基于抗震概念設(shè)計的建筑平立面布置

丁佩蓉　侯迪　戴舒歆

摘要：20世紀(jì)以來，中國地震愈發(fā)頻繁，因此當(dāng)代建筑物的抗震設(shè)計顯得尤為重要。為了使得建筑本身具有良好的抗震性能，設(shè)計者應(yīng)根據(jù)概念設(shè)計的理念在設(shè)計初步階段采用合理房屋體型和結(jié)構(gòu)形式。本文通過理論和具體的實例分析，介紹了抗震概念設(shè)計中的建筑平立面布置的原則和要求。

關(guān)鍵詞：概念設(shè)計；平立面布置；規(guī)則

1.引論

城市化的進(jìn)程使得人們對于時尚產(chǎn)生了更強烈的追求感，而在建筑師的手下其具體表現(xiàn)為各種格式美觀奇特的建筑物，如北京的央視大樓、蘇州的東方之門等等。此類建筑雖然為城市添加了亮點，但給結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計帶來了極大的挑戰(zhàn)，尤其是抗震設(shè)計。先天存在的薄弱環(huán)節(jié)會將結(jié)構(gòu)的安全性大打折扣，對人民的生命財產(chǎn)造成巨大的威脅。因而設(shè)計者應(yīng)遵循建筑概念設(shè)計的原則，盡量避免設(shè)計出非常規(guī)的建筑。建筑概念設(shè)計是廣大科技人員通過對大量建筑地震震害實例進(jìn)行分析，歸納總結(jié)出來的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想，自20世紀(jì)70年代提出以來愈來愈受到國內(nèi)外工程界的普遍重視。概念設(shè)計強調(diào)，在工程設(shè)計一開始就應(yīng)采用合適的房屋體型、結(jié)構(gòu)體系，從而從根本上消除建筑中的抗震薄弱環(huán)節(jié)。本文即是對建筑的平立面布置中“房屋體型”的具體闡述。

2.建筑的平面布置

建筑物的平面布置宜規(guī)則、對稱（圖1），質(zhì)量與剛度變化均勻，型心、質(zhì)心、剛心宜重合（三心合一）；不宜采用嚴(yán)重不規(guī)則布置。當(dāng)采用不規(guī)則平面布置的結(jié)構(gòu)時，其平面質(zhì)量中心A（即外荷載合力作用點）與其剛度中心B（即平面扭轉(zhuǎn)中心）不重合，先天給結(jié)構(gòu)形成了一個偏心距e，這時在水平地震作用下不僅產(chǎn)生地震力F而且產(chǎn)生扭矩（圖2），顯然偏心距e愈大扭矩就愈大，地震中產(chǎn)生的破壞也就愈大。高層建筑宜選用風(fēng)作用效應(yīng)較小的平面形狀。在沿海地區(qū)，風(fēng)力成為高層建筑的控制型荷載，采用風(fēng)壓較小的平面形狀有利于抗風(fēng)設(shè)計。對抗風(fēng)有利的平面形狀是簡單、規(guī)則的凸平面，如圓形、正多邊形、橢圓形、鼓形等平面。對抗風(fēng)不利的平面是有較多凹、凸的復(fù)雜平面形狀，如V形、Y形、H形、弧形等平面。

在尼加拉瓜的馬那瓜市中心有兩幢相鄰的高層建筑一一中央銀行和美洲銀行。美洲銀行內(nèi)層采用對稱布置的鋼筋混凝土芯筒，外層也是完全對稱的框筒，形成了一個三心合一的筒中筒（圖3）；而中央銀行有一層地下室采用框架體系，兩個鋼筋混凝土電梯井和兩個樓梯間均集中布置在平面右端，同時，右端山墻還砌有填充墻，使得結(jié)構(gòu)偏心嚴(yán)重（圖4）。在1972年的地震中，美洲銀行僅產(chǎn)生了少許的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，而整體并無損壞，然而中央銀行在地震時有強烈的扭轉(zhuǎn)震動，許多結(jié)構(gòu)構(gòu)件嚴(yán)重破壞而最終倒塌。由此可見，建筑平面的不規(guī)則布置會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)降低，在

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011 2010）中，對不規(guī)則的平面布置劃分為以下三種情況：（1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則——樓層的最大彈性水平位移或?qū)娱g位移大于該樓層兩端彈性水平位移或?qū)娱g位移平均值的1.2倍；（2）凹凸不規(guī)則——結(jié)構(gòu)平面凹進(jìn)的一側(cè)尺寸大于相應(yīng)投影方向總尺寸的30%；（3）樓板局部不連續(xù)——樓板的尺寸和平面剛度急劇變化，例如，有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的50%，或開洞面積大于該層樓樓面面積的30%，或較大的樓層錯層（圖5）。建筑形體及其構(gòu)件布置不規(guī)則時，應(yīng)按規(guī)范相應(yīng)要求進(jìn)行地震作用計算和內(nèi)力調(diào)整，并應(yīng)對薄弱部位采取有效的抗震構(gòu)造措施。

3.建筑的立面布置

建筑物立面形狀的突然變化，必然帶來質(zhì)量和抗側(cè)移剛度的劇烈變化，地震時，該突出部位就會因劇烈振動或塑性變形集中而加重破壞。因此，建筑的立面和豎向剖面宜規(guī)則，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜均勻變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小，避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變。盡量采用矩形、梯形、三角形等均勻變化的幾何形狀（圖6），而避免采用帶有突然變化的階梯形立面。

臺灣的東星大樓是1999年臺灣921大地震中崩塌最嚴(yán)重的建筑。由宏程建設(shè)委托大林建筑師事務(wù)所設(shè)計、鴻固營造公司負(fù)責(zé)營造施工的東星大樓建于1982年，落成于1984年，總樓層為地上12層、地下2層，用途則為住商混合用途建筑物。東星大樓于地震后，往東側(cè)傾斜崩塌（圖7）。大樓東北側(cè)的八樓樓地板掉落至地面，樓層往西側(cè)及地下樓層擠壓。另外，東南側(cè)部分，六樓崩塌至地面，六樓以下樓層被嚴(yán)重擠壓。至于西側(cè)九樓以60度嚴(yán)重傾斜，八樓以下樓板遭嚴(yán)重擠壓，西南側(cè)三樓以下仍為完整。該建筑破壞嚴(yán)重主要原因為側(cè)向剛度突變，大型停車場、銀行、寫字樓、住宅區(qū)為一體使得建筑物側(cè)向剛度不規(guī)則。與之同時南投縣汽車站也發(fā)生了嚴(yán)重破壞，其三層建筑底層候車大廳空曠少墻，二、三層為辦公用房，橫墻較多，地震時底層塌平，其破壞性質(zhì)幾乎與東星大樓如出一轍。

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011 2010）中將豎向不規(guī)則的立面布置主要類型劃分如下：（1）側(cè)向剛度不規(guī)則——該層的側(cè)向剛度小于相鄰上一層的70%，或小于其上相鄰三個樓層側(cè)向剛度平均值的80%，除頂層外，局部收進(jìn)的水平向尺寸大于相鄰下一層的25%；（2）豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)一一豎向抗側(cè)力構(gòu)件（柱、抗震墻、抗震支撐）的內(nèi)力由水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件（粱、桁、架等）向下傳遞；（3）樓層承載力突變——抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力小于相鄰上一層的80%。當(dāng)建筑物采用不規(guī)則的立面布置時，應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計算模型，其薄弱層的地震剪力應(yīng)乘以1.15的增大系數(shù)，并應(yīng)按

4、總結(jié)

現(xiàn)階段的抗震設(shè)計往往需要進(jìn)行復(fù)雜的計算分析，由于新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，抗震計算分析能力得到了很大提高，但由于地震振動的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)分析方面的不準(zhǔn)確性，所以不能僅靠計算解決工程抗震問題。建筑抗震概念設(shè)計同樣是結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行抗震設(shè)計的指導(dǎo)性思想，而建筑物的布局和結(jié)構(gòu)布置又是影響其動力性能的關(guān)鍵因素，更應(yīng)引起設(shè)計人員的重視。設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)工程抗震概念各方面的知識和經(jīng)驗，合理進(jìn)行建筑的平立面布置，提高建筑物的抗震性能，得到更合理的抗震設(shè)計。