浅析建筑方案中的抗震优化设计

【关键词】建筑；地震；设计；抗震优化； 

随着我国经济的飞速发展和城市化进程的逐步加快，越来越多的高楼大厦拔地而起，改善了人们的居住环境，提高了人们的生活质量。但2008年的汶川大地震、2010年的舟曲大地震以及2011年日本爆发的9级大地震，其震级之高，造成的人员伤亡之严重，都使我们不得不对我们当前建筑物在方案设计时的抗震能力予以反思。据对这三次大地震以及历史上伤亡人数较多的130次地震所做的分类统计，结果显示，由于建筑物抗震设计不科学而造成的倒塌、断裂导致了95%以上的人员伤亡。因此，在目前科学界对地震尚难做到准确预报的前提下，重视对现有建筑方案设计中的抗震设计予以优化就显得十分重要。那么建筑物的抗震优化我们需要考虑哪些方面呢？笔者根据多年的工作经验和对历次地震灾害受损建筑的结构情况所作的统计资料进行分析以及借鉴国外抗震经验的基础上，认为我们在建筑物的抗震优化设计中应该特别注意下述几个方面： 

1 建筑物的建筑体型和立面抗震优化 

建筑体型和立面设计是整个建筑设计的重要组成部分，主要是指建筑物的平面形状和主体的空间形状。经过汶川地震后对多数破坏最严重的建筑物的统计表明，许多平面形状复杂，如外凸和凹进、侧翼伸悬过多，对称不规则的建筑物破坏程度都高于平面形状设计简单的建筑物。尤其是立面形状复杂，空间布局不规则、不均衡，建筑物结构刚度突变的部位更是在地震中受损最为严重。因此，为了提高建筑物的抗震能力，在抗震设防烈度高的地区，建筑方案设计的过程中，一定要高度重视建筑物的建筑体型和立面设计，应尽可能地保持平面形状和主体空间形状的简洁、规则，可选用矩形、扇形、圆形、方形等抗震能力较好的体型，避免采用l、π形不规则平面等而造成的纵向刚度不均；应减少外凸和内凹的形状，避免不必要的非对称侧翼和过长侧翼，在合理利用空间的同时，尽量避免方案设计开始就采用部分框架支抗震墙结构，对于框架间砌体填充墙，应保证其高度和长度在规范规定要求之内；体系布置上应注意建筑质量和结构刚度的均匀分布，避免由于二者不对称所导致的扭转反应。此外，在外墙转角和大厅四角应设计抗震构造柱，并保持彼此间的对称分布。 

2 建筑物平面布置抗震优化 

建筑物的平面布置涉及内墙布置、柱子间距、空间活动面积的大小、房间的数量和布置、电梯井的位置、通道和楼梯的位置选择等，在进行建筑方案设计的过程中都要充分对之予以抗震优化的设计考虑。柱子应做到与地基、墙体、屋顶联结一体，柱子之间的距离应该保持适中，彼此间空间不宜过大，以利于对屋顶的墙体形成有效的支撑。建筑平面的墙体，包括外围填充墙、内隔墙等，在设计时应做到强度和刚度均称，墙体与柱子分布均衡，否则地震时，建筑物将对地震产生扭转作用，不利于建筑物的防震。房间的数量和布置应做到整体协调一致，不应集中于一侧，这将造成平面上刚度分布的不均称，建筑物整体质量分布的偏心，导致结构受力和变形不协调。设计者出于建筑物实用和美观的考虑，往往将电梯井筒设计在平面的一角或一侧，但这样设计的结果很容易造成地震时电梯一侧的建筑物严重破坏，因为电梯井筒具有极大的抗侧力刚度，容易将地震产生的力量吸引到自身附近的建筑物上。所以，现代建筑，尤其是高层建筑，在设计电梯的时候一定要注意选择好电梯井筒的位置，使其尽可能地坐落于建筑物的中部，同时保持周围建筑与电梯井筒的刚度均匀、协调、相一致，以求最大限度地分散来自地震的作用力，保证建筑物主体结构的稳固。通道和楼梯是在地震发生时建筑物内人员迅速逃生的通道，因此，除了要保证整体空间布局的匀称外，还要对周围房屋的数量、人员流通情况予以充分的考虑，以避免出现有的通道周围房屋数量过多、人员过于拥挤；而有的通道远离房屋、人迹罕至，无法发挥其应有的疏通作用。总之，建筑平面的总体设计，应尽可能地将建筑物的实用功能要求和结构抗震要求融合为一，以便建筑物能够充分发挥结构抗震的作用。 

3  “基础隔震”优化设计 

当前，随着高层建筑和超高层建筑的不断出现，对于地震时建筑物的抗震性能也提出了更高的要求。对于这类高层或超高层建筑的抗震性能，我国2010年出台的《建筑抗震设计规范》要求这类建筑物抗震性能必须达到“小震不影响使用，中震不需要修理，大震没有人员死伤”的防震要求。美国和日本等国对建筑物的抗震设计规范也做有相似的规定。要使建筑物达到规范要求，做好“基础隔震”优化设计被认为是当前最为成熟的设计理论。 

“基础隔震”指的是在建筑物底部与地基之间，通过增加适当“叠层橡胶支座；滚动、滑动支座，包括砂垫层、石墨垫层”等缓冲物，从而减弱地震时建筑物受到的地震波的冲击，同时由隔震系统提供建筑物的位移，使得“底层位移，上层不动”。因此，在地震过程中，采用”基础隔震“的建筑物整体变形非常小，可以起到有效地保护作用。目前，这一结构设计在我国、美国、日本的建筑物抗震设计中都得到有大量的应用。 

4 其他抗震优化设计 

4.1 屋顶建筑不宜过高过重，保证屋顶重心与下部建筑重心在一条直线上。顶层材料采用高强轻质、刚度分布均匀的建筑材料。 

4.2 在建筑物结构受力关键节点上，加装阻尼器，以消耗地震能量，保护建筑物主体结构免遭损坏。如北京火车站、北京展览馆、北京饭店等标志性建筑，都曾采用粘滞阻尼器进行过加固。 

总之，建筑抗震优化设计是建筑方案设计时必须要考虑的一个重要组成部分。相信随着建筑力学和材料科学的不断发展，将会有更多的新技术来优化我们当前的抗震设计思想，将会有更多的新材料被应用到建筑物的抗震设计中，以使我们未来的建筑物更加坚固，更加“优化”，从而保障所有的人民能够在地震灾害突然到来的时候生命安全不会受到威胁。 

参考文献 

[1]光明日报出版社，建筑抗震设计规范gb50011-2010[s]，2010.8 

[2]郭继武，《建筑抗震设计》（第三版）[m],北京，中国建筑工业出版社，2011.2 

[3]吕西林，《超限高层建筑工程抗震设计指南》[m],北京，同济大学出版社，2009.10 

[4]赵西安，《钢筋混凝土高层建筑结构设计》[m]，北京，中国建筑出版社，2005