建筑抗震的实践表明,一个地震区的工业建设项目(建筑物),如果没有良好的建筑总体布置方案,单靠结构抗震计算和抗震构造措施,在较强烈地震作用下,仍是难以取得建筑抗震的较好效果,甚至减轻不了建筑物的震害程度。正是鉴于此原因,在《建筑抗震设计规范》内容中,在抗震设计的基本要求一章里,针对建筑师建筑设计应遵守的有关规定。这是非常正确而必要的。有了这方面的规定,就可以使建筑设计与建筑抗震要求有机地结合起来,使建筑抗震设计水平达到一个新的比较完善的高度。
建筑设计在建筑抗震设计中的几个主要设计问题
1.建筑体型设计问题
建筑体型包括建筑的平面形状和立体的空间形状的设计。震害表明,许多平面形状复杂,例如平面上的外凸和凹进、侧翼的过多伸悬、不对称的侧翼布置等在地震中都遭到了不同程度的破坏。海城地震和唐山地震中有不少这样的震例。而平面形状简单规则的建筑(包括单层和多层建筑)在地震中都未出现较重的破坏;有的甚至保持完好无损。沿高度立体空间形状上的复杂和不规则,例如相邻单元的高差过大、出屋面建筑部分的高度过高、有的建筑装饰悬伸过大过高,这些沿高度形状上的变化,在地震时都会造成震害,特别是在建筑结构刚度发生突变的部位更易产生破坏。
在历次地震中工业与民用建筑都有此类震例。所以,在建筑体型的设计中,应尽可能的使平面和空间的形状简洁、规则;在平面形状上,矩形、圆形、扇形、方形等对抗震来说,都是较好的体型。尽可能少做外凸和内凹的体形,尽可能少做不对称的侧翼和过长的伸翼,在体型布置上尽可能使建筑结构的质量和刚度比较均匀地分布,避免产生因体形不对称导致质量与刚度不对称而引起建筑物在地震时发生对抗震极不利的扭转反应。
在建筑设计中,特别是高层建筑的建筑设计中,为了建筑立面美观和艺术上创意,复杂的建筑体型是难以避免的,但是,在设计时一定要把建筑艺术、建筑使用功能同结构抗震安全很好的地结合起来。
2.建筑平面布置设计问题
建筑物的平面布置在建筑设计中是十分重要的部分,它直接反映建筑的使用功能和要求。柱子的距离,内墙的布置,空间活动面积的大小,通道和楼梯的位置,电梯井的布置,房间的数量和布置等等,都要在建筑的平面布置图上明确下来;而且,由于建筑使用功能的不同,每个楼层的布置有可能差异很大。因此,这就带来一个建筑平面布置的多样化如何同时考虑结构抗震要求的问题。
一个比较突出的问题是,建筑平面上的墙体(包括外围填充墙、内隔墙、有相应强度和刚度的非承重内隔墙)布置不对称;墙体与柱的分布不对称,不协调;造成建筑结构质量与刚度在平面上分布的不对称,不协调;使建筑物在地震时产生扭转地震作用,对抗震很不利。根据抗震设计审查结果统计,有的城市在建筑平面布置上不合理的达17%,在墙体设置上不符合抗震要求的达24%。
在对上海市高层建筑的抗震设计审查中,也发现有多栋建筑在平面内墙体和电梯井筒布置不利于抗震;有的剪力墙太少,有的墙体布置不对称,直接影响建筑物的抗震能力。从以上可知,建筑平面布置设计对建筑抗震关系很大,从概念上要解决的一个核心问题是,建筑平面布置设计上要尽可能作到使结构的质量和刚度分布均匀,对称协调,避免突变,防止产生扭转效应。在墙体布置上要均匀对称;在抗震墙(剪力墙)布置上尽量与结构抗震要求相结合;对刚度很大的楼、电梯井筒要居中布置,避免偏心和扭转地震作用的产生。在建筑平面布置的总体设计上要尽可能为结构抗侧力构件的合理布置创造条件,使建筑使用功能要求与建筑结构抗震要求融合成一体,充分发挥建筑设计在建筑抗震中的基础作用。
3.建筑竖向布置设计问题
建筑的竖向布置设计问题在建筑设计中主要反映在建筑物沿高度(沿楼层)建筑结构的质量和刚度分布设计上。在工业和民用建筑中,无论单层和多层都存在此问题。在大量的高层建筑和超高层建筑中,此问题更突出。存在的主要问题是,由于建筑使用功能的不同要求,如:底层或下面几层是商场、购物中心,建筑上要求的是大柱距、大空间;而上面的楼层则是开间较大的写字楼或布置多样化的公寓楼居室,前者主要是设柱,墙很少,而后者则是以墙为主,柱很少。有的建筑在布置上还设有面积很大的公用天井大厅;在不同楼层上设有大会议厅、展厅、报告厅;还有健身房,游泳池等等。建筑使用功能的不同,形成了建筑物沿高度(楼层)分布的质量和刚度的严重不均匀、不协调。突出的问题是沿上下相邻楼层的质量和刚度相差过大,形成突变。在刚度最差的楼层形成了对抗震极为不利的抗震承载力不足和变形很大的薄弱层。这是在建筑设计中必须高度重视的问题。
在实际设计中,在建筑使用功能不同的情况下,很可能出现上下相邻楼层的墙体不对齐;柱子不对齐；墙体不连续,不到底；上层墙多,下层墙少；上层有柱,下层无柱等,使地震力的传递受阻或不通。抗震用的剪力墙设置也受到限制,有的剪力墙(因下层大空间的限制)不能直通到底层(基础层)；有的则是剪力墙布置严重不对称或数量太少。所有这些布置,都将给建筑物带来地震作用分布的不均匀、不对称和对建筑物很不利的扭转作用。导致刚度发生突变的薄弱层的严重破坏。多次大地震的震害表明,建筑竖向布置设计上带来的上下楼层刚度的过大变化(突变),给建筑物造成很多破坏,甚至是整个楼层的倒塌。
分析研究认为,其主要原因就是该倒塌的楼层的侧移刚度远低于其上下楼层的刚度,在刚度突变的相邻部位产生了极大的应力集中和塑性变形,使该楼层失去了抗震承载能力而产生大变形倒塌。所以,要在建筑设计中,尽可能使沿竖向的刚度分布比较接近些,特别是在结构上不设刚度很大的刚度转换层的情况下,更要注意此点。应特别重视的是,尽可能使剪力墙布置比较均匀并使其能沿竖向贯通到建筑底部,不宜中断或不到底。尽量避免某一楼层刚度的过小;尽量避免产生地震时的扭转效应。
4.建筑上应满足的设计限值控制问题
根据大量震害的经验总结，现行《建筑抗震设计规范》对房屋建筑在建筑设计中应考虑的一些抗震要求的限值控制提出了规定。这些规定，建筑设计应予遵守：一是房屋的建筑总高度和层数；二是对房屋抗震横墙问题和局部墙体尺寸的限值控制。
5.屋顶建筑的抗震设计问题
