建筑設(shè)計(jì)在建筑抗震設(shè)計(jì)中的地位

摘 要：地震是破壞力最大，影響范圍最廣的一種自然災(zāi)害。為了保證人們生命與財(cái)產(chǎn)的安全，提高建筑物的抗震能力至關(guān)重要。本文首先給出了建筑設(shè)計(jì)與抗震性能的關(guān)系，然后，分析了建筑物抗震性能的影響因素，接著，分析了建筑設(shè)計(jì)對(duì)于抗震性能的影響，最后，以實(shí)際案例分析了建筑設(shè)計(jì)在建筑抗震設(shè)計(jì)中的影響情況，并提出了相應(yīng)的解決方案。

關(guān)鍵詞：建筑設(shè)計(jì)；地震；抗震；建筑物

引 言

為了減輕建筑物的地震破壞，避免地震所導(dǎo)致的人員傷亡，減少經(jīng)濟(jì)損失，應(yīng)該加強(qiáng)建筑抗震的設(shè)計(jì)研究。由于建筑方案通常存在抗震的薄弱環(huán)節(jié)與薄弱位置，因此，有時(shí)抗震處理顯得非常被動(dòng)。為了提高建筑物的抗震能力，因此從設(shè)計(jì)出發(fā)，針對(duì)建筑設(shè)計(jì)在建筑物抗震設(shè)計(jì)中的重要性與影響進(jìn)行分析討論是非常必要的。本文將抗震問(wèn)題與建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行了融合分析，通過(guò)針對(duì)某大學(xué)教學(xué)樓的設(shè)計(jì)，進(jìn)行了抗震特性分析，并提出了相應(yīng)的抗震解決方案[1]。

1 建筑抗震的基本概念

1.1 建筑抗震的分布與災(zāi)害

地震是一種常見(jiàn)的自然現(xiàn)象，指的是地球內(nèi)部緩慢積累的能量突然釋放所導(dǎo)致的地層振動(dòng)。地震通?？梢苑譃槲宸N類(lèi)型，即構(gòu)造地震、陷落地震、火山地震、人工地震與誘發(fā)地震。其中，構(gòu)造地震最為常見(jiàn)，是建筑抗震設(shè)計(jì)所需考慮的對(duì)象。地震主要發(fā)生在裂谷與脊骨、轉(zhuǎn)換地層、海溝及大陸內(nèi)部的古板塊邊緣等區(qū)域[2]。

地震災(zāi)害是一種破壞能力很大的自然災(zāi)害，主要分成直接災(zāi)害與次生災(zāi)害。其中，地震導(dǎo)致的直接災(zāi)害主要破壞建筑物，如房屋倒塌、鐵軌變形、橋梁斷落等。次生災(zāi)害主要有火災(zāi)、水災(zāi)、瘟疫等。

1.2 建筑抗震設(shè)計(jì)的方法與目的

1.2.1 建筑抗震設(shè)計(jì)的內(nèi)容

建筑抗震設(shè)計(jì)主要包含概念設(shè)計(jì)、計(jì)算設(shè)計(jì)與構(gòu)造設(shè)計(jì)三個(gè)方面。針對(duì)地震區(qū)的建筑工程，在考慮非地震設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，還需要考慮特定的地震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，由于對(duì)于場(chǎng)地的選擇、建筑的造型與結(jié)構(gòu)的體系需要進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)定[3]。

1.2.2 建筑抗震設(shè)計(jì)的目的

抗震設(shè)計(jì)的目的是進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)首先需要進(jìn)行考慮的問(wèn)題。通常情況下，相關(guān)規(guī)范有如下要求：①地震發(fā)生后，經(jīng)過(guò)一般修理或者不進(jìn)行修理建筑物仍然可以繼續(xù)使用；②地震發(fā)生后，建筑物并不要求完整無(wú)損，可以具備一定程度的損壞；③建筑物的損壞程度不會(huì)危機(jī)人與生產(chǎn)設(shè)備的安全，不需要進(jìn)行修理，即使需要修理，規(guī)模也不能很大。

2 建筑設(shè)計(jì)的影響因素

建筑設(shè)計(jì)對(duì)其抗震性能具有直接的影響，同時(shí)，諸多因素對(duì)建筑設(shè)計(jì)具備影響，如：基地的要求、規(guī)劃要求、功能需求、氣候因素、結(jié)構(gòu)與材料要求等。

（1）基地的要求。在建筑項(xiàng)目施工開(kāi)始前，真要針對(duì)基地情況進(jìn)行分析評(píng)估，基地所處的地段、大小、地形地貌等因素都是建筑師進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)的重要切入點(diǎn)。只有因地制宜才能充分與基地現(xiàn)狀進(jìn)行結(jié)合。如果建筑場(chǎng)地較小，則場(chǎng)地形狀作為建筑設(shè)計(jì)的體型決定因素將會(huì)變得更為關(guān)鍵?；氐牡叵滤?、排水、電纜等管道布置與架空線等也會(huì)影響建筑的設(shè)計(jì)。最后，地質(zhì)條件也是需要考慮的影響因素之一。一旦發(fā)生地震，地質(zhì)條件就是決定地面運(yùn)行情況的因素之一。

（2）規(guī)劃要求。規(guī)劃要求是建筑設(shè)計(jì)構(gòu)思的根本依據(jù)，針對(duì)建筑物的體型具備影響與制約的作用。

（3）功能需求。不同的功能對(duì)于建筑物的影響力是不能忽視的，同時(shí)，不同的功能需要，也會(huì)對(duì)建筑抗震設(shè)計(jì)具有不同的要求。

（4）氣候因素。氣候因素是影響建筑物設(shè)計(jì)的重要因素，如降雨較多，降雪較多的地區(qū)，房頂?shù)钠露葢?yīng)該較大，同時(shí)，也需要針對(duì)不同的氣候因素考慮建筑抗震設(shè)計(jì)的不同。

（5）結(jié)構(gòu)與材料要求。建筑物的設(shè)計(jì)都需要對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)得以體現(xiàn)。結(jié)構(gòu)與材料的發(fā)展對(duì)建筑物的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了推動(dòng)作用。不同的材料具備不同的特性，也具備不同的抗震性能。

3 建筑設(shè)計(jì)對(duì)于抗震性能的影響

建筑設(shè)計(jì)針對(duì)抗震性能的影響與重要指標(biāo)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）規(guī)則性。建筑設(shè)計(jì)應(yīng)該注意規(guī)則與簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。規(guī)則主要包含建筑的平與立面外形尺寸、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置、質(zhì)量分布與強(qiáng)度分布等。通常，建筑平面以方形、矩形、L形、T形及I形為主。其中，建筑平面L長(zhǎng)度不能過(guò)長(zhǎng)，突出部分C應(yīng)該盡量縮小。

（2）對(duì)稱(chēng)性。對(duì)稱(chēng)性指的是建筑物的幾何特性，與建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及構(gòu)造細(xì)部息息相關(guān)。不具備對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的建筑平面抗震性不強(qiáng)，從幾何方面看，不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)容易引起建筑物的質(zhì)量中心與剛度中心間產(chǎn)生偏離，發(fā)生地震將會(huì)導(dǎo)致災(zāi)害，不對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)還會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，由于在建筑的凹角處。

地震可能來(lái)自任意方向，因此，建筑平面最好具備多軸對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)。如下圖所示，正方形、圓形、正八邊形具備多軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，抗震性能較好。長(zhǎng)方形、H形具備兩軸對(duì)稱(chēng)形式，抗震性能較好。T形、U形僅僅是一軸對(duì)稱(chēng)，抗震性能不強(qiáng)。

（3）均勻性。該性能只要是指建筑結(jié)構(gòu)的均勻性，具備良好的均勻性，可以使建筑物的質(zhì)量中心與抗震結(jié)構(gòu)體系的剛度中心接近重合，降低地震導(dǎo)致的偏心扭轉(zhuǎn)。如果剛度結(jié)構(gòu)不均勻，則會(huì)發(fā)生很大偏心，導(dǎo)致虛假對(duì)稱(chēng)，不利于抗震。

（4）密實(shí)性。所有豎向結(jié)構(gòu)的構(gòu)件的總面積與樓層總面積的比值就是結(jié)構(gòu)平面的密度，直接影響建筑物的抗震性能。建筑水平結(jié)構(gòu)可以用來(lái)抵御水平地震載荷，結(jié)構(gòu)平面的密度越大，抗震性能越好。

（5）高寬比。高寬比嚴(yán)重影響建筑物的抗震性能，針對(duì)高層建筑，建筑物越細(xì)，則地震導(dǎo)致的傾覆作用就越嚴(yán)重。通常，地震區(qū)內(nèi)的建筑物應(yīng)該具備較高的側(cè)向剛度，高寬比應(yīng)該較小，一般以3～4m為宜。

（6）剪力墻的分布。剪力墻是建筑物主要的抗震構(gòu)建，需要注意其平面布置情況。剪力墻的剛度、強(qiáng)度與抗震性能等與墻身的開(kāi)洞大小、數(shù)量與位置等因素有關(guān)。當(dāng)剪力墻有洞口時(shí)，其特性隨洞口大小的變化而變化。洞口從無(wú)到有，從小變大，特征也由強(qiáng)度與剛度較大的實(shí)心剪力墻變成開(kāi)口剪力墻。一旦剪力墻的洞口較大時(shí)，發(fā)生地震，剪力墻的洞口與局部減弱處有可能發(fā)生破壞。

4 案例分析——某大學(xué)綜合教學(xué)樓

4.1 背景概述

某市屬于7度抗震設(shè)防烈度區(qū)，但是，根據(jù)歷史顯示，該地區(qū)所發(fā)生的大地震頻率并不是很高。但是，該市的高層建筑林立，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)這些高層建筑進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。本文所分析的某大學(xué)教學(xué)樓是一棟建筑平面與立面并不規(guī)則的高層建筑，所采用的抗震措施與抗震效果對(duì)于建筑設(shè)計(jì)具備重要意義。

某大學(xué)教學(xué)樓總占地面積15615m2，建筑面積46240m2，地下1層，地上21層，每層高為4m，且每3層設(shè)置一個(gè)高為2米的設(shè)備層，建筑物總高98m，整體使用鋼結(jié)構(gòu)，總重為7600t。

4.2 建筑設(shè)計(jì)

該教學(xué)樓的主體建筑為方正簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)，其中，內(nèi)部空間的設(shè)計(jì)是底邊長(zhǎng)48.6m，高98m的長(zhǎng)方體，使用L形體塊單元采用依次螺旋上升的布置方案，構(gòu)建統(tǒng)一的高層建筑。

4.3 抗震性能設(shè)計(jì)

本建筑物具備獨(dú)特的建筑體型、不斷上升的L形平面布局與設(shè)備夾層設(shè)計(jì)，導(dǎo)致了該樓具備明顯的平面不規(guī)則與豎向不規(guī)則等特點(diǎn)，給抗震設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。

（1）L形體塊單元屬于基本無(wú)柱空間，可以靈活的用于教學(xué)、辦公、科研等功能。同時(shí)，由于中間是開(kāi)放式中庭設(shè)計(jì)，將不能利用空間設(shè)置核心筒抵抗水平地震作用。

（2）L形體快單元進(jìn)行螺旋疊放，將會(huì)導(dǎo)致其質(zhì)量中心也呈現(xiàn)螺旋上升排列，如果發(fā)生地震，將會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

（3）每層樓板的開(kāi)洞較大，較多樓層的樓板開(kāi)洞面積大于整個(gè)樓板的35%，導(dǎo)致樓板削弱較多，不利于抗震。

針對(duì)以上建筑設(shè)計(jì)對(duì)于抗震的影響，可以使用如下方案進(jìn)行解決：

（1）建筑整體使用柱距為16.2m的大柱，不僅可以滿足不同的功能需求，而且還可以達(dá)到減輕結(jié)構(gòu)自重，提高抗震的性能。

（2）結(jié)合建筑表皮的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，結(jié)合阻尼器設(shè)計(jì)成為粘滯阻尼支撐體系，加強(qiáng)剛度，降低結(jié)構(gòu)地震作用的反應(yīng)，提高抗震性能。

（3）改善L形體塊單元螺旋上升到引起的建筑豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

（4）梁板體系使用熱軋H型鋼梁與壓型鋼板進(jìn)行組合，板底不進(jìn)行受拉鋼筋配置，可以實(shí)現(xiàn)水平力作用下梁與板共同工作，加強(qiáng)抗震能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

地震是常見(jiàn)的自然災(zāi)害，地震所導(dǎo)致的災(zāi)害非常嚴(yán)重，只有提高建筑物的抗震設(shè)計(jì)才能提高建筑物的抗震能力。本文從建筑設(shè)計(jì)的角度分析，使用理論與案例相結(jié)合的方法進(jìn)行了建筑設(shè)計(jì)與抗震設(shè)計(jì)的討論分析。在給出建筑抗震設(shè)計(jì)影響因素的前提下，結(jié)合實(shí)際的案例，即該市某大學(xué)高層建筑物，進(jìn)行了建筑設(shè)計(jì)與抗震分析，并提出了相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)改進(jìn)方案。

參考文獻(xiàn)

[1]劉其祥，蔡益燕.多高層房屋鋼結(jié)構(gòu)梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2012，31（8）：19～20.

[2]李燦燦，陸洲導(dǎo)，李凌志.建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)[J].四川建筑科學(xué)研究，2012（10）：46～47.

[3]楊磊.2010論高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].建筑設(shè)計(jì)管理，2013（10）：36～37.

作者簡(jiǎn)介：樊亞明（1970-），男，本科，中級(jí)，主要從事建筑設(shè)計(jì)工作。