6 T形平面示例

組合平面：一個復雜結構平面由幾個主體平面組合而成，包括細腰形和角部重疊平面。

工字形平面：中部兩側凹進，其寬度小于兩側寬度的結構平面，形狀類似“工”字。

細腰形平面：中部兩側凹進，其寬度明顯小于兩側寬度的結構平面，是工字形平面的特例，也可以認為是兩個主體平面通過中部連接體組合而成的平面。

圖7 細腰形平面

對于細腰形平面，當連接體兩端翼緣寬度不同時，采用連接體寬度和窄翼緣寬度之比進行控制(圖7)。打個比方，人體的頭部和軀干通過脖子相連，只要脖子的直徑和頭部寬度達到一定比例，把頭和軀干連接在一起，就可以充分支撐頭部的重量。脖子粗細是相對于頭而言，而不是和肩部寬度相比。

角部重疊平面：由矩形平面、圓形平面等主體平面在角部重疊組成的結構平面(圖8)。

圖8 角部重疊平面

角部重疊其實是細腰形的特例，可以認為該處細腰的長度為0，本質是兩個主體平面的連接問題。因此，控制角部重疊平面本質上是控制連接處的寬度(即細腰的寬度)，即連接處兩側連線的長度。部分資料采用重疊部分面積比進行控制過于復雜，有些情況下也不盡合理。為操作方便，《四川省抗震設防超限高層建筑工程界定標準》(DB51/T 5058—2020)[7]按照水平和垂直方向重疊長度分別控制，重疊部分的長度均小于較小平面相應方向邊長的50%時才視為角部重疊。

1.5 環形平面、口字形平面

在教學樓、辦公樓、宿舍中經常出現這樣的建筑平面：周邊圍合、中部開孔，此為環形平面，或者口字形平面。在結構設計中，很多時候直接按照2010版抗規中樓板不連續進行判斷：即剩余樓板寬度小于總寬度的50%或者開洞面積大于結構平面面積的30%。

該類建筑雖然中間開孔較大，但是樓蓋的實際剛度較好，可以有效地傳遞和分配水平力，優于常規的樓板不連續情況，因此可以放寬限制。但是，有的資料完全不限制該類洞口尺寸也是不合理的。

實際操作中可以綜合考慮開洞率、樓板有效寬度和洞口每側樓板的長寬比進行控制。《四川省抗震設防超限高層建筑工程界定標準》(DB51/T 5058—2020)借鑒了《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3—2010)中框架-剪力墻結構對樓蓋的長寬比進行限制的思路，規定開洞一側樓蓋的長寬比大于3或者內徑大于外徑的60%，界定為樓板不連續，相比2010版抗規的開洞率放寬20%左右(圖9、圖10)。

圖9 口字形平面

圖10 環形平面

2 結語

平面不規則性的正確判斷，是抗震設計的重要內容，是采取諸多抗震措施和抗震超限判斷的前提和依據。

由于現在建筑的造型和平面布置越來越復雜，結構平面規則性的判斷在實際工作中常常給結構工程師造成困擾。有時，一個復雜平面很難界定為哪一類型平面不規則，因此需要從多維度判斷，取不利結果。如圖8(d)中的圖形，貌似工字形、T形、Y形，或者常規的局部凸出型。但從樓蓋的整體性角度出發判斷，這個平面其實是三個主體平面的連接，角部重疊、凸出長度和連接寬度之比和連接處樓板有效寬度是否足夠才是這個平面的核心問題。

總的來說，平面不規則問題，本質上是樓蓋的平面內剛度是否足夠、分塊樓板之間連接是否可靠有效的問題，因此，結構工程師應從這個原則出發，合理、正確判斷結構平面的規則性，采取相應結構措施，以保證結構的安全性。