淺探房屋建筑的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

林鳳欽

隨著建筑業(yè)日新月異的發(fā)展,房屋建筑設(shè)計(jì)的要求也更復(fù)雜,建設(shè)方往往會(huì)要求有獨(dú)特的平面布置、新穎的立面造型,同時(shí)又要求低的工程造價(jià);而建筑師本身也會(huì)標(biāo)新立異,追求個(gè)性,這本并不是壞事,但有些建筑師因?yàn)閷?duì)結(jié)構(gòu)及設(shè)備了解不多,尤其是有些無(wú)結(jié)構(gòu)、設(shè)備配合,只做方案的建筑師,造成后期結(jié)構(gòu)難以布置或不合理、違反設(shè)計(jì)規(guī)范,以致施工圖無(wú)法實(shí)施,或不合理產(chǎn)生的浪費(fèi),給建設(shè)方造成經(jīng)濟(jì)損失。本文根據(jù)規(guī)范對(duì)建筑師應(yīng)了解的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗震規(guī)范做一些探討,便于建筑與結(jié)構(gòu)密切配合,提高設(shè)計(jì)效率,節(jié)約造價(jià),更好更快地設(shè)計(jì)出精品,為社會(huì)服務(wù)。

1 場(chǎng)地選擇的問(wèn)題

根據(jù)GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2008版)(以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》)3.3.1條對(duì)抗震有利、不利和危險(xiǎn)地段的綜合評(píng)價(jià),3.3.5條山區(qū)建筑場(chǎng)地,4.1.1條有利、不利和危險(xiǎn)地段的劃分,4.1.8條不利地段抗震加強(qiáng)措施的規(guī)定,工程項(xiàng)目選址應(yīng)考慮從地形地貌上盡可能避開(kāi)非巖質(zhì)的陡坡、高聳的山丘、河岸和邊坡的邊緣等不利地段;從場(chǎng)地條件上要盡量避開(kāi)飽和砂層、軟弱土層、液化土、軟弱不均土層等;如無(wú)法避開(kāi),則應(yīng)采取工程措施處理。選擇位于開(kāi)闊平坦地帶的堅(jiān)硬場(chǎng)地土或密實(shí)均勻中硬場(chǎng)地土,對(duì)建筑抗震有利的地段。工程項(xiàng)目的選址還要同時(shí)符合當(dāng)?shù)氐目傮w規(guī)劃和防災(zāi)專項(xiàng)規(guī)劃的要求,不擠占應(yīng)急疏散、避難場(chǎng)所用地。曾經(jīng)有見(jiàn)過(guò)在懸崖邊緣或跨越10多米高的邊坡上布置建筑的總平方案,這就是對(duì)結(jié)構(gòu)和地質(zhì)不了解才產(chǎn)生的問(wèn)題,何況有時(shí)邊坡支護(hù)的費(fèi)用可能遠(yuǎn)大于邊坡上建筑物的單體造價(jià)。

2 結(jié)構(gòu)高寬比的問(wèn)題

根據(jù)JGJ 3-2002高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)4.2.3條規(guī)定,鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)的高寬比:在6度、7度抗震設(shè)防烈度時(shí),A級(jí)高度的框架、板柱—剪力墻不宜超過(guò)4,框架—剪力墻不宜超過(guò)5,剪力墻不宜超過(guò)6;B級(jí)高度不宜超過(guò)7。只有合理的結(jié)構(gòu)平面進(jìn)深,才能取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和抗震性能,但有些建筑設(shè)計(jì)人員在近100 m高的住宅建筑方案中,平面中只有11 m～12 m的進(jìn)深,結(jié)構(gòu)的高寬比達(dá)到9還多,多層的平面用在高層,嚴(yán)重違規(guī),結(jié)構(gòu)的層間位移比根本無(wú)法控制,結(jié)構(gòu)不可行,不得不重新設(shè)計(jì)總體方案,浪費(fèi)了時(shí)間和精力。

3 結(jié)構(gòu)平面布置的問(wèn)題

根據(jù)《抗規(guī)》3.4.1條規(guī)定,建筑設(shè)計(jì)應(yīng)符合抗震概念設(shè)計(jì)的要求,不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案,這對(duì)高層建筑尤為重要,《高規(guī)》4.1.2,4.1.3條對(duì)此作出了原則規(guī)定,4.3.5,4.3.6條更作出了定量的規(guī)定。

建筑物的平面布置在建筑設(shè)計(jì)中是十分重要的部分,它直接反映建筑的使用功能和要求。柱子的距離、墻體的布置、通道和樓電梯的位置、房間的數(shù)量和布置等,都要在建筑的平面布置圖上明確下來(lái)。而且,由于建筑使用功能不同,每個(gè)樓層的布置有可能差異很大,建筑平面上的墻體,包括外圍填充墻、內(nèi)隔墻、有相應(yīng)強(qiáng)度和剛度的非承重內(nèi)隔墻等等布置不對(duì)稱,墻體和柱子分布的不對(duì)稱、不協(xié)調(diào),使建筑物在地震時(shí)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn),對(duì)抗震很不利。

目前設(shè)計(jì)中常出現(xiàn)的“細(xì)腰建筑”就是典型的平面不規(guī)則建筑,該型建筑用在低層和多層問(wèn)題不大,但用在高層問(wèn)題就多了?！凹?xì)腰建筑”雖然建筑使用功能較好,但對(duì)結(jié)構(gòu)抗震卻非常不利,且在“細(xì)腰”處設(shè)置疏散樓梯間,當(dāng)發(fā)生災(zāi)害時(shí),此“細(xì)腰”或與“細(xì)腰”連接的廊道一旦破壞,后果極為嚴(yán)重。因此,高層建筑設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格遵守《抗規(guī)》《高規(guī)》有關(guān)平面布置要求的規(guī)定,特別是核心筒周圍應(yīng)布置足夠?qū)挾鹊臉前?筒周邊墻體特別是疏散樓梯間墻體不應(yīng)對(duì)外臨空。高層建筑中“細(xì)腰建筑”等平面特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)屬“超限”高層結(jié)構(gòu),如一定要采用時(shí)應(yīng)通過(guò)“超限高層結(jié)構(gòu)”工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查后方能采用。

震害表明,許多平面外形復(fù)雜,如平面上的外凸和凹進(jìn)、側(cè)翼的過(guò)多伸懸、不對(duì)稱的側(cè)翼布置等在地震中都遭到了不同程度的破壞。9?12中國(guó)臺(tái)灣、5?12汶川地震就有不少這樣的震例。平面外形簡(jiǎn)單規(guī)則的建筑在地震中未出現(xiàn)較重的破壞,有的甚至保持完好無(wú)損。因此,在建筑體形的設(shè)計(jì)中,應(yīng)盡可能地使平面和空間的外形簡(jiǎn)潔、規(guī)則;在平面外形上,矩形、圓形、扇形、方形等對(duì)抗震來(lái)說(shuō)都是較好的體形。盡可能少做外凸和內(nèi)凹的體形,盡可能少做不對(duì)稱的側(cè)翼和過(guò)長(zhǎng)的伸翼。在體形布置上盡可能使建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度比較均勻地分布,避免產(chǎn)生因體形不對(duì)稱導(dǎo)致質(zhì)量和剛度不對(duì)稱的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。圖1為我國(guó)臺(tái)灣地震中高層建筑平面不規(guī)則扭轉(zhuǎn)破壞。

在國(guó)內(nèi)外的大地震中,由于防震縫設(shè)置不當(dāng),使相鄰建筑物碰撞而產(chǎn)生震害的情況也是不少的,這是由于在相鄰建筑單元之間,防震縫的寬度留得不夠,導(dǎo)致建筑物碰撞,造成震害。另外,地震區(qū)建筑物的沉降縫,溫度縫必然兼起防震縫的作用,但是,若縫的處理不當(dāng),也會(huì)造成震害。

4 結(jié)構(gòu)豎向布置的問(wèn)題

《高程》4.4.1條對(duì)高層建筑的豎向的體形,4.4.2條對(duì)抗震設(shè)計(jì)的高層建筑相鄰樓層的剛度,4.4.4條對(duì)結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件上下連續(xù)性均有明確的規(guī)定。

建筑的豎向布置設(shè)計(jì)的問(wèn)題在建筑設(shè)計(jì)中主要反映在建筑沿高度(樓層)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布設(shè)計(jì)上。存在的這個(gè)問(wèn)題主要是,由于建筑使用功能的不同要求,如底層或下面幾層是商場(chǎng)、購(gòu)物中心,建筑上要求是大柱距、大空間;上面的樓層則是開(kāi)間較大的寫(xiě)字樓或布置多樣化的公寓樓,低層設(shè)柱、墻很少,而上面則是以墻為主,柱很少。造成沿上下相鄰樓層的質(zhì)量和剛度相差過(guò)大,形成突變。在剛度最差的樓層形成對(duì)抗震極為不利的抗震承載力不足和變形很大的薄弱層,在建筑設(shè)計(jì)中必須高度重視。

目前常見(jiàn)因?qū)痈咄蝗蛔兓?所謂“挑高”),或在某層抽掉柱子形成空曠(所謂“挑空”),或?yàn)樽非蟠箝_(kāi)間無(wú)梁無(wú)柱或錯(cuò)層等均導(dǎo)致結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則,剛度和強(qiáng)度突變。此類建筑在地震中破壞最為嚴(yán)重,而且破壞多集中在這些薄弱部位。圖2為汶川地震中某錯(cuò)層框架結(jié)構(gòu)剛度突變破壞。

以上震害實(shí)例分析證明合理的建筑布置在抗震設(shè)計(jì)中是頭等重要的,提倡平、立面簡(jiǎn)單對(duì)稱。簡(jiǎn)單、對(duì)稱的結(jié)構(gòu)容易估計(jì)其地震時(shí)的反應(yīng),也容易采取抗震構(gòu)造措施和進(jìn)行細(xì)部處理。

5 結(jié)構(gòu)體系布置的問(wèn)題

《抗規(guī)》3.5.3條對(duì)結(jié)構(gòu)體系提出了多道抗震防線的要求,對(duì)于在大震作用下結(jié)構(gòu)抗倒塌具有重要意義。一個(gè)抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)由若干個(gè)延性較好的分體系組成,并由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接協(xié)同工作。在這次汶川大地震中,抗震性能較好的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有倒塌的,而抗震相對(duì)較差的砌體卻也有裂而不倒的,甚至個(gè)別私人建造的磚木結(jié)構(gòu)的住宅都完好無(wú)損;同一地點(diǎn),同是砌體教學(xué)樓,有的損壞嚴(yán)重,甚至倒塌,有的卻表現(xiàn)良好,這就是多道抗震防線起了作用。一般高層建筑結(jié)構(gòu)可根據(jù)房屋高度和高寬比、抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度因素選擇結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)建筑功能的不同而有所不同,常規(guī)如一般的商場(chǎng)、車站、展覽館、餐廳、停車庫(kù)等多層房屋用多跨框架結(jié)構(gòu)較多;高層住宅、公寓、賓館等用剪力墻結(jié)構(gòu)較多;酒店、寫(xiě)字樓、教學(xué)樓、科研樓、病房樓等以及綜合性公共建筑用框架—剪力墻結(jié)構(gòu)、框架—核心筒結(jié)構(gòu)較多,同時(shí)還應(yīng)注意規(guī)范的限值,圖3為因結(jié)構(gòu)體系的不合理在地震中倒塌的辦公樓。

6 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的問(wèn)題

結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置應(yīng)遵守“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件、強(qiáng)底層柱(墻)”的原則。對(duì)可能造成結(jié)構(gòu)的相對(duì)薄弱部位,應(yīng)采取措施提高抗震能力。承受豎向荷載的主要構(gòu)件不宜作為主要耗能構(gòu)件。建筑應(yīng)有梁筋錨固長(zhǎng)度的概念,避免一字剪力墻,墻柱頭一般為墻厚的2倍,為了保證梁筋的錨固長(zhǎng)度,至少需要300 mm～400 mm的剪力墻長(zhǎng)或厚度。此類問(wèn)題不可忽視,否則容易產(chǎn)生走道或樓梯寬度不足的問(wèn)題或客廳當(dāng)中露角。應(yīng)注意盡量避免短柱,柱邊不布門(mén)窗,否則常為短柱,短柱箍筋須全長(zhǎng)加密,造價(jià)增高且抗震不利,圖4為汶川地震中短柱的破壞情況。作為生命安全通道的樓梯間不宜設(shè)置在房屋的端部或轉(zhuǎn)角處,不宜設(shè)置凸出建筑物的轉(zhuǎn)角圓形樓梯間,更應(yīng)禁止采用純懸挑結(jié)構(gòu)的樓梯間,這些都是宜引起地震時(shí)集中變形破壞的地方。過(guò)高、過(guò)重的大屋頂,加大了變形,對(duì)建筑物抗震更不利。盡量不做或少做地震時(shí)容易倒塌、脫落的建筑附屬物。

7 結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō),建筑設(shè)計(jì)是建筑抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面,建筑設(shè)計(jì)和建筑抗震設(shè)計(jì)有著密切關(guān)系。它對(duì)建筑抗震起著重要的基礎(chǔ)功能作用。一個(gè)優(yōu)良的建筑抗震設(shè)計(jì),必須是在建筑設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相互配合協(xié)作共同考慮抗震的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上完成。為此,要充分重視建筑設(shè)計(jì)在建筑抗震設(shè)計(jì)中的重要性,在建筑抗震設(shè)計(jì)中更好地發(fā)揮建筑設(shè)計(jì)應(yīng)有的功能。

[1] GB 50011-2001,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] JGJ 3-2002,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] 張維斌.多層及高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)釋疑及工程實(shí)例[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006.

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[5] 清華大學(xué),西南交通大學(xué),北京交通大學(xué)土木結(jié)構(gòu)組.汶川地震建筑震害分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2008,29(4):108-109.

[6] GB 50011,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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