王冬曄,林 熙
(1.廈門(mén)城市職業(yè)學(xué)院,福建 廈門(mén),361008;2.廈門(mén)兩岸金融中心建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司,福建 廈門(mén),361008)
概念設(shè)計(jì)是指在特定的建筑空間及環(huán)境條件下,用整體概念來(lái)考慮結(jié)構(gòu)的總體方法,且能有意識(shí)地發(fā)揮和利用結(jié)構(gòu)總體系和各分體系之間的力學(xué)特性與關(guān)系[1]。 抗震概念設(shè)計(jì)就是把地震及其影響的不確定性和規(guī)律性結(jié)合起來(lái), 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著眼于結(jié)構(gòu)的總體反應(yīng), 依據(jù)結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制和破壞過(guò)程,靈活運(yùn)用抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,從一開(kāi)始就全面合理地把握好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的本質(zhì)問(wèn)題,如把握好總體布置、結(jié)構(gòu)體系、承載能力與剛度分布、結(jié)構(gòu)延性等,顧及關(guān)鍵部位的細(xì)節(jié),力求消除結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)或?qū)﹃P(guān)鍵部位制定明確的抗震性能目標(biāo),從根本上保證結(jié)構(gòu)的抗震性能[2]。 歷次地震建筑震害調(diào)查表明,對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),“概念設(shè)計(jì)”比“計(jì)算設(shè)計(jì)”更為重要[3]。
世界各國(guó)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中,一般包含兩大部分,即具有理論依據(jù)的定量計(jì)算和憑借工程經(jīng)驗(yàn)積累的定性分析即“概念設(shè)計(jì)”。 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)涉及地震活動(dòng)、結(jié)構(gòu)反應(yīng)等諸多問(wèn)題,是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作,其所涉及因素自身具有很大的復(fù)雜性和不確定性,且目前人們對(duì)于地震工程科學(xué)的認(rèn)知水平處于一個(gè)較低的水平,單純依靠精細(xì)的計(jì)算理論和計(jì)算方法,是無(wú)法得到經(jīng)濟(jì)合理的抗震設(shè)計(jì)方案,因此必須依靠概念設(shè)計(jì)來(lái)彌補(bǔ)理論和規(guī)范的缺陷,更加真實(shí)客觀理解結(jié)構(gòu)的工作性能,更好滿足建筑設(shè)計(jì)的要求。 然而,國(guó)內(nèi)外研究者一般更關(guān)注有較多技術(shù)含量的定量計(jì)算。 對(duì)于基于工程經(jīng)驗(yàn),缺乏物理基礎(chǔ)的概念設(shè)計(jì),往往被認(rèn)為有一定的模糊性,且較難挖掘創(chuàng)新點(diǎn)。 因此長(zhǎng)期以來(lái),對(duì)抗震概念設(shè)計(jì)的研究較少,許多國(guó)家的抗震規(guī)范中關(guān)于抗震概念設(shè)計(jì)并未形成完整的體系,推廣概念設(shè)計(jì)以成為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的當(dāng)務(wù)之急。 文獻(xiàn)[4]闡述了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案選擇的基本概念和思路。Charleson A、Taylor M5],Arnold C、Reitherman R[6-7],Gero J S[8]、潘毅[9]、朱興治[10]、趙真[11]等學(xué)者從各個(gè)不同的角度闡述抗震概念設(shè)計(jì)的重要性。 近年來(lái),唐登云[12]、陳嫣[13]、高猛[14]、彭子城[15]等學(xué)者針對(duì)多、高層建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn),闡述概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用。
近年來(lái),我國(guó)房地產(chǎn)市場(chǎng)高速發(fā)展,由于整體開(kāi)發(fā)周期普遍較短,在產(chǎn)品定位階段,結(jié)構(gòu)專業(yè)往往參與度不高,加上結(jié)構(gòu)工程師本身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和理論水平參差不齊,使得結(jié)構(gòu)工程師在房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)的前期階段發(fā)揮的作用不大,導(dǎo)致最終的建筑方案不是最優(yōu)的,甚至是不合理的。 本文通過(guò)一個(gè)真實(shí)的工程案例,說(shuō)明結(jié)構(gòu)專業(yè)在產(chǎn)品定位階段的重要性,以及運(yùn)用抗震概念設(shè)計(jì)的思路。
產(chǎn)品定位是房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)過(guò)程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié),包括市場(chǎng)策劃、投融資測(cè)算、產(chǎn)品定位、成本控制及銷(xiāo)售方案等,是一個(gè)相互制約,相輔相成的系統(tǒng)。 優(yōu)秀的方案設(shè)計(jì)必定是建筑與結(jié)構(gòu)的完美結(jié)合,建筑師的想法和要求不是一開(kāi)始就很明確的,建筑設(shè)計(jì)必須達(dá)到與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的密切結(jié)合才能最終落定[16]。 然而,結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)往往滯后于建筑方案,結(jié)構(gòu)工程師往往在初步設(shè)計(jì)階段才真正開(kāi)始介入項(xiàng)目,此時(shí)建筑方案已基本定型,即便結(jié)構(gòu)體系不合理也無(wú)法進(jìn)行大的調(diào)整,這就容易造成結(jié)構(gòu)體系不規(guī)則或結(jié)構(gòu)超限,增加建設(shè)成本和建設(shè)難度,有的項(xiàng)目甚至?xí)嬖诮Y(jié)構(gòu)安全隱患。因此,結(jié)構(gòu)工程師在產(chǎn)品定位階段與建筑師同時(shí)介入項(xiàng)目是十分重要的。在此階段,結(jié)構(gòu)工程師主要的工具便是抗震概念設(shè)計(jì)原理,同時(shí)綜合考慮成本造價(jià)和施工合理性等因素,提出多種結(jié)構(gòu)體系比選方案,為建筑師提供靈感,為建筑方案提供支持,最終的方案一定是建筑和結(jié)構(gòu)兩個(gè)專業(yè)達(dá)成一致的成果。
抗震概念設(shè)計(jì)的內(nèi)容十分豐富,涉及范圍較廣,在房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品定位階段,結(jié)構(gòu)工程師可重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面:
(1)工程場(chǎng)地的選擇。 應(yīng)遵循“選擇有利場(chǎng)地、避開(kāi)不利場(chǎng)地、不應(yīng)選擇危險(xiǎn)場(chǎng)地”的概念設(shè)計(jì)思想。 汶川地震中因地震引發(fā)的大量地質(zhì)災(zāi)害的教訓(xùn)深刻說(shuō)明,以目前的科學(xué)技術(shù)水平,經(jīng)濟(jì)有效地防御地質(zhì)災(zāi)害還十分困難。 在建筑方案總體設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)做好必要的勘探工作,將建筑物基礎(chǔ)落于穩(wěn)定安全的地帶,盡量避免地表錯(cuò)動(dòng)、地裂、軟土震陷、邊坡失穩(wěn)、滑坡及液化等等不利影響。
(2)選擇合理的建筑結(jié)構(gòu)體系和布置方案。 歷次大地震震害調(diào)查表明,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、形體對(duì)稱的建筑由于傳力機(jī)制簡(jiǎn)單且抗震構(gòu)造措施容易實(shí)現(xiàn),在遭遇地震時(shí)往往震害較小。 在房地產(chǎn)項(xiàng)目中,由于戶型及建筑用功能等制約,要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單對(duì)稱往往比較難實(shí)現(xiàn)。 但應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的豎向和水平布置具有合理的剛度和承載力分布,盡量避免因局部突變和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)形成薄弱部位;適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)的冗余度,使結(jié)構(gòu)體系具有備用的荷載傳遞路徑,避免結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn);設(shè)置多道抗震防線,建立合理的屈服機(jī)制和耗能機(jī)制。
(3)對(duì)于不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型、不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件要采用不同的抗震概念設(shè)計(jì)思路。房地產(chǎn)項(xiàng)目中由于開(kāi)發(fā)業(yè)態(tài)不同,會(huì)遇到許多不同的結(jié)構(gòu)形式,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)吸取理念大地震震害經(jīng)驗(yàn),針對(duì)不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的抗震措施不斷充實(shí)完善。 歷次大地震后,都會(huì)存留一些屹立不倒的建筑,但就此判斷為成功的抗震概念的案例是牽強(qiáng)的。 如1976年唐山大地震中,有不少內(nèi)框架砌體結(jié)構(gòu)未倒塌,規(guī)范也因此保留此類(lèi)結(jié)構(gòu)形式,然而之后證明,該結(jié)構(gòu)形式不具備抵抗強(qiáng)震的能力,因此在1989年抗震規(guī)范中刪除了此種結(jié)構(gòu)形式。
廈門(mén)金融創(chuàng)新大廈位于廈門(mén)兩岸金融中心核心啟動(dòng)區(qū)商務(wù)區(qū)11-1 地塊。 項(xiàng)目總用地面積為8 903.437m2,地塊東西方向較長(zhǎng),約為117 m,南北向約為75 m,計(jì)容建筑總面積約為61 434 m2。 擬建一棟高度約142m 的塔樓,裙房3 層,地下室3 層。 因地處沿海首排,塔樓開(kāi)闊無(wú)遮擋的觀海面是銷(xiāo)售最大亮點(diǎn),也成為項(xiàng)目建筑方案設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)之一,為實(shí)現(xiàn)這個(gè)理念,初步建筑方案中,塔樓核心筒向西側(cè)偏置。 從建筑平面布置看,可售單元分為東側(cè)和西側(cè)前后兩排,共5 個(gè)單元,東側(cè)3 個(gè)單元無(wú)遮擋觀海,西側(cè)兩個(gè)大戶型單元部分觀海。 初步建筑方案標(biāo)準(zhǔn)平面圖如圖1 所示。 建筑效果圖如圖2 所示。
圖1 初步建筑方案標(biāo)準(zhǔn)平面圖
鑒于項(xiàng)目地處核心啟動(dòng)區(qū)中心金融集核,考慮與城市界面的親和與謙讓,并營(yíng)造出大堂入口空間的標(biāo)志性符號(hào),建筑師在北側(cè)挑空廊道部位設(shè)計(jì)了一個(gè)六層樓高的巨型鋼支撐結(jié)構(gòu)。 巨型支撐效果圖如圖3 所示。
圖2 初步建筑方案效果圖
圖3 巨型支撐效果圖
本塔樓結(jié)構(gòu)高度約為142 m,超過(guò)筒體-框架體系A(chǔ) 級(jí)最大高度130 m,屬B 級(jí)高度高層建筑,為高度超限高層建筑。
結(jié)構(gòu)工程師運(yùn)用抗震概念設(shè)計(jì)的原理對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行定性的分析,有以下方面。
(1)建筑場(chǎng)地的選擇。 由于場(chǎng)地因素引起的震害往往特別嚴(yán)重,如果能避開(kāi)對(duì)抗震不利的場(chǎng)地和選擇對(duì)抗震有利的場(chǎng)地進(jìn)行建設(shè),就能大大減輕地震災(zāi)害[17]。廈門(mén)島內(nèi)橫跨西南~東北向有大斷裂構(gòu)造帶“員當(dāng)-鐘宅斷裂構(gòu)造帶”[18]。結(jié)構(gòu)工程師要求對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行初步地質(zhì)勘查顯示,片區(qū)內(nèi)有存在斷裂構(gòu)造帶的可能性,但地塊內(nèi)巖層分布相對(duì)均勻,初判塔樓所處位置為有利場(chǎng)地條件,建筑總體平面無(wú)需調(diào)整。
(2)結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性。建筑平面布置宜簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱,質(zhì)量中心與剛度中心宜重合[2]。平面不規(guī)則的主要類(lèi)型有扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則和樓板局部不連續(xù)[3]。 初步建筑方案中,由于核心筒偏置,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛心與質(zhì)心偏置,對(duì)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形不利,可能出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。
(3)結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性。 建筑的豎向體型宜規(guī)則、均勻,避免有過(guò)大的外挑和收斂[2]。 豎向不規(guī)則的主要類(lèi)型有側(cè)向剛度不規(guī)則、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)和樓層承載力突變[3]。 初步建筑方案中的巨型支撐的部位形成豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)。
(4)結(jié)構(gòu)體系的選擇。結(jié)構(gòu)體系的選擇是一個(gè)綜合的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)問(wèn)題,應(yīng)周密加以考慮,既要考慮結(jié)構(gòu)的抗震安全性,同時(shí)也要盡可能的經(jīng)濟(jì)[2]。 結(jié)構(gòu)工程師初判鋼筋混凝土框架-核心筒體系適合本項(xiàng)目,但可能存在豎向構(gòu)件尺寸較大,施工速度較慢及平面不規(guī)則等問(wèn)題。
產(chǎn)品定位階段的建筑方案尚不成熟,無(wú)法也無(wú)需對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行精確建模計(jì)算。 本項(xiàng)目中,結(jié)構(gòu)工程師采用美國(guó)CSI 公司開(kāi)發(fā)研制ETABS 結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件,初步建模計(jì)算。 典型樓層三維示意圖如圖4 所示。 其中,通過(guò)考察彈性層間位移角,宏觀判斷結(jié)構(gòu)體系的整體剛度及各層剛度布置的合理性; 通過(guò)考察周期比,判斷扭轉(zhuǎn)不規(guī)則對(duì)結(jié)構(gòu)布置的影響。
圖4 典型樓層三維示圖
層間位移角計(jì)算分析結(jié)果顯示,X 向地震層間位移角最大值為1/869,X 向風(fēng)位移角最大值為1/1 732,均出現(xiàn)在第14 層; Y 向地震層間位移角最大值為1/973,Y 向風(fēng)位移角最大值為1/823,均出現(xiàn)在第25 層;結(jié)果表明,在小震作用下、風(fēng)荷載作用下兩個(gè)方向的最大層間位移角均小于規(guī)范限值1/800,滿足文獻(xiàn)[19]要求。
前3 個(gè)振型的周期比計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表1。分析表明:結(jié)構(gòu)第一振型為X 平動(dòng)帶局部扭轉(zhuǎn),第二振型為Y 向平動(dòng),第三振型為扭轉(zhuǎn)主振型。 扭轉(zhuǎn)主振型周期與第一平動(dòng)周期的比值為0.8,小于文獻(xiàn)[19]規(guī)定限值0.85。 但第一自振周期的扭轉(zhuǎn)成分大于30%,扭轉(zhuǎn)很不純粹,不滿足文獻(xiàn)[19]9.2.5 條的規(guī)定。
從上述分析可見(jiàn)原方案并非最優(yōu)方案。 結(jié)構(gòu)工程師提出以下合理化建議。
(1)建議取消巨型支撐,消除豎向構(gòu)件不連續(xù)問(wèn)題。 巨型支撐僅作為建筑的標(biāo)志性符號(hào),并無(wú)實(shí)際使用的功能。 最終,建筑師接受此建議。
(2)建議在山墻處增設(shè)斜撐以增加外框架柱的剛度,改善扭轉(zhuǎn)不規(guī)則,但因?qū)ㄖ⒚嬖斐奢^大影響,建筑師不接受此建議。
(3)采用鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒的混合結(jié)構(gòu)作為比選方案一,試圖優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸,增加使用面積,并提高施工速度。
(4)采用鋼筋混凝土筒中筒結(jié)構(gòu)體系作為比選方案二,試圖改善結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的問(wèn)題。
(5)仍采用鋼筋混凝土框-筒結(jié)構(gòu)體系,改變結(jié)構(gòu)平面布置作為比選方案三,試圖改善結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的問(wèn)題。
比選方案一,核心筒采用鋼筋混凝土核心筒,外框架采用鋼管混凝土柱和鋼框梁,樓蓋體系采用組合梁+組合樓板。結(jié)合本塔樓特點(diǎn),初步選定第24層(避難層)作為加強(qiáng)層,加強(qiáng)層周邊框架設(shè)置環(huán)桁架,沿Y 向設(shè)置兩道伸臂,有效地提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度,提高抗風(fēng)、抗震能力。 典型樓層三維適意圖如圖5 所示,加強(qiáng)層三維適意圖如圖6 所示。
圖5 比選方案一典型樓層三維示意圖
比選方案二采用鋼筋混凝土筒中筒結(jié)構(gòu)體系,外框筒柱子間距為2.7~4.5 m, 大部分柱子間距為4 m。典型樓層三維示意圖如圖7 所示。
圖6 比選方案一24 層加強(qiáng)層三維示意圖
圖7 比選方案二典型樓層三維示意圖
比選方案三不改變結(jié)構(gòu)體系,而是將塔樓標(biāo)準(zhǔn)層平面進(jìn)行調(diào)整。 調(diào)整后,西側(cè)兩個(gè)戶型變小,且犧牲觀海面。 東側(cè)三個(gè)觀海戶型單元面積變大。 調(diào)整后平面如圖8 所示。
圖8 調(diào)整后建筑方案平面圖(單位:mm)
3 個(gè)比選方案的X、Y 向地震層間位移角最大值,X、Y 向風(fēng)位移角最大值,以及各自出現(xiàn)的樓層數(shù)詳見(jiàn)表1。
表1 層間位移角計(jì)算結(jié)果
通過(guò)計(jì)算, 結(jié)果表明,3 個(gè)比選方案在小震作用下、 風(fēng)荷載作用下兩個(gè)方向的最大層間位移角均小于規(guī)范限值,其中,方案一和方案三小于1/800, 方案二小于1/1 000,滿足文獻(xiàn)[19]要求。
初步建筑方案周期比計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表2。
表2 周期比計(jì)算結(jié)果
對(duì)于比選方案一:結(jié)構(gòu)第一振型為X 平動(dòng)帶局部扭轉(zhuǎn),第二振型為Y 向平動(dòng),第三振型為扭轉(zhuǎn)主振型。扭轉(zhuǎn)主振型周期與第一平動(dòng)周期的比值為0.8,小于規(guī)范限值0.85。但第一自振周期的扭轉(zhuǎn)成分仍大于30%,扭轉(zhuǎn)很不純粹,不滿足文獻(xiàn)[19]9.2.5 條的規(guī)定。
對(duì)于比選方案二:結(jié)構(gòu)第一振型為Y 平動(dòng),第二振型為X 向平動(dòng)帶局部扭轉(zhuǎn),第三振型為扭轉(zhuǎn)主振型。扭轉(zhuǎn)主振型周期與第一平動(dòng)周期的比值為0.78,小于規(guī)范限值0.9。第一自振周期的扭轉(zhuǎn)成分僅為2%,說(shuō)明扭轉(zhuǎn)較為純粹,扭轉(zhuǎn)不規(guī)則得到改善。
對(duì)于比選方案三:結(jié)構(gòu)第一振型為X 平動(dòng)帶局部扭轉(zhuǎn),第二振型為Y 向平動(dòng),第三振型為扭轉(zhuǎn)主振型。 扭轉(zhuǎn)主振型周期與第一平動(dòng)周期的比值為0.787,小于規(guī)范限值0.85。 第一自振周期的扭轉(zhuǎn)成分為26%,扭轉(zhuǎn)不規(guī)則得到一定改善。
初步建筑方案及3 個(gè)比選方案的工程量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。
表3 工程量統(tǒng)計(jì)
對(duì)于比選方案一,從使用面積和施工速度角度比較,混合結(jié)構(gòu)鋼管混凝土柱斷面尺寸較小,施工較快,但均不明顯。 從經(jīng)濟(jì)性角度初步比較,混合結(jié)構(gòu)體系綜合造價(jià)明顯較高,且防火涂料未計(jì)算入內(nèi),如采用鋼筋桁架樓板或組合樓承板,也會(huì)增加一部分造價(jià)。 因此,混合結(jié)構(gòu)體系對(duì)結(jié)構(gòu)改善的效果不明顯,且造價(jià)更高,開(kāi)發(fā)商最終沒(méi)有接受混合結(jié)構(gòu)體系方案。
對(duì)于比選方案二,從結(jié)構(gòu)剛度角度比較,筒中筒體系較框-筒體系好,規(guī)范位移角限值前者比后者嚴(yán)格,前者為1/1 000,后者為1/800;從扭轉(zhuǎn)不規(guī)則角度比較,筒中筒體系明顯優(yōu)于框-筒體系,從這個(gè)角度可以說(shuō),筒中筒體系是本建筑方案最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式。 從經(jīng)濟(jì)性角度初步比較,筒中筒體系略高,但差別不是十分明顯。
筒中筒結(jié)構(gòu)中,各可售單元內(nèi)無(wú)框架柱,增加使用面積,但對(duì)建筑立面有較大約束,建筑師需對(duì)建筑立面方案進(jìn)行較大調(diào)整,與建筑師溝通后,此結(jié)構(gòu)體系作為備選方案。
對(duì)于比選方案三,調(diào)整后的方案采用的仍然是鋼筋混凝土框-筒體系,成本和施工速度與原建筑方案基本一致。 從結(jié)構(gòu)角度而言,調(diào)整后對(duì)于結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則有一定的改善,但不如筒中筒結(jié)構(gòu)體系改善明顯,此結(jié)構(gòu)體系仍不是結(jié)構(gòu)最優(yōu)的體系。經(jīng)銷(xiāo)售經(jīng)濟(jì)測(cè)算,調(diào)整后收益利潤(rùn)更高。 綜合考慮建筑使用功能,銷(xiāo)售優(yōu)劣性后,最終開(kāi)發(fā)商采納此方案作為正式的建筑方案。
抗震概念設(shè)計(jì)是抗震設(shè)計(jì)中不可缺失的重要組成部分。 房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品定位階段,結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)用抗震概念設(shè)計(jì)原理, 對(duì)建筑方案做出定性判斷, 并利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)重要參數(shù)做出定量分析,可得到一個(gè)從建筑美學(xué)、結(jié)構(gòu)合理性、成本、施工及銷(xiāo)售各個(gè)維度評(píng)判后最優(yōu)的方案。