高层建筑物通常会用哪些手段抗风抗震?
发布时间:2015-06-23

  谈到高层建筑,可能在很多人的印象中,所谓高层建筑指得就是那些动辄200米、300米甚至800米以上的摩天大楼。事实上,按照国家标准《GB50352 民用建筑设计通则》,高层建筑的正式定义是“10层及10层以上的住宅建筑和建筑高度大于24m的其他民用建筑(不含单层公共建筑)”。按照这个标准,城市地区有大批大批的建筑物都属于高层建筑。
  达不到高层建筑标准的,我们称之为多层建筑。这两者有什么区别呢?为什么要这么划分呢?原因是多方面的,比如消防、占地等等因素。具体到结构专业,简而言之,高层建筑需要更多的考虑抗水平力问题。对于相对低矮的多层建筑,一般而言,竖向重力荷载起到了主导作用。对于高层建筑,如何抵抗水平荷载则变成了重中之重。

 

   上图来自川口卫《建筑结构的奥秘》一书。左侧是高层框架抵抗竖向荷载时的变形,右侧则是高层框架抵抗水平荷载时的变形。
  风和地震就是高层建筑最主要的两种水平荷载。这两者有共性,也有区别。确切的说,应该叫做“抗风抗震”,而不是“防风防震”。我们可以“防止”火灾的发生,但我们无法“防止”风和地震的发生。哪怕没有人类,地球上也一样有风有地震,防是防不了的,我们所能做的只是被动的“抗”。
   高层建筑如何抗风抗震?在设计过程的每一个步骤中,抗风抗震的要求是如何被考虑的,又是如何被付诸实施的?

 方案设计阶段
 方案设计是高层建筑设计的第一步,也是反复最多、最耗时间的一步。在国内,结构工程师这一阶段能做的工作不多,主要就是为建筑师提供咨询。很多时候,方案设计甚至都不会让结构工程师参与。但事实上,对于抗风抗震来说,方案这一步是非常重要的。
  建筑物的体型对于抗震能力的影响非常之大,所以结构工程师的工作之一就是说服建筑师采用较为规整的造型。大自然是非常残酷的,你敢奇形怪状?地震来了第一个倒下!CCTV新楼那样的,肯定要尽量避免;头重脚轻的,也要避免;凹字形的平面、凸字形的平面,尽量都改成口字形的;8字形的平面也不好,尽量改成0字形的;h形的立面也不好,尽量用l形的立面,上下一样粗,不要有突变;建筑楼板最好不要开大洞,比如商场那种大天井,从一楼抬头看能看到顶楼……

  对于抗风问题,主要是要控制建筑物体型的光滑程度。平面用圆形最好,椭圆也可以。大家常常见到很多高层建筑,平面明明是正方形或者长方形,但是角部被切掉了一小部分,整个平面形状没有直角或者锐角,也是出于这个考虑。建筑外表面也要尽量的光滑,各种装饰性的突起要尽量避免。
  方案阶段的这些东西就决定了建筑物抗震抗风能力的上限。但大家可能也发现了,按照抗震抗风的要求,最好的方案就是最没有特色的圆柱体或者正多棱柱。事实上,仔细观察一下全球400米以上的超高层建筑,绝大多数也都是这个造型。但对于大多数的普通高层建筑来说,建筑设计追求的是参差多态、百花齐放,无法接受这种呆板的造型。结构工程师和建筑师的矛盾几乎无法调和。
  建筑物的先天抗震抗风能力的优劣,往往取决于结构工程师和建筑师谁在矛盾中占优。比如日本,基本会是结构工程师占优,所以日本的高层建筑,形状非常的规整,柱网、平立面非常简单。再比如国内,几乎全部是建筑师占优,所以国内的高层建筑,各式各样,眼花缭乱,开发商可以吹嘘各种艺术风格,但却没有人去关心抗风抗震的问题。
初步设计阶段
  一旦方案定下来了,设计就进入初步设计阶段。也就是说,要用努力去接近天分那个上限了。

  首先,按照高层建筑所在地区的情况,确定地震设防烈度、基本风压等设计参数。根据这些,在有限元计算软件里确定合适的计算参数。

  其次,确定高层建筑的结构材料和形式。可用的材料有很多种,钢(S)、钢筋混凝土(RC)、型钢混凝土(SRC)。形式也有好多种,框架、剪力墙、支撑、框筒、筒体、巨型框架……材料和形式排列组合,结果有好多好多种,比如SRC筒体+RC框架,RC筒体+S框筒,RC剪力墙+S框架,SRC框架+S支撑……比如上图就是林同炎的《结构概念与体系》一书的插图,列举了15种结构形式,这还不包括不同材料的组合。这些结构形式选择并没有绝对的优劣之分,只是因地制宜、因项目而异,与投资多少、场地条件、工期要求等等直接相关。就像同样的程序,可以用多种程序语言达到差不多类似的效果,但效果、时间、成本都需要权衡利弊。
  然后,就可以建模计算了。在有限元的数字化虚拟世界里,把你构想的这个高层建筑构建出来,让它接受虚拟的数字地震和数字台风的洗礼。计算完成后,分析计算结果,看看是否满足抗震抗风的要求。比如说,地震作用下,RC剪力墙每层的侧向位移不能超过层高的1000分之一(否则这一层容易在地震中折断),每一层水平位移最大的那一点的位移不能超过每层平均位移的1.5倍(否则房子这一层会在地震中“扭腰”),柱墙轴压比不能过大(否则会在地震中压碎),梁柱不能超筋(否则会被地震掰断),钢支撑的应力不能过大(否则会在地震中被压弯)……如果不满足这些条件,就要调整设计,比如剪力墙挪个地方,框架梁变粗一点,SRC柱里的型钢换大一号的,筒体的混凝土墙再厚一点……然后,重新计算,结果不满足,继续修改,继续计算,直到结果满足所有条件为止。但同时,为了经济性考虑,结果又不能远远超过标准。事实上,因为地震力的大小直接与结构质量相关,柱子太大、墙太厚了也不行。最理想的情况是一个刚刚好的契合点,正好符合所有的要求。这就意味着结构工程师要不停的尝试,不停的试错,不够不行,超了也不行。因此,整个建模计算过程极其的繁琐、极其的耗费时间精力,是结构工程师日常两大苦逼工作之一。
  有同学问了,如果死活就是算不过怎么办呢?各种修改方案都试过了,就是满足不了抗震抗风的要求。这时候,就可以考虑用开头列举的那些“狼牙棒”手段了。分析一下目前的设计、计算结果,结合业主的资金状况、工期要求,考虑一下用哪一种辅助抗侧力措施最合理。举个例子,比如说觉得TMD阻尼器最合适,那就要赶紧去联系一个专门做TMD的技术团队,类似拍电影的时候制片组要找一家专门的3D技术团队。与这个技术团队合作,把他们的虚拟TMD阻尼器添加到你的虚拟结构模型里,调整结构的整体阻尼,然后再计算,然后不断调整结构设计和TMD的参数,直到结果满足各项要求为止。
施工图设计阶段
   结构模型计算完成,所有的抗震抗风问题都尘埃落定了。剩下的就是画施工图了,这就是结构工程师日常两大苦逼工作之二。
  按照初步设计阶段的计算结果,钢结构的施工图具体到每个螺栓,每条焊缝;混凝土的施工图具体到每一根钢筋。施工图的绘制并不是个机械重复的过程,而是需要考虑抗震抗风等方方面面的构造要求,非常复杂和繁琐。这也是为什么现阶段仍然是工程师人工绘图,而不是计算机程序来自动完成绘图。
  比如说,混凝土梁端部的钢筋不能不够,也不能超过太多。因为地震来了,如果一定要有东西破坏的话,我们希望是梁断了,而不是柱子断了。梁断了只影响这一层的局部区域,柱子断了,就是从上到下的垮塌。所以,梁端的钢筋不能无限制的配太多,否则,其实际承载力过大,地震的时候梁端不会坏,与它相连的柱端会破坏。
  同时,梁里的钢筋直径种类不能太多,要不然施工的兄弟会崩溃的,在工地很容易弄错弄混。但如果都用一种直径的钢筋,又不容易做到配的刚刚好。怎么取舍,这也是个很头疼的问题……
  施工图绘制完成,交给审图单位审核,然后会接到审图单位的修改意见。按他们的要求改好,再交回去,直到审图单位的工满意为止。至此,结构工程师的主要工作就完成了。
  综合来看,一个高层建筑的抗震抗风设计,包括了方案阶段的体型优化、初步设计阶段的建模计算、施工图阶段的具体落实。过程非常冗长,也非常复杂。但总的来说,经过正式勘察、设计、审图过程的结构设计,一般而言,在抗震抗风方面不会有太大问题。 来源:http://www.zhihu.com/question/20942487。由深圳市广德建筑设计咨询有限公司进行编辑、整理。

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