从汶川地震看建筑设计与结构的结合

从汶川地震看建筑设计与结构的结合 【摘要】建筑设计质量关乎建筑物的安全，汶川地震暴 露出众多建筑设计问题，为此，建筑设计必须与结构设计相 结合，建筑设计也要满足抗震设计要求。 【关键词】汶川地震；建筑设计；结构设计；抗震设计 【中图分类号】TU201【文献标识码】A【文章编号】 1005-1074(2009)05-0053-01 2008 年 5 月份我国四川汶川发生了里氏 8 级大地震， 给 人民生命财产造成了巨大损失。众所周之，建筑物结构的设 计对建筑抗震能力起到了重要的作用，但由于建筑设计不合 理造成建筑物抗震水平下降也是不可忽视的因素。对于建筑 抗震设计，至今仍然存在一种误解：似乎建筑抗震设计只是 结构工程师的事， 与建筑师关系不大。 建筑抗震的实践表明： 一个地震区建筑物，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的构造措施，在较强烈的地震作用下， 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。因此，只有建筑设计与建筑抗震设计有机地结合 起来，建筑抗震设计水平才能达到一个比较完善的高度。 1 建筑设计质量关乎建筑物的安全 建筑设计与结构设计是整个建筑设计过程中的两个最 重要的环节，对整个建筑物的外观效果、结构稳定方面起着 至关重要的作用。但也有一种不好的倾向，少数建筑设计师 把结构设计摆在从属地位，并要求结构必须服从建筑，应以 建筑为主。许多建筑设计师强调创作的美观、新颖、标新立 异，强调创作的最大自由度，然而有些创新的建筑方案却在 结构上很不合理甚至无法实现，这无疑给建筑结构的安全带 来隐患。 例如，某市地震设防烈度是 8 度，而且场地平面形状规 矩开阔，对建筑平面形状的选型未构成任何限制，但建筑师 所设计的某大厦(20 多层)，其平面形状是三角形，虽做了切 角处理，但切角很小，迎风面仍较大，在水平风力作用下， 它受力的效果，即抗弯曲变形和抗侧移的能力比圆形、椭圆 形、正方形、正多边形、十字形、工字形、口字形等平面形 式的高层建筑要弱很多。另外，在地震水平力的作用下，由 于三角形它沿主轴方向不都是对称的，这样将会产生较强的 扭转震动，而会使建筑物受到较严重的破坏。墨西哥城在 1985 年 9 月地震中，不少三角形建筑均遭到严重的破坏。汶 川地震中凡刚度不均匀的房屋几乎不能幸免，悬挑建筑、弧 形建筑、外长廊建筑、建筑中的飘窗以及一些标新立异的建 筑都属倒塌之列。 2 汶川地震暴露出的建筑设计问题 2.1 建筑平面布置不规则如正门为做店面大开洞加玻璃 橱窗。地震时柱子折断，骑楼倒塌带动主体结构前倾，层层 跌落。或是底层作车库、商场，也就是正门大开洞，三面有 墙，建筑平面刚度不均匀。地震时底层倒塌，带动上部结构 层层跨落成“干层饼”破坏形状。 2.2 建筑立面布置不规则，竖向刚度突变建筑沿竖向或 因层高突然变化；在某层抽掉柱子形成开阔空间；为追求大 开间无梁无柱等效果„„均导致结构竖向不规则，刚度和强 度突变。此类建筑在地震中破坏最为严重，而且破坏多集中 在这些薄弱部位。文献【1】对房屋结构震害概况分析时指 出，不规则建筑物，尤其是沿竖向不规则的房屋建筑，破坏 较严重。典型的有两类：①结构底层为空旷结构，下部为薄 弱层；②突出屋面的小塔楼结构。 2.3 抗震构造措施不当“抗震构造措施”是指根据抗震 概念设计的原则，一般不需作计算而对结构和非结构各部分 所采取的细部构造，抗震构造措施要求是作为抗震验算的一 种补充和保证，但在建筑设计时往往容易被人们忽视。如箍 筋的 135°弯钩、柱箍筋的加密区问题、构造柱的马牙槎问 题、拉结筋用植筋法锚固问题、构造柱纵向筋与梁、板锚固 等，他们在建筑结构中可谓小问题，但在地震时都是小鬼当 家。箍筋的设计与施工不规范，在这次地震中造成大量框架 柱节点剪切破坏或柱筋压屈破坏，这些都足以证明细部构造 的作用。汶川地震中很多框架结构没有倒塌，但填充墙毫无 例外地都倒塌了，其根源除了施工质量以外，更主要的是抗 震构造措施不到位，例如构造柱及拉结筋的设置，不符合规 范要求，邻近框架柱边的门窗过梁的设置等。 3 建筑设计必须与结构设计相结合 3.1 成功范例在四川汶川地震中，绵阳九洲体育馆屹立 不倒， 各系统运转良好， 成为绵阳市及周边灾民的避难场所， 成为成功进行建筑与结构安全设计的典范。首先，该项目的 建筑师在设计中正确树立了城市公共建筑除满足必要的功 能外，安全防灾也是建筑必须考虑的设计理念。另外，由于 规划设计了建筑外围的大面积广场，又使公众在面对灾难时 有了较广阔的避难疏散空间。其次，在建筑方案的基础上成 功进行了安全的结构设计。该体育馆屋盖为斜置柱面形，平 面由圆弧线拟合成树叶状， 其长轴为 165 米， 短轴为 105 米， 属目前国内最大的拱形体育馆。其主要受力结构为四榀落地 的倾斜巨型格构拱架，拱架间由平面桁架联系，平面桁架间 设置支撑桁架和支撑杆件，结构形成一个空间体系，在边跨 中间结合机电设备竖井增加了节点，从而提高了建筑整体抗 震能力。 3.2 建筑抗震设计中的建筑设计问题 3.2.1 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。在建筑体型的设计中，应尽可能 地使平面和空间的形状简洁、规则。在平面形状上，矩形、 圆形、方形等对抗震来说，都是较好的体型。尽可能少做外 凸和内凹的体型，尽量避免不对称的侧翼和过长的侧翼，在 体型布置上使建筑结构的质量和刚度比较均匀地分布，避免 产生因体型不对称导致质量与刚度不对称而引起建筑物在 抗震时发生扭转反应。在建筑设计中，为了建筑立面美观和 艺术上的创意，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 地结合起来。 3.2.2 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，同时它与建筑抗震关系很大，因此从概念上要解决的一 个核心问题是，建筑平面设计上要尽可能做到使结构的质量 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，避免偏心扭转地震效应。 3.2.3 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 多层都存在此类问题。在建筑设计中，尽可能使建筑物沿竖 向的刚度分布比较接近，应特别重视使剪力墙布置比较均匀 并使其能沿竖向贯通到建筑底部，不应中断或不到底；尽量 避免某一楼层刚度过小；尽量避免产生地震时的扭转效应。 3.2.4 建筑上应满足的设计限值控制问题现行 《建筑设计 抗震规范》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，在建筑设计中应予以遵 守。一是房屋的建筑总高度和层数，二是对房屋抗震横墙间 距和局部墙体尺寸的限值控制。如墙体厚度设计问题，过去 的设计，追求节省投资，追求使用面积利用率，不少砖混结 构的承重墙采用 180mm 厚，非承重墙采用 120mm，而这两 种墙体在汶川地震中