浅谈高层建筑造型与抗震

浅谈高层建筑造型与抗震

仇颖达

山东德建集团有限公司253000

【摘要】高层建筑的结构体系是随着社会的发展和科学技术的进步而不断发展的。高层建筑已变成城市的本体部分，对城市的社会、经济及物质环境影响变得日益明显。如今，建筑的抗震不再只是结构师考虑的问题，建筑师做建筑方案期间，在建筑的平面布局及立面造型上都应给与充分的抗震考虑。本文主要对高层建筑造型与抗震相关问题进行分析探讨，以期对相关人员有一定的参考意义。

【关键词】高层建筑；造型；抗震

1、前言

高层建筑在风荷载和地震力的严重作用下，其造型受到了极为苛刻的限制，它的任何一种造型语言都与结构体系、结构逻辑、结构构件密不可分。随着高层建筑的增多，结构抗震分析和设计已越来越重要。特别是我国处于地震多发区，高层建筑抗震设防更是工程设计面临的迫切任务，高层建筑结构的抗震是建筑物安全考虑的重要问题，因此对高层建筑造型与抗震的设计综合考虑至关重要。

2、高层建筑造型与抗震

2.1建筑平面

2.1.1建筑平面的对称性

建筑的平面布置宜对称均匀，结构的刚度中心与建筑物的重心宜尽量靠近以减少地震时的偏心扭转。不对称的建筑还会产生应力集中，如在凹角连接处等有较大的集中地震应力而导致严重震害。同一对称平面，由于平面中长度等具体尺寸的不同，又可分为对称充分抗震好和对称不充分抗震不好两类。

矩形的对称平面L/B宜<3。如>3时，地震中建筑的两端会产生反相位的振动，会导致建筑物产生较大扭转，对抗震是不利的。在对称的H形平面与十字形平面中，当L'/B'>2，C/D≥1.5时，对抗震是不利的。

2.1.2建筑平面的均匀性

平面的均匀性是指抗震结构的刚度在平面布置上是否均匀，主要抗震结构如剪力墙、筒体等均应均匀布置以减小偏心扭转，要尽量避免端部刚度大，中间刚度小的偏心扭转。当建筑平面不对称时，抗震结构刚度的均匀性非常重要。建筑平面不对称而结构刚度又不对称，地震时会产生严重震害；建筑平面不对称而结构刚度布置均匀，在几个主轴方向的偏心均较小时，则可减小偏心扭转等抗震的不利影响。以下两种对称平面也会造成结构刚度的不均匀：

（1）虚假对称

1972年，尼加拉瓜首都马拉瓜发生里氏7.0级大地震，该市的美洲银行大楼几乎完好无损，而与美洲银行隔街相邻的中央银行却严重受损，周围建筑物也发生大规模倒塌，5000多人死亡。当时，这个消息几乎传遍了整个尼加拉瓜。美洲银行是十七层，而中央银行只有十五层，两栋高层同样是对称的矩形平面，为何有这般差别？后来，人们发现中央银行虽然是矩形平面，框架结构，但刚度较大的楼梯间、电梯间和设备管道间等核心筒则布置在一端，使结构刚度很不均匀。美洲银行因平面方正，筒体结构，刚度均匀，基本无偏心。由此，我们不难看出，建筑平面对称而结构刚度不均匀有较大偏心时，建筑为虚假对称，不利于抗震。

（2）不均匀对称

对于形、形等对称平面中，两端刚度大，中间“颈”部刚度小，地震时两端将产生反相位振动会导致较大的偏心扭转，易产生严重震害。

2.1.3建筑平面的高宽比

建筑高度H和建筑宽度B的比值是建筑体型抗震的重大问题。国内外的震害调查和建筑工程实践都说明：高宽比小则建筑物的侧向刚度大，抗震能力高；高宽比大则建筑物的侧向刚度小，抗震能力低。对于高层建筑，矩形平面的宽度B较小，许可高度和层数也较小；当采用凹角形平面时，则高度可增大至60m左右；60m以上的高层建筑则宜采用宽度更大的塔形平面如方形、圆形、正八角形平面等。对于钢筋混凝土结构，建筑的高宽比限值可根据不同的结构体系和设计烈度确定。

2.2建筑立面

现代高层建筑的立面造型多种多样，立面的竖向收进类型也很复杂。各种收进体型的抗震性能：一般收进在竖向凹角处，上下层刚度突变，应力集中，抗震不利。有倾斜面的复杂收进，在收进处用斜面过渡，上下层的刚度和强度是连续的，没有凹角突变，抗震较好。倒转收进不仅有竖向凹角上下层刚度突变等问题，且建筑重心上移，地震时会产生严重的倾覆，底层宽度小抗倾覆能力低，抗震更不利。不规则收进除上述问题外，又增加了上下层重心的偏心，增大了地震倾覆，抗震更为不利。单面倒转收进的不规则体型是倒转收进的常用类型，这种体型既有刚度和强度上大下小的抗震不利因素，又有重心上移增大抗震倾覆，更有重心偏心等严重问题，抗震是危险的。

对于有抗震设防要求的建筑物，建筑的竖向体型应力求规则、均匀，避免有过大的外挑和内收。对于矩形平面，立面收进部分的尺寸比值d'/d≥0.75时，建筑物可认为是竖向较规则的。（上层平面的宽度和长度均可收进为下层的宽度和长度的0.75倍，即上层的面积可收进为下层面积的9/16倍。）上层平面的宽度或长度；d上层平面的宽度或长度。

3、高层建筑结构抗震设计的基本方法

3.1推广使用隔震和消能减震设计

目前我国和世界各国普遍采用的传统抗震结构体系是“延性结构体系”，即适当控制结构物的刚度，但容许结构构件在地震时进入非弹性状态，并具有较大的延性，以消耗地震能量，减轻地震反应，使结构物“裂而不倒”。采取软垫隔震、滑移隔震、摆动隔震、悬吊隔震等措施，改变结构的动力特性，减少地震能量输入，减轻结构地震反应，是一种很有前途的防震措施。提高结构阻尼，采用高延性构件，能够提高结构的耗能能力，减轻地震作用，减小楼层地震剪力。随着社会的不断发展，对各种建筑物和构筑物的抗震减震要求越来越高，地震控制体具有传统抗震体系所难以比拟的优越性，在未来的建筑结构中将得到越来越广泛的应用。

3.2少地震能量输入

积极采用基于位移的结构抗震设计，要求进行定量分析，使结构的变形能力满足在预期的地震作用下的变形要求。除了验算构件的承载力外，要控制结构在大震作用下的层间位移角限值或位移延性比；根据构件变形与结构位移关系，确定构件的变形值；并根据截面达到的应变大小及应变分布，确定构件的构造要求。选择坚硬的场地土建造高层建筑，可以明显减少地震能量输入减轻破坏程度。

3.3高层建筑减轻结构自重

一方面从地基承载力来看，如果是同样的地基条件，减轻结构自重意味着在不增加基础或地基处理造价的情况下，可以多建层数，特别是对于软土更为明显。另一方面地震效应与建筑质量成正比，结构质量的增加必然引起地震力的增大。高层建筑由于其高度较大，重心较高，地震作用倾覆力矩也随质量的增加而增大。设计时要求高层建筑物的填充墙及隔墙应采用轻质材料。

3.4结构材料选用很重要

可以对材料参数随机性的抗震模糊可靠度进行分析，改变过去对结构抗震可靠度的研究只考虑荷载的不确定性而忽略了其他多种不确定因素，综合考虑了材料参数的变异性，地震烈度的随机性及烈度等级界限的随机性与模糊性对结构抗震可靠度的影响。从抗震角度来说，结构体系的抗震等级，其实质就是在宏观上控制不同结构的廷性要求。这要求我们应根据建设工程的各方面条件，选用符合抗震要求又经济实用的结构类别。

4、结语

综上所述，在结构技术、材料技术、施工技术等迅猛发展的今天，高层建筑的造型艺术也在不断地推陈出新。它的趋势和原则与结构技术的演进和发展有着密不可分的关系。在建筑设计中，抗震设计就成了一道生命防线，显得尤为重要。抗震设计需要建筑师与结构师的双方考虑，密切配合。这样，建筑方案的合理性就成了抗震设计的重中之重！

参考文献：

[1]布正伟.结构构思论——现代建筑创作结构运用的思路和技巧[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]朱镜清．结构抗震分析原理[M]．地震出版社，2002．

[3]刘华新．抗震概念设计在高层建筑结构设计中的应用[J].辽宁工程技术大学学报，2007，（4）.