高層建筑物通常會用哪些手段抗風(fēng)抗震？

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輒200米、300米甚至800米以上的摩天大樓。事實上，按照國家標(biāo)準(zhǔn)《GB50352 民用建筑設(shè)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）”。按照這個標(biāo)準(zhǔn)，城市地區(qū)有大批大批的建筑物都屬于高層建筑。

達(dá)不到高層建筑標(biāo)準(zhǔn)的，我們稱之為多層建筑。這兩者有什么區(qū)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(jié)構(gòu)專業(yè)，簡而言之，高層建筑需要更多的考慮抗水平力問題。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(dǎo)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(cè)示意圖是高層框架抵抗豎向荷載時的變形，右側(cè)示意圖則是高層框架抵抗水平荷載時的變形。

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(qū)別。確切的說，應(yīng)該叫做“抗風(fēng)抗震”，而不是“防風(fēng)防震”。我們可以“防止”火災(zāi)的發(fā)生，但我們無法“防止”風(fēng)和地震的發(fā)生。哪怕沒有人類，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的“抗”。

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

方案設(shè)計階段

方案設(shè)計是高層建筑設(shè)計的第一步，也是反復(fù)最多、最耗時間的一步。在國內(nèi)，結(jié)構(gòu)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。很多時候，方案設(shè)計甚至都不會讓結(jié)構(gòu)工程師參與。但事實上，對于抗風(fēng)抗震來說，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(jié)構(gòu)工程師的工作之一就是說服建筑師采用較為規(guī)整的造型。大自然是非常殘酷的，你敢奇形怪狀？地震來了第一個倒下！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大洞，比如商場那種大天井，從一樓抬頭看能看到頂樓……

對于抗風(fēng)問題，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。大家常常見到很多高層建筑，平面明明是正方形或者長方形，但是角部被切掉了一小部分，整個平面形狀沒有直角或者銳角，也是出于這個考慮。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(xiàn)了，按照抗震抗風(fēng)的要求，最好的方案就是最沒有特色的圓柱體或者正多棱柱。事實上，仔細(xì)觀察一下全球400米以上的超高層建筑，絕大多數(shù)也都是這個造型。但對于大多數(shù)的普通高層建筑來說，建筑設(shè)計追求的是參差多態(tài)、百花齊放，無法接受這種呆板的造型。結(jié)構(gòu)工程師和建筑師的矛盾幾乎無法調(diào)和。

建筑物的先天抗震抗風(fēng)能力的優(yōu)劣，往往取決于結(jié)構(gòu)工程師和建筑師誰在矛盾中占優(yōu)。比如日本，基本會是結(jié)構(gòu)工程師占優(yōu)，所以日本的高層建筑，形狀非常的規(guī)整，柱網(wǎng)、平立面非常簡單。再比如國內(nèi)，幾乎全部是建筑師占優(yōu)，所以國內(nèi)的高層建筑，各式各樣，眼花繚亂，開發(fā)商可以吹噓各種藝術(shù)風(fēng)格，但卻沒有人去關(guān)心抗風(fēng)抗震的問題。

初步設(shè)計階段

一旦方案定下來了，設(shè)計就進(jìn)入初步設(shè)計階段。也就是說，要用努力去接近天分那個上限了。

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

其次，確定高層建筑的結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)概念與體系》一書的插圖，列舉了15種結(jié)構(gòu)形式，這還不包括不同材料的組合。這些結(jié)構(gòu)形式選擇并沒有絕對的優(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，可以用多種程序語言達(dá)到差不多類似的效果，但效果、時間、成本都需要權(quán)衡利弊。

然后，就可以建模計算了。在有限元的數(shù)字化虛擬世界里，把你構(gòu)想的這個高層建筑構(gòu)建出來，讓它接受虛擬的數(shù)字地震和數(shù)字臺風(fēng)的洗禮。計算完成后，分析計算結(jié)果，看看是否滿足抗震抗風(fēng)的要求。比如說，地震作用下，RC剪力墻每層的側(cè)向位移不能超過層高的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的位移不能超過每層平均位移的1.5倍（否則房子這一層會在地震中“扭腰”），柱墻軸壓比不能過大（否則會在地震中壓碎），梁柱不能超筋（否則會被地震掰斷），鋼支撐的應(yīng)力不能過大（否則會在地震中被壓彎）……如果不滿足這些條件，就要調(diào)整設(shè)計，比如剪力墻挪個地方，框架梁變粗一點，SRC柱里的型鋼換大一號的，筒體的混凝土墻再厚一點……然后，重新計算，結(jié)果不滿足，繼續(xù)修改，繼續(xù)計算，直到結(jié)果滿足所有條件為止。但同時，為了經(jīng)濟(jì)性考慮，結(jié)果又不能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)。事實上，因為地震力的大小直接與結(jié)構(gòu)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剛剛好的契合點，正好符合所有的要求。這就意味著結(jié)構(gòu)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，整個建模計算過程極其的繁瑣、極其的耗費(fèi)時間精力，是結(jié)構(gòu)工程師日常兩大苦逼工作之一。

有同學(xué)問了，如果死活就是算不過怎么辦呢？各種修改方案都試過了，就是滿足不了抗震抗風(fēng)的要求。這時候，就可以考慮用開頭列舉的那些“狼牙棒”手段了。分析一下目前的設(shè)計、計算結(jié)果，結(jié)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(cè)力措施最合理。舉個例子，比如說覺得TMD阻尼器最合適，那就要趕緊去聯(lián)系一個專門做TMD的技術(shù)團(tuán)隊，類似拍電影的時候制片組要找一家專門的3D技術(shù)團(tuán)隊。與這個技術(shù)團(tuán)隊合作，把他們的虛擬TMD阻尼器添加到你的虛擬結(jié)構(gòu)模型里，調(diào)整結(jié)構(gòu)的整體阻尼，然后再計算，然后不斷調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計和TMD的參數(shù)，直到結(jié)果滿足各項要求為止。

施工圖設(shè)計階段

結(jié)構(gòu)模型計算完成，所有的抗震抗風(fēng)問題都塵埃落定了。剩下的就是畫施工圖了，這就是結(jié)構(gòu)工程師日常兩大苦逼工作之二。

按照初步設(shè)計階段的計算結(jié)果，鋼結(jié)構(gòu)的施工圖具體到每個螺栓，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機(jī)械重復(fù)的過程，而是需要考慮抗震抗風(fēng)等方方面面的構(gòu)造要求，非常復(fù)雜和繁瑣。這也是為什么現(xiàn)階段仍然是工程師人工繪圖，而不是計算機(jī)程序來自動完成繪圖。

比如說，混凝土梁端部的鋼筋不能不夠，也不能超過太多。因為地震來了，如果一定要有東西破壞的話，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(qū)域，柱子斷了，就是從上到下的垮塌。所以，梁端的鋼筋不能無限制的配太多，否則，其實際承載力過大，地震的時候梁端不會壞，與它相連的柱端會破壞。

同時，梁里的鋼筋直徑種類不能太多，要不然施工的兄弟會崩潰的，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，這也是個很頭疼的問題……

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

綜合來看，一個高層建筑的抗震抗風(fēng)設(shè)計，包括了方案階段的體型優(yōu)化、初步設(shè)計階段的建模計算、施工圖階段的具體落實。過程非常冗長，也非常復(fù)雜。但總的來說，經(jīng)過正式勘察、設(shè)計、審圖過程的結(jié)構(gòu)設(shè)計，一般而言，在抗震抗風(fēng)方面不會有太大問題。

天津建筑設(shè)計院，天津市政設(shè)計院，天津建筑設(shè)計公司