建筑平面设计的规则性对抗震性能的影响

秦 洁

山西省交通规划勘察设计院有限公司（030032）

0 前言

建筑行业的发展提高了我国基础建设的水平。随着现代建筑理念的改变，越来越多的新型结构出现在现代建筑中，特别是不规则结构形式的出现，对建筑的抗震性提出了新的要求。在平面设计中，运用技术标准，掌握好规则性设计要求，能够全面提高建筑物的抗震水平。

1 建筑平面布置需要考虑的要素

建筑物是一个三维立体式的结构，由长、宽、高三个方向构成。因此，建筑物的平面设计要从平、立、剖三个方向来综合考虑建筑物的各种特征。在方案设计时，从平面设计入手，明确立面与剖面之间的科学性以及合理关系。

建筑平面包括主要使用房间、辅助房间、交通枢纽、水平交通、垂直交通等。主要使用房间包括生活用房、办公用房、公共活动用房，如住宅、旅馆、办公室、实验室、剧院、电影院、观众休息厅、营业厅等。平面设计要求根据房间的面积形状和尺寸满足功能要求[1]。

疏散门的位置方便疏散，窗户要求满足良好的采光和通风，房间布置要方便人们正常使用。设计应符合相应建筑标准，室内空间、地面、顶棚、墙面应考虑人们的使用要求和审美需求。房间平面设计的主体内容是房间的面积、形状、尺寸和门窗设计。面积设计时要明确家居设备的位置，房间面积组成、室内活动流线、房间的交通面积。

房间形状包括矩形、方形、多边形、圆形，在设计中要考虑结构形式、经济条件、适用及美观等因素。房间形式设计中要掌握好结构尺寸，便于开间进深，有利于平面组合。房间尺寸是房间的开间和进深，需要满足家具布置要求和人们活动的要求，同时要满足视听要求，具有天然采光的条件，要经济合理的布置结构，按照标准要求设计房间比例[2]。

辅助房间设计一般包括厕所设计、浴室设计等。设计思路要符合人体活动的所需空间。例如走道设计、楼梯电梯设计、门厅设计等。平面设计要注重水平交通、垂直交通和交通枢纽之间的联系，注意空间形象的美化。如交通线路要简洁清晰，走道的设计要根据宽度、长度进行合理分配，直跑楼梯、两跑楼梯、两跑三段式楼梯、螺旋式楼梯等，应按照平面设计的要求，根据防火疏散要求来确定。

平面设计考虑的因素不能从单方面来分析，而是要考虑平面之间的组合形式及立面、剖面之间的联系，根据综合考虑的结果合理规划以更好地进行整体设计，特别是现代建筑设计中平面设计要以实用性、功能性和审美要求来考量[3]。

2 建筑结构抗震设计的基本原则

建筑结构抗震设计是施工中的重点内容，在建筑结构建设中平、立面是否规则对结构抗震性有重要的影响，也是建筑设计首先要考虑的问题。在建筑新规定中要求，建筑设计除了要符合抗震设计以外，不应采用严重不规则的设计方案。规则的平面设计有利于提高抗震的刚度和承载力，使建筑结构更加稳定。在规则与不规则的区分中明确了主要的界限，引起建筑结构不规则的因素很多，特别是复杂的建筑体形，无法用简化的定量指标来区分不规则的程度。在抗震设计中设计人员要对建筑的抗震性能有所估计，采用抗震性能好的规则的设计方案，避免采用较差的不规则的设计方案[4]。

3 建筑平面不规则的主要类型和对抗震性的影响

3.1 建筑平面不规则的主要类型

建筑平面不规则主要包括扭转不规则、楼板凹凸不规则和楼板局部不连续。扭转不规则主要是指楼层的最大弹性水平位移大于该楼层两端弹性水平位移平均值的1.2 倍。凹凸不规则是指结构平面凹进的一侧尺寸大于相应投影方向总尺寸的30%。楼板局部不连续指的是楼板的尺寸和平面高度急剧变化，有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%，或者开洞面积大于该层楼面面积的30%和出现较大的楼层错层。

3.2 建筑平面不规则对抗震性的影响

建筑平面不规则、不对称容易造成结构扭转和脆性破坏，甚至会导致整个结构的倒塌。在建筑结构中，体形应该是均匀对称的，结构扭转破坏主要是构件受到扭矩作用时，构件刚度中心地方剪应力大，剪切变形。在建筑整体结构中，当结构受到扭矩作用时，竖向构件承受剪力，均匀对称的结构受到破坏。当结构受到扭矩的压力时，各个支柱中会产生相应的剪力。结构受到扭矩作用时，离刚心越远的构件将承受越大的剪力，破坏力较强。建筑结构设计都是基于抗震作用下进行配置的，无论是中震还是大震都要通过良好的结构来加强节点控制，提高结构的延展性，以达到耗散地震能量的目的。在中振和大震作用下产生的扭矩作用明显增大竖向构件的剪力，会导致结构发生脆性破坏[5]。

平面不规则会造成平面重心偏移，楼层各个构件尺寸不同会产生重心的偏移，只有体形对称的结构才能够符合施工要求。但是在现代很多建筑中，施工质量和材料具有不确定性，结构存在质量偏心问题。自重是一个随机的变量，当考虑质量分布不均匀，带来的偶然偏心时，如果0.05 倍垂直于地震作用方向边长，偶然偏心就存在一定问题。

平面不规则会造成平面刚度偏心。在理想化的模型设计中，按照构件的弹性模量和截面尺寸通过计算公式得到刚度值。施工建造过程中结构确定荷载分布和约束条件下，建筑材料的性质不稳定，构件尺寸控制如果存在误差，施工工艺和条件受到限制，结构就会形成一定的约束，存在名义上的均匀对称结构，但实际上存在一定程度偏心，这种情况下一旦发生问题就会导致抗扭刚度和抗侧刚度随之改变。

平面不规则会造成平面强度偏心。在建筑结构中质量和刚度分布均匀是比较理想的状态，但是由于材料的限制，构件强度不同造成强度偏心容易被忽略，有些构件不同的设计容易产生误差。强度偏心和质量、刚度偏心同样都是无法回避的问题。在建筑材料中混凝土钢筋等材料存在众多质量的不确定性，构件方面如果与强度、刚度设计存在微小的差异，就容易因为大的结构造成强度偏心。一旦进入弹塑性状态以后，构件水平不同就会产生抵抗合力作用点的变化，因而引起弹性扭转。

4 平面不规则的解决措施

4.1 针对扭转不规则的设计

针对扭转不规则的情况还是由于平面布置的不规则，使得在具有偶然偏心的规定水平力作用下，楼层两端抗侧力构件弹性水平位移(或层间位移)的最大值与平均值的比值大于1.2。这种对抗震不利的因素在平面设计时要满足建筑功能的基本需求，遵照平面规则性来进行布置。平面的规则性就是尽量方正，凹凸变化不要超过规范限值，避免平面过于异形，对抗震性能产生不利影响。

为了减缓由于不规则对抗震性能产生的影响，一般在建筑功能允许情况下加长或者加厚周边剪力墙，提高在离刚心最远处的剪力墙扭转度，减小结构扭转周期。减少核心筒的剪力墙厚度，采用弱连梁剪力墙，减少核心筒高度，使结构抗侧移刚度增强。在结构周边设立拉梁，加强梁的刚度，增强结构扭转刚度，减少周期干扰。结构刚心的剪力墙对结构扭矩贡献不大，对抗侧移刚度贡献较大，因此，在刚心附近，可以适当加强周边的结构，使结构形成良好效应。

4.2 针对平面凹凸不规则的设计

不规则平面特点导致结构凹凸存在偏心距较大的问题,因此在建筑平面方案设计中，平面凹进的尺寸大于相应投影方向总尺寸的30%。把握好这个尺度限值，使不规则产生的不利影响控制在结构要求范围。如平面凹凸不规则建筑的荷载情况和地震荷载作用，偶然偏心和双向地震扭转效应以及凹凸不规则平面建筑中关注的主要参数（位移比、周期比、减重比、刚重比等）。建筑平面在追求平、立面造型美观的前提下，尽可能不要大幅度凹凸变化，如果平面不规则，建筑体形系数会变大，对建筑节能不利。对抗震性能的影响，体现了建筑设计要素中“安全”要素，需要建筑和结构专业的相互配合，才能保证建筑的安全可靠。

4.3 针对楼板局部不连续的设计

楼板局部不连续（大开洞及错层)是指平面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面面积的30%，或较大的楼层错层，使构件承受的荷载较大，在建筑抗震设计中楼板局部不连续导致平面设计不规则。故在平面设计中避免楼板大开洞，造成的楼板局部不连续，即使开洞也要保证开洞面积不大于楼板总面积的30%，或者有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%，这样可以保证建筑的安全可靠。

楼板的尺寸和平面高度发生变化，有效楼板宽度小于该层楼的典型宽度，存在开洞面积情况，有的时候存在较大的楼层错层。在抗震设计中要按照符合楼板平面高度变化的计算来完成连续性设计，建筑设计中采用的是混凝土技术结构存在较大的凹入和开洞面楼板，会发生力量削弱。楼板削弱产生的不利影响较多，因此在设计过程中要考虑楼板是否存在狭长和较大的凹入和开洞问题。

5 结语

科学的建筑设计在抗震设计中发挥了重要的作用。地震作用下建筑物结构的损伤破坏，抗震系统薄弱的部位，在平面设计中就要注重结构整体性的设计。建筑物的薄弱部位来源于结构缺陷或者不规则，采用平面规则性设计有利于增加建筑物的整体弹性，避免平面不规则结构在地震作用下产生薄弱层，在平面结构设计中就要满足结构设计的要求。建筑平面的规则性设计能够从根本上解决建筑抗震性能难题，真正从设计角度和创新角度提升现代建筑的美感。