建筑平面設(shè)計(jì)的規(guī)則性對(duì)抗震性能的影響

秦 潔

山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司（030032）

0 前言

建筑行業(yè)的發(fā)展提高了我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的水平。隨著現(xiàn)代建筑理念的改變，越來越多的新型結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在現(xiàn)代建筑中，特別是不規(guī)則結(jié)構(gòu)形式的出現(xiàn)，對(duì)建筑的抗震性提出了新的要求。在平面設(shè)計(jì)中，運(yùn)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，掌握好規(guī)則性設(shè)計(jì)要求，能夠全面提高建筑物的抗震水平。

1 建筑平面布置需要考慮的要素

建筑物是一個(gè)三維立體式的結(jié)構(gòu)，由長(zhǎng)、寬、高三個(gè)方向構(gòu)成。因此，建筑物的平面設(shè)計(jì)要從平、立、剖三個(gè)方向來綜合考慮建筑物的各種特征。在方案設(shè)計(jì)時(shí)，從平面設(shè)計(jì)入手，明確立面與剖面之間的科學(xué)性以及合理關(guān)系。

建筑平面包括主要使用房間、輔助房間、交通樞紐、水平交通、垂直交通等。主要使用房間包括生活用房、辦公用房、公共活動(dòng)用房，如住宅、旅館、辦公室、實(shí)驗(yàn)室、劇院、電影院、觀眾休息廳、營(yíng)業(yè)廳等。平面設(shè)計(jì)要求根據(jù)房間的面積形狀和尺寸滿足功能要求[1]。

疏散門的位置方便疏散，窗戶要求滿足良好的采光和通風(fēng)，房間布置要方便人們正常使用。設(shè)計(jì)應(yīng)符合相應(yīng)建筑標(biāo)準(zhǔn)，室內(nèi)空間、地面、頂棚、墻面應(yīng)考慮人們的使用要求和審美需求。房間平面設(shè)計(jì)的主體內(nèi)容是房間的面積、形狀、尺寸和門窗設(shè)計(jì)。面積設(shè)計(jì)時(shí)要明確家居設(shè)備的位置，房間面積組成、室內(nèi)活動(dòng)流線、房間的交通面積。

房間形狀包括矩形、方形、多邊形、圓形，在設(shè)計(jì)中要考慮結(jié)構(gòu)形式、經(jīng)濟(jì)條件、適用及美觀等因素。房間形式設(shè)計(jì)中要掌握好結(jié)構(gòu)尺寸，便于開間進(jìn)深，有利于平面組合。房間尺寸是房間的開間和進(jìn)深，需要滿足家具布置要求和人們活動(dòng)的要求，同時(shí)要滿足視聽要求，具有天然采光的條件，要經(jīng)濟(jì)合理的布置結(jié)構(gòu)，按照標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)房間比例[2]。

輔助房間設(shè)計(jì)一般包括廁所設(shè)計(jì)、浴室設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)思路要符合人體活動(dòng)的所需空間。例如走道設(shè)計(jì)、樓梯電梯設(shè)計(jì)、門廳設(shè)計(jì)等。平面設(shè)計(jì)要注重水平交通、垂直交通和交通樞紐之間的聯(lián)系，注意空間形象的美化。如交通線路要簡(jiǎn)潔清晰，走道的設(shè)計(jì)要根據(jù)寬度、長(zhǎng)度進(jìn)行合理分配，直跑樓梯、兩跑樓梯、兩跑三段式樓梯、螺旋式樓梯等，應(yīng)按照平面設(shè)計(jì)的要求，根據(jù)防火疏散要求來確定。

平面設(shè)計(jì)考慮的因素不能從單方面來分析，而是要考慮平面之間的組合形式及立面、剖面之間的聯(lián)系，根據(jù)綜合考慮的結(jié)果合理規(guī)劃以更好地進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，特別是現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中平面設(shè)計(jì)要以實(shí)用性、功能性和審美要求來考量[3]。

2 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本原則

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是施工中的重點(diǎn)內(nèi)容，在建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)中平、立面是否規(guī)則對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性有重要的影響，也是建筑設(shè)計(jì)首先要考慮的問題。在建筑新規(guī)定中要求，建筑設(shè)計(jì)除了要符合抗震設(shè)計(jì)以外，不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案。規(guī)則的平面設(shè)計(jì)有利于提高抗震的剛度和承載力，使建筑結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。在規(guī)則與不規(guī)則的區(qū)分中明確了主要的界限，引起建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則的因素很多，特別是復(fù)雜的建筑體形，無法用簡(jiǎn)化的定量指標(biāo)來區(qū)分不規(guī)則的程度。在抗震設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員要對(duì)建筑的抗震性能有所估計(jì)，采用抗震性能好的規(guī)則的設(shè)計(jì)方案，避免采用較差的不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案[4]。

3 建筑平面不規(guī)則的主要類型和對(duì)抗震性的影響

3.1 建筑平面不規(guī)則的主要類型

建筑平面不規(guī)則主要包括扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板凹凸不規(guī)則和樓板局部不連續(xù)。扭轉(zhuǎn)不規(guī)則主要是指樓層的最大彈性水平位移大于該樓層兩端彈性水平位移平均值的1.2 倍。凹凸不規(guī)則是指結(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%。樓板局部不連續(xù)指的是樓板的尺寸和平面高度急劇變化，有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的50%，或者開洞面積大于該層樓面面積的30%和出現(xiàn)較大的樓層錯(cuò)層。

3.2 建筑平面不規(guī)則對(duì)抗震性的影響

建筑平面不規(guī)則、不對(duì)稱容易造成結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)和脆性破壞，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的倒塌。在建筑結(jié)構(gòu)中，體形應(yīng)該是均勻?qū)ΨQ的，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)破壞主要是構(gòu)件受到扭矩作用時(shí)，構(gòu)件剛度中心地方剪應(yīng)力大，剪切變形。在建筑整體結(jié)構(gòu)中，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到扭矩作用時(shí)，豎向構(gòu)件承受剪力，均勻?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu)受到破壞。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到扭矩的壓力時(shí)，各個(gè)支柱中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的剪力。結(jié)構(gòu)受到扭矩作用時(shí)，離剛心越遠(yuǎn)的構(gòu)件將承受越大的剪力，破壞力較強(qiáng)。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都是基于抗震作用下進(jìn)行配置的，無論是中震還是大震都要通過良好的結(jié)構(gòu)來加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)控制，提高結(jié)構(gòu)的延展性，以達(dá)到耗散地震能量的目的。在中振和大震作用下產(chǎn)生的扭矩作用明顯增大豎向構(gòu)件的剪力，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞[5]。

平面不規(guī)則會(huì)造成平面重心偏移，樓層各個(gè)構(gòu)件尺寸不同會(huì)產(chǎn)生重心的偏移，只有體形對(duì)稱的結(jié)構(gòu)才能夠符合施工要求。但是在現(xiàn)代很多建筑中，施工質(zhì)量和材料具有不確定性，結(jié)構(gòu)存在質(zhì)量偏心問題。自重是一個(gè)隨機(jī)的變量，當(dāng)考慮質(zhì)量分布不均勻，帶來的偶然偏心時(shí)，如果0.05 倍垂直于地震作用方向邊長(zhǎng)，偶然偏心就存在一定問題。

平面不規(guī)則會(huì)造成平面剛度偏心。在理想化的模型設(shè)計(jì)中，按照構(gòu)件的彈性模量和截面尺寸通過計(jì)算公式得到剛度值。施工建造過程中結(jié)構(gòu)確定荷載分布和約束條件下，建筑材料的性質(zhì)不穩(wěn)定，構(gòu)件尺寸控制如果存在誤差，施工工藝和條件受到限制，結(jié)構(gòu)就會(huì)形成一定的約束，存在名義上的均勻?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，但實(shí)際上存在一定程度偏心，這種情況下一旦發(fā)生問題就會(huì)導(dǎo)致抗扭剛度和抗側(cè)剛度隨之改變。

平面不規(guī)則會(huì)造成平面強(qiáng)度偏心。在建筑結(jié)構(gòu)中質(zhì)量和剛度分布均勻是比較理想的狀態(tài)，但是由于材料的限制，構(gòu)件強(qiáng)度不同造成強(qiáng)度偏心容易被忽略，有些構(gòu)件不同的設(shè)計(jì)容易產(chǎn)生誤差。強(qiáng)度偏心和質(zhì)量、剛度偏心同樣都是無法回避的問題。在建筑材料中混凝土鋼筋等材料存在眾多質(zhì)量的不確定性，構(gòu)件方面如果與強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)存在微小的差異，就容易因?yàn)榇蟮慕Y(jié)構(gòu)造成強(qiáng)度偏心。一旦進(jìn)入彈塑性狀態(tài)以后，構(gòu)件水平不同就會(huì)產(chǎn)生抵抗合力作用點(diǎn)的變化，因而引起彈性扭轉(zhuǎn)。

4 平面不規(guī)則的解決措施

4.1 針對(duì)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的設(shè)計(jì)

針對(duì)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的情況還是由于平面布置的不規(guī)則，使得在具有偶然偏心的規(guī)定水平力作用下，樓層兩端抗側(cè)力構(gòu)件彈性水平位移(或?qū)娱g位移)的最大值與平均值的比值大于1.2。這種對(duì)抗震不利的因素在平面設(shè)計(jì)時(shí)要滿足建筑功能的基本需求，遵照平面規(guī)則性來進(jìn)行布置。平面的規(guī)則性就是盡量方正，凹凸變化不要超過規(guī)范限值，避免平面過于異形，對(duì)抗震性能產(chǎn)生不利影響。

為了減緩由于不規(guī)則對(duì)抗震性能產(chǎn)生的影響，一般在建筑功能允許情況下加長(zhǎng)或者加厚周邊剪力墻，提高在離剛心最遠(yuǎn)處的剪力墻扭轉(zhuǎn)度，減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期。減少核心筒的剪力墻厚度，采用弱連梁剪力墻，減少核心筒高度，使結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度增強(qiáng)。在結(jié)構(gòu)周邊設(shè)立拉梁，加強(qiáng)梁的剛度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度，減少周期干擾。結(jié)構(gòu)剛心的剪力墻對(duì)結(jié)構(gòu)扭矩貢獻(xiàn)不大，對(duì)抗側(cè)移剛度貢獻(xiàn)較大，因此，在剛心附近，可以適當(dāng)加強(qiáng)周邊的結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)形成良好效應(yīng)。

4.2 針對(duì)平面凹凸不規(guī)則的設(shè)計(jì)

不規(guī)則平面特點(diǎn)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)凹凸存在偏心距較大的問題,因此在建筑平面方案設(shè)計(jì)中，平面凹進(jìn)的尺寸大于相應(yīng)投影方向總尺寸的30%。把握好這個(gè)尺度限值，使不規(guī)則產(chǎn)生的不利影響控制在結(jié)構(gòu)要求范圍。如平面凹凸不規(guī)則建筑的荷載情況和地震荷載作用，偶然偏心和雙向地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)以及凹凸不規(guī)則平面建筑中關(guān)注的主要參數(shù)（位移比、周期比、減重比、剛重比等）。建筑平面在追求平、立面造型美觀的前提下，盡可能不要大幅度凹凸變化，如果平面不規(guī)則，建筑體形系數(shù)會(huì)變大，對(duì)建筑節(jié)能不利。對(duì)抗震性能的影響，體現(xiàn)了建筑設(shè)計(jì)要素中“安全”要素，需要建筑和結(jié)構(gòu)專業(yè)的相互配合，才能保證建筑的安全可靠。

4.3 針對(duì)樓板局部不連續(xù)的設(shè)計(jì)

樓板局部不連續(xù)（大開洞及錯(cuò)層)是指平面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面面積的30%，或較大的樓層錯(cuò)層，使構(gòu)件承受的荷載較大，在建筑抗震設(shè)計(jì)中樓板局部不連續(xù)導(dǎo)致平面設(shè)計(jì)不規(guī)則。故在平面設(shè)計(jì)中避免樓板大開洞，造成的樓板局部不連續(xù)，即使開洞也要保證開洞面積不大于樓板總面積的30%，或者有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的50%，這樣可以保證建筑的安全可靠。

樓板的尺寸和平面高度發(fā)生變化，有效樓板寬度小于該層樓的典型寬度，存在開洞面積情況，有的時(shí)候存在較大的樓層錯(cuò)層。在抗震設(shè)計(jì)中要按照符合樓板平面高度變化的計(jì)算來完成連續(xù)性設(shè)計(jì)，建筑設(shè)計(jì)中采用的是混凝土技術(shù)結(jié)構(gòu)存在較大的凹入和開洞面樓板，會(huì)發(fā)生力量削弱。樓板削弱產(chǎn)生的不利影響較多，因此在設(shè)計(jì)過程中要考慮樓板是否存在狹長(zhǎng)和較大的凹入和開洞問題。

5 結(jié)語

科學(xué)的建筑設(shè)計(jì)在抗震設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要的作用。地震作用下建筑物結(jié)構(gòu)的損傷破壞，抗震系統(tǒng)薄弱的部位，在平面設(shè)計(jì)中就要注重結(jié)構(gòu)整體性的設(shè)計(jì)。建筑物的薄弱部位來源于結(jié)構(gòu)缺陷或者不規(guī)則，采用平面規(guī)則性設(shè)計(jì)有利于增加建筑物的整體彈性，避免平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生薄弱層，在平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中就要滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。建筑平面的規(guī)則性設(shè)計(jì)能夠從根本上解決建筑抗震性能難題，真正從設(shè)計(jì)角度和創(chuàng)新角度提升現(xiàn)代建筑的美感。