基于抗震概念设计的建筑平立面布置

丁佩蓉　侯迪　戴舒歆

摘要：20世纪以来，中国地震愈发频繁，因此当代建筑物的抗震设计显得尤为重要。为了使得建筑本身具有良好的抗震性能，设计者应根据概念设计的理念在设计初步阶段采用合理房屋体型和结构形式。本文通过理论和具体的实例分析，介绍了抗震概念设计中的建筑平立面布置的原则和要求。

关键词：概念设计；平立面布置；规则

1.引论

城市化的进程使得人们对于时尚产生了更强烈的追求感，而在建筑师的手下其具体表现为各种格式美观奇特的建筑物，如北京的央视大楼、苏州的东方之门等等。此类建筑虽然为城市添加了亮点，但给结构的安全设计带来了极大的挑战，尤其是抗震设计。先天存在的薄弱环节会将结构的安全性大打折扣，对人民的生命财产造成巨大的威胁。因而设计者应遵循建筑概念设计的原则，尽量避免设计出非常规的建筑。建筑概念设计是广大科技人员通过对大量建筑地震震害实例进行分析，归纳总结出来的基本设计原则和设计思想，自20世纪70年代提出以来愈来愈受到国内外工程界的普遍重视。概念设计强调，在工程设计一开始就应采用合适的房屋体型、结构体系，从而从根本上消除建筑中的抗震薄弱环节。本文即是对建筑的平立面布置中“房屋体型”的具体阐述。

2.建筑的平面布置

建筑物的平面布置宜规则、对称（图1），质量与刚度变化均匀，型心、质心、刚心宜重合（三心合一）；不宜采用严重不规则布置。当采用不规则平面布置的结构时，其平面质量中心A（即外荷载合力作用点）与其刚度中心B（即平面扭转中心）不重合，先天给结构形成了一个偏心距e，这时在水平地震作用下不仅产生地震力F而且产生扭矩（图2），显然偏心距e愈大扭矩就愈大，地震中产生的破坏也就愈大。高层建筑宜选用风作用效应较小的平面形状。在沿海地区，风力成为高层建筑的控制型荷载，采用风压较小的平面形状有利于抗风设计。对抗风有利的平面形状是简单、规则的凸平面，如圆形、正多边形、椭圆形、鼓形等平面。对抗风不利的平面是有较多凹、凸的复杂平面形状，如V形、Y形、H形、弧形等平面。

在尼加拉瓜的马那瓜市中心有两幢相邻的高层建筑一一中央银行和美洲银行。美洲银行内层采用对称布置的钢筋混凝土芯筒，外层也是完全对称的框筒，形成了一个三心合一的筒中筒（图3）；而中央银行有一层地下室采用框架体系，两个钢筋混凝土电梯井和两个楼梯间均集中布置在平面右端，同时，右端山墙还砌有填充墙，使得结构偏心严重（图4）。在1972年的地震中，美洲银行仅产生了少许的非结构构件的破坏，而整体并无损坏，然而中央银行在地震时有强烈的扭转震动，许多结构构件严重破坏而最终倒塌。由此可见，建筑平面的不规则布置会导致结构的安全系数降低，在

《建筑抗震设计规范》（GB 50011 2010）中，对不规则的平面布置划分为以下三种情况：（1）扭转不规则——楼层的最大弹性水平位移或层间位移大于该楼层两端弹性水平位移或层间位移平均值的1.2倍；（2）凹凸不规则——结构平面凹进的一侧尺寸大于相应投影方向总尺寸的30%；（3）楼板局部不连续——楼板的尺寸和平面刚度急剧变化，例如，有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%，或开洞面积大于该层楼楼面面积的30%，或较大的楼层错层（图5）。建筑形体及其构件布置不规则时，应按规范相应要求进行地震作用计算和内力调整，并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施。

3.建筑的立面布置

建筑物立面形状的突然变化，必然带来质量和抗侧移刚度的剧烈变化，地震时，该突出部位就会因剧烈振动或塑性变形集中而加重破坏。因此，建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。尽量采用矩形、梯形、三角形等均匀变化的几何形状（图6），而避免采用带有突然变化的阶梯形立面。

台湾的东星大楼是1999年台湾921大地震中崩塌最严重的建筑。由宏程建设委托大林建筑师事务所设计、鸿固营造公司负责营造施工的东星大楼建于1982年，落成于1984年，总楼层为地上12层、地下2层，用途则为住商混合用途建筑物。东星大楼于地震后，往东侧倾斜崩塌（图7）。大楼东北侧的八楼楼地板掉落至地面，楼层往西侧及地下楼层挤压。另外，东南侧部分，六楼崩塌至地面，六楼以下楼层被严重挤压。至于西侧九楼以60度严重倾斜，八楼以下楼板遭严重挤压，西南侧三楼以下仍为完整。该建筑破坏严重主要原因为侧向刚度突变，大型停车场、银行、写字楼、住宅区为一体使得建筑物侧向刚度不规则。与之同时南投县汽车站也发生了严重破坏，其三层建筑底层候车大厅空旷少墙，二、三层为办公用房，横墙较多，地震时底层塌平，其破坏性质几乎与东星大楼如出一辙。

《建筑抗震设计规范》（GB 50011 2010）中将竖向不规则的立面布置主要类型划分如下：（1）侧向刚度不规则——该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%，除顶层外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%；（2）竖向抗侧力构件不连续一一竖向抗侧力构件（柱、抗震墙、抗震支撑）的内力由水平转换构件（粱、桁、架等）向下传递；（3）楼层承载力突变——抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一层的80%。当建筑物采用不规则的立面布置时，应采用空间结构计算模型，其薄弱层的地震剪力应乘以1.15的增大系数，并应按

4、总结

现阶段的抗震设计往往需要进行复杂的计算分析，由于新技术的发展和应用，抗震计算分析能力得到了很大提高，但由于地震振动的随机性和结构分析方面的不准确性，所以不能仅靠计算解决工程抗震问题。建筑抗震概念设计同样是结构工程师进行抗震设计的指导性思想，而建筑物的布局和结构布置又是影响其动力性能的关键因素，更应引起设计人员的重视。设计人员应根据工程抗震概念各方面的知识和经验，合理进行建筑的平立面布置，提高建筑物的抗震性能，得到更合理的抗震设计。