浅探房屋建筑的结构概念设计

林凤钦

随着建筑业日新月异的发展,房屋建筑设计的要求也更复杂,建设方往往会要求有独特的平面布置、新颖的立面造型,同时又要求低的工程造价;而建筑师本身也会标新立异,追求个性,这本并不是坏事,但有些建筑师因为对结构及设备了解不多,尤其是有些无结构、设备配合,只做方案的建筑师,造成后期结构难以布置或不合理、违反设计规范,以致施工图无法实施,或不合理产生的浪费,给建设方造成经济损失。本文根据规范对建筑师应了解的结构设计抗震规范做一些探讨,便于建筑与结构密切配合,提高设计效率,节约造价,更好更快地设计出精品,为社会服务。

1 场地选择的问题

根据GB 50011-2001建筑抗震设计规范(2008版)(以下简称《抗规》)3.3.1条对抗震有利、不利和危险地段的综合评价,3.3.5条山区建筑场地,4.1.1条有利、不利和危险地段的划分,4.1.8条不利地段抗震加强措施的规定,工程项目选址应考虑从地形地貌上尽可能避开非岩质的陡坡、高耸的山丘、河岸和边坡的边缘等不利地段;从场地条件上要尽量避开饱和砂层、软弱土层、液化土、软弱不均土层等;如无法避开,则应采取工程措施处理。选择位于开阔平坦地带的坚硬场地土或密实均匀中硬场地土,对建筑抗震有利的地段。工程项目的选址还要同时符合当地的总体规划和防灾专项规划的要求,不挤占应急疏散、避难场所用地。曾经有见过在悬崖边缘或跨越10多米高的边坡上布置建筑的总平方案,这就是对结构和地质不了解才产生的问题,何况有时边坡支护的费用可能远大于边坡上建筑物的单体造价。

2 结构高宽比的问题

根据JGJ 3-2002高层建筑混凝土结构技术规程(以下简称《高规》)4.2.3条规定,钢筋混凝土高层建筑结构的高宽比:在6度、7度抗震设防烈度时,A级高度的框架、板柱—剪力墙不宜超过4,框架—剪力墙不宜超过5,剪力墙不宜超过6;B级高度不宜超过7。只有合理的结构平面进深,才能取得良好的经济效益和抗震性能,但有些建筑设计人员在近100 m高的住宅建筑方案中,平面中只有11 m～12 m的进深,结构的高宽比达到9还多,多层的平面用在高层,严重违规,结构的层间位移比根本无法控制,结构不可行,不得不重新设计总体方案,浪费了时间和精力。

3 结构平面布置的问题

根据《抗规》3.4.1条规定,建筑设计应符合抗震概念设计的要求,不应采用严重不规则的设计方案,这对高层建筑尤为重要,《高规》4.1.2,4.1.3条对此作出了原则规定,4.3.5,4.3.6条更作出了定量的规定。

建筑物的平面布置在建筑设计中是十分重要的部分,它直接反映建筑的使用功能和要求。柱子的距离、墙体的布置、通道和楼电梯的位置、房间的数量和布置等,都要在建筑的平面布置图上明确下来。而且,由于建筑使用功能不同,每个楼层的布置有可能差异很大,建筑平面上的墙体,包括外围填充墙、内隔墙、有相应强度和刚度的非承重内隔墙等等布置不对称,墙体和柱子分布的不对称、不协调,使建筑物在地震时产生扭转,对抗震很不利。

目前设计中常出现的“细腰建筑”就是典型的平面不规则建筑,该型建筑用在低层和多层问题不大,但用在高层问题就多了。“细腰建筑”虽然建筑使用功能较好,但对结构抗震却非常不利,且在“细腰”处设置疏散楼梯间,当发生灾害时,此“细腰”或与“细腰”连接的廊道一旦破坏,后果极为严重。因此,高层建筑设计应严格遵守《抗规》《高规》有关平面布置要求的规定,特别是核心筒周围应布置足够宽度的楼板,筒周边墙体特别是疏散楼梯间墙体不应对外临空。高层建筑中“细腰建筑”等平面特别不规则结构属“超限”高层结构,如一定要采用时应通过“超限高层结构”工程抗震设防专项审查后方能采用。

震害表明,许多平面外形复杂,如平面上的外凸和凹进、侧翼的过多伸悬、不对称的侧翼布置等在地震中都遭到了不同程度的破坏。9◦12中国台湾、5◦12汶川地震就有不少这样的震例。平面外形简单规则的建筑在地震中未出现较重的破坏,有的甚至保持完好无损。因此,在建筑体形的设计中,应尽可能地使平面和空间的外形简洁、规则;在平面外形上,矩形、圆形、扇形、方形等对抗震来说都是较好的体形。尽可能少做外凸和内凹的体形,尽可能少做不对称的侧翼和过长的伸翼。在体形布置上尽可能使建筑结构的质量和刚度比较均匀地分布,避免产生因体形不对称导致质量和刚度不对称的扭转反应。图1为我国台湾地震中高层建筑平面不规则扭转破坏。

在国内外的大地震中,由于防震缝设置不当,使相邻建筑物碰撞而产生震害的情况也是不少的,这是由于在相邻建筑单元之间,防震缝的宽度留得不够,导致建筑物碰撞,造成震害。另外,地震区建筑物的沉降缝,温度缝必然兼起防震缝的作用,但是,若缝的处理不当,也会造成震害。

4 结构竖向布置的问题

《高程》4.4.1条对高层建筑的竖向的体形,4.4.2条对抗震设计的高层建筑相邻楼层的刚度,4.4.4条对结构竖向抗侧力构件上下连续性均有明确的规定。

建筑的竖向布置设计的问题在建筑设计中主要反映在建筑沿高度(楼层)结构的质量和刚度分布设计上。存在的这个问题主要是,由于建筑使用功能的不同要求,如底层或下面几层是商场、购物中心,建筑上要求是大柱距、大空间;上面的楼层则是开间较大的写字楼或布置多样化的公寓楼,低层设柱、墙很少,而上面则是以墙为主,柱很少。造成沿上下相邻楼层的质量和刚度相差过大,形成突变。在刚度最差的楼层形成对抗震极为不利的抗震承载力不足和变形很大的薄弱层,在建筑设计中必须高度重视。

目前常见因层高突然变化(所谓“挑高”),或在某层抽掉柱子形成空旷(所谓“挑空”),或为追求大开间无梁无柱或错层等均导致结构竖向不规则,刚度和强度突变。此类建筑在地震中破坏最为严重,而且破坏多集中在这些薄弱部位。图2为汶川地震中某错层框架结构刚度突变破坏。

以上震害实例分析证明合理的建筑布置在抗震设计中是头等重要的,提倡平、立面简单对称。简单、对称的结构容易估计其地震时的反应,也容易采取抗震构造措施和进行细部处理。

5 结构体系布置的问题

《抗规》3.5.3条对结构体系提出了多道抗震防线的要求,对于在大震作用下结构抗倒塌具有重要意义。一个抗震结构体系应由若干个延性较好的分体系组成,并由延性较好的结构构件连接协同工作。在这次汶川大地震中,抗震性能较好的钢筋混凝土结构有倒塌的,而抗震相对较差的砌体却也有裂而不倒的,甚至个别私人建造的砖木结构的住宅都完好无损;同一地点,同是砌体教学楼,有的损坏严重,甚至倒塌,有的却表现良好,这就是多道抗震防线起了作用。一般高层建筑结构可根据房屋高度和高宽比、抗震设防类别、抗震设防烈度因素选择结构体系。根据建筑功能的不同而有所不同,常规如一般的商场、车站、展览馆、餐厅、停车库等多层房屋用多跨框架结构较多;高层住宅、公寓、宾馆等用剪力墙结构较多;酒店、写字楼、教学楼、科研楼、病房楼等以及综合性公共建筑用框架—剪力墙结构、框架—核心筒结构较多,同时还应注意规范的限值,图3为因结构体系的不合理在地震中倒塌的办公楼。

6 结构构件的问题

结构构件布置应遵守“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强底层柱(墙)”的原则。对可能造成结构的相对薄弱部位,应采取措施提高抗震能力。承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。建筑应有梁筋锚固长度的概念,避免一字剪力墙,墙柱头一般为墙厚的2倍,为了保证梁筋的锚固长度,至少需要300 mm～400 mm的剪力墙长或厚度。此类问题不可忽视,否则容易产生走道或楼梯宽度不足的问题或客厅当中露角。应注意尽量避免短柱,柱边不布门窗,否则常为短柱,短柱箍筋须全长加密,造价增高且抗震不利,图4为汶川地震中短柱的破坏情况。作为生命安全通道的楼梯间不宜设置在房屋的端部或转角处,不宜设置凸出建筑物的转角圆形楼梯间,更应禁止采用纯悬挑结构的楼梯间,这些都是宜引起地震时集中变形破坏的地方。过高、过重的大屋顶,加大了变形,对建筑物抗震更不利。尽量不做或少做地震时容易倒塌、脱落的建筑附属物。

7 结语

总的来说,建筑设计是建筑抗震设计的一个重要方面,建筑设计和建筑抗震设计有着密切关系。它对建筑抗震起着重要的基础功能作用。一个优良的建筑抗震设计,必须是在建筑设计和结构设计相互配合协作共同考虑抗震的设计基础上完成。为此,要充分重视建筑设计在建筑抗震设计中的重要性,在建筑抗震设计中更好地发挥建筑设计应有的功能。

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[2] JGJ 3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

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