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          高層建筑物抗風(fēng)抗震手段


          談到高層建筑,可能在很多人的印象中,所謂高層建筑指得就是那些動(dòng)輒200米、300米甚至800米以上的摩天大樓。事實(shí)上,按照國家標準《GB50352 民用建筑設計通則》,高層建筑的正式定義是“10層及10層以上的住宅建筑和建筑高度大于24m的其他民用建筑(不含單層公共建筑)”。按照這個(gè)標準,城市地區有大批大批的建筑物都屬于高層建筑。

          達不到高層建筑標準的,我們稱(chēng)之為多層建筑。這兩者有什么區別呢?為什么要這么劃分呢?原因是多方面的,比如消防、占地等等因素。具體到結構專(zhuān)業(yè),簡(jiǎn)而言之,高層建筑需要更多的考慮抗水平力問(wèn)題。對于相對低矮的多層建筑,一般而言,豎向重力荷載起到了主導作用。對于高層建筑,如何抵抗水平荷載則變成了重中之重。

          上圖中,左側示意圖是高層框架抵抗豎向荷載時(shí)的變形,右側示意圖則是高層框架抵抗水平荷載時(shí)的變形。


          風(fēng)和地震就是高層建筑最主要的兩種水平荷載。這兩者有共性,也有區別。確切的說(shuō),應該叫做“抗風(fēng)抗震”,而不是“防風(fēng)防震”。我們可以“防止”火災的發(fā)生,但我們無(wú)法“防止”風(fēng)和地震的發(fā)生。哪怕沒(méi)有人類(lèi),地球上也一樣有風(fēng)有地震,防是防不了的,我們所能做的只是被動(dòng)的“抗”。

          高層建筑如何抗風(fēng)抗震?在設計過(guò)程的每一個(gè)步驟中,抗風(fēng)抗震的要求是如何被考慮的,又是如何被付諸實(shí)施的?


          方案設計階段

          方案設計是高層建筑設計的第一步,也是反復最多、最耗時(shí)間的一步。在國內,結構工程師這一階段能做的工作不多,主要就是為建筑師提供咨詢(xún)。很多時(shí)候,方案設計甚至都不會(huì )讓結構工程師參與。但事實(shí)上,對于抗風(fēng)抗震來(lái)說(shuō),方案這一步是非常重要的。

          建筑物的體型對于抗震能力的影響非常之大,所以結構工程師的工作之一就是說(shuō)服建筑師采用較為規整的造型。大自然是非常殘酷的,你敢奇形怪狀?地震來(lái)了第一個(gè)倒下!CCTV新樓那樣的,肯定要盡量避免;頭重腳輕的,也要避免;凹字形的平面、凸字形的平面,盡量都改成口字形的;8字形的平面也不好,盡量改成0字形的;h形的立面也不好,盡量用l形的立面,上下一樣粗,不要有突變;建筑樓板最好不要開(kāi)大洞,比如商場(chǎng)那種大天井,從一樓抬頭看能看到頂樓……

          對于抗風(fēng)問(wèn)題,主要是要控制建筑物體型的光滑程度。平面用圓形最好,橢圓也可以。大家常常見(jiàn)到很多高層建筑,平面明明是正方形或者長(cháng)方形,但是角部被切掉了一小部分,整個(gè)平面形狀沒(méi)有直角或者銳角,也是出于這個(gè)考慮。建筑外表面也要盡量的光滑,各種裝飾性的突起要盡量避免。

          方案階段的這些東西就決定了建筑物抗震抗風(fēng)能力的上限。但大家可能也發(fā)現了,按照抗震抗風(fēng)的要求,最好的方案就是最沒(méi)有特色的圓柱體或者正多棱柱。事實(shí)上,仔細觀(guān)察一下全球400米以上的超高層建筑,絕大多數也都是這個(gè)造型。但對于大多數的普通高層建筑來(lái)說(shuō),建筑設計追求的是參差多態(tài)、百花齊放,無(wú)法接受這種呆板的造型。結構工程師和建筑師的矛盾幾乎無(wú)法調和。

          建筑物的先天抗震抗風(fēng)能力的優(yōu)劣,往往取決于結構工程師和建筑師誰(shuí)在矛盾中占優(yōu)。比如日本,基本會(huì )是結構工程師占優(yōu),所以日本的高層建筑,形狀非常的規整,柱網(wǎng)、平立面非常簡(jiǎn)單。再比如國內,幾乎全部是建筑師占優(yōu),所以國內的高層建筑,各式各樣,眼花繚亂,開(kāi)發(fā)商可以吹噓各種藝術(shù)風(fēng)格,但卻沒(méi)有人去關(guān)心抗風(fēng)抗震的問(wèn)題。

          初步設計階段

          一旦方案定下來(lái)了,設計就進(jìn)入初步設計階段。也就是說(shuō),要用努力去接近天分那個(gè)上限了。

          首先,按照高層建筑所在地區的情況,確定地震設防烈度、基本風(fēng)壓等設計參數。根據這些,在有限元計算軟件里確定合適的計算參數。


             其次,確定高層建筑的結構材料和形式??捎玫牟牧嫌泻芏喾N,鋼(S)、鋼筋混凝土(RC)、型鋼混凝土(SRC)。形式也有好多種,框架、剪力墻、支撐、框筒、筒體、巨型框架……材料和形式排列組合,結果有好多好多種,比如SRC筒體+RC框架,RC筒體+S框筒,RC剪力墻+S框架,SRC框架+S支撐……比如上圖就是林同炎的《結構概念與體系》一書(shū)的插圖,列舉了15種結構形式,這還不包括不同材料的組合。這些結構形式選擇并沒(méi)有絕對的優(yōu)劣之分,只是因地制宜、因項目而異,與投資多少、場(chǎng)地條件、工期要求等等直接相關(guān)。就像同樣的程序,可以用多種程序語(yǔ)言達到差不多類(lèi)似的效果,但效果、時(shí)間、成本都需要權衡利弊。

              然后,就可以建模計算了。在有限元的數字化虛擬世界里,把你構想的這個(gè)高層建筑構建出來(lái),讓它接受虛擬的數字地震和數字臺風(fēng)的洗禮。計算完成后,分析計算結果,看看是否滿(mǎn)足抗震抗風(fēng)的要求。比如說(shuō),地震作用下,RC剪力墻每層的側向位移不能超過(guò)層高的1000分之一(否則這一層容易在地震中折斷),每一層水平位移最大的那一點(diǎn)的位移不能超過(guò)每層平均位移的1.5倍(否則房子這一層會(huì )在地震中“扭腰”),柱墻軸壓比不能過(guò)大(否則會(huì )在地震中壓碎),梁柱不能超筋(否則會(huì )被地震掰斷),鋼支撐的應力不能過(guò)大(否則會(huì )在地震中被壓彎)……如果不滿(mǎn)足這些條件,就要調整設計,比如剪力墻挪個(gè)地方,框架梁變粗一點(diǎn),SRC柱里的型鋼換大一號的,筒體的混凝土墻再厚一點(diǎn)……然后,重新計算,結果不滿(mǎn)足,繼續修改,繼續計算,直到結果滿(mǎn)足所有條件為止。但同時(shí),為了經(jīng)濟性考慮,結果又不能遠遠超過(guò)標準。事實(shí)上,因為地震力的大小直接與結構質(zhì)量相關(guān),柱子太大、墻太厚了也不行。最理想的情況是一個(gè)剛剛好的契合點(diǎn),正好符合所有的要求。這就意味著(zhù)結構工程師要不停的嘗試,不停的試錯,不夠不行,超了也不行。因此,整個(gè)建模計算過(guò)程極其的繁瑣、極其的耗費時(shí)間精力,是結構工程師日常兩大苦逼工作之一。

          有同學(xué)問(wèn)了,如果死活就是算不過(guò)怎么辦呢?各種修改方案都試過(guò)了,就是滿(mǎn)足不了抗震抗風(fēng)的要求。這時(shí)候,就可以考慮用開(kāi)頭列舉的那些“狼牙棒”手段了。分析一下目前的設計、計算結果,結合業(yè)主的資金狀況、工期要求,考慮一下用哪一種輔助抗側力措施最合理。舉個(gè)例子,比如說(shuō)覺(jué)得TMD阻尼器最合適,那就要趕緊去聯(lián)系一個(gè)專(zhuān)門(mén)做TMD的技術(shù)團隊,類(lèi)似拍電影的時(shí)候制片組要找一家專(zhuān)門(mén)的3D技術(shù)團隊。與這個(gè)技術(shù)團隊合作,把他們的虛擬TMD阻尼器添加到你的虛擬結構模型里,調整結構的整體阻尼,然后再計算,然后不斷調整結構設計和TMD的參數,直到結果滿(mǎn)足各項要求為止。


          施工圖設計階段

          結構模型計算完成,所有的抗震抗風(fēng)問(wèn)題都塵埃落定了。剩下的就是畫(huà)施工圖了,這就是結構工程師日常兩大苦逼工作之二。

          按照初步設計階段的計算結果,鋼結構的施工圖具體到每個(gè)螺栓,每條焊縫;混凝土的施工圖具體到每一根鋼筋。施工圖的繪制并不是個(gè)機械重復的過(guò)程,而是需要考慮抗震抗風(fēng)等方方面面的構造要求,非常復雜和繁瑣。這也是為什么現階段仍然是工程師人工繪圖,而不是計算機程序來(lái)自動(dòng)完成繪圖。

          比如說(shuō),混凝土梁端部的鋼筋不能不夠,也不能超過(guò)太多。因為地震來(lái)了,如果一定要有東西破壞的話(huà),我們希望是梁斷了,而不是柱子斷了。梁斷了只影響這一層的局部區域,柱子斷了,就是從上到下的垮塌。所以,梁端的鋼筋不能無(wú)限制的配太多,否則,其實(shí)際承載力過(guò)大,地震的時(shí)候梁端不會(huì )壞,與它相連的柱端會(huì )破壞。

          同時(shí),梁里的鋼筋直徑種類(lèi)不能太多,要不然施工的兄弟會(huì )崩潰的,在工地很容易弄錯弄混。但如果都用一種直徑的鋼筋,又不容易做到配的剛剛好。怎么取舍,這也是個(gè)很頭疼的問(wèn)題……

          施工圖繪制完成,交給審圖單位審核,然后會(huì )接到審圖單位的修改意見(jiàn)。按他們的要求改好,再交回去,直到審圖單位的工滿(mǎn)意為止。至此,結構工程師的主要工作就完成了。

          綜合來(lái)看,一個(gè)高層建筑的抗震抗風(fēng)設計,包括了方案階段的體型優(yōu)化、初步設計階段的建模計算、施工圖階段的具體落實(shí)。過(guò)程非常冗長(cháng),也非常復雜。但總的來(lái)說(shuō),經(jīng)過(guò)正式勘察、設計、審圖過(guò)程的結構設計,一般而言,在抗震抗風(fēng)方面不會(huì )有太大問(wèn)題。



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