建筑平面設計的規則性對抗震性能的影響

秦 潔

山西省交通規劃勘察設計院有限公司（030032）

0 前言

建筑行業的發展提高了我國基礎建設的水平。隨著現代建筑理念的改變，越來越多的新型結構出現在現代建筑中，特別是不規則結構形式的出現，對建筑的抗震性提出了新的要求。在平面設計中，運用技術標準，掌握好規則性設計要求，能夠全面提高建筑物的抗震水平。

1 建筑平面布置需要考慮的要素

建筑物是一個三維立體式的結構，由長、寬、高三個方向構成。因此，建筑物的平面設計要從平、立、剖三個方向來綜合考慮建筑物的各種特征。在方案設計時，從平面設計入手，明確立面與剖面之間的科學性以及合理關系。

建筑平面包括主要使用房間、輔助房間、交通樞紐、水平交通、垂直交通等。主要使用房間包括生活用房、辦公用房、公共活動用房，如住宅、旅館、辦公室、實驗室、劇院、電影院、觀眾休息廳、營業廳等。平面設計要求根據房間的面積形狀和尺寸滿足功能要求[1]。

疏散門的位置方便疏散，窗戶要求滿足良好的采光和通風，房間布置要方便人們正常使用。設計應符合相應建筑標準，室內空間、地面、頂棚、墻面應考慮人們的使用要求和審美需求。房間平面設計的主體內容是房間的面積、形狀、尺寸和門窗設計。面積設計時要明確家居設備的位置，房間面積組成、室內活動流線、房間的交通面積。

房間形狀包括矩形、方形、多邊形、圓形，在設計中要考慮結構形式、經濟條件、適用及美觀等因素。房間形式設計中要掌握好結構尺寸，便于開間進深，有利于平面組合。房間尺寸是房間的開間和進深，需要滿足家具布置要求和人們活動的要求，同時要滿足視聽要求，具有天然采光的條件，要經濟合理的布置結構，按照標準要求設計房間比例[2]。

輔助房間設計一般包括廁所設計、浴室設計等。設計思路要符合人體活動的所需空間。例如走道設計、樓梯電梯設計、門廳設計等。平面設計要注重水平交通、垂直交通和交通樞紐之間的聯系，注意空間形象的美化。如交通線路要簡潔清晰，走道的設計要根據寬度、長度進行合理分配，直跑樓梯、兩跑樓梯、兩跑三段式樓梯、螺旋式樓梯等，應按照平面設計的要求，根據防火疏散要求來確定。

平面設計考慮的因素不能從單方面來分析，而是要考慮平面之間的組合形式及立面、剖面之間的聯系，根據綜合考慮的結果合理規劃以更好地進行整體設計，特別是現代建筑設計中平面設計要以實用性、功能性和審美要求來考量[3]。

2 建筑結構抗震設計的基本原則

建筑結構抗震設計是施工中的重點內容，在建筑結構建設中平、立面是否規則對結構抗震性有重要的影響，也是建筑設計首先要考慮的問題。在建筑新規定中要求，建筑設計除了要符合抗震設計以外，不應采用嚴重不規則的設計方案。規則的平面設計有利于提高抗震的剛度和承載力，使建筑結構更加穩定。在規則與不規則的區分中明確了主要的界限，引起建筑結構不規則的因素很多，特別是復雜的建筑體形，無法用簡化的定量指標來區分不規則的程度。在抗震設計中設計人員要對建筑的抗震性能有所估計，采用抗震性能好的規則的設計方案，避免采用較差的不規則的設計方案[4]。

3 建筑平面不規則的主要類型和對抗震性的影響

3.1 建筑平面不規則的主要類型

建筑平面不規則主要包括扭轉不規則、樓板凹凸不規則和樓板局部不連續。扭轉不規則主要是指樓層的最大彈性水平位移大于該樓層兩端彈性水平位移平均值的1.2 倍。凹凸不規則是指結構平面凹進的一側尺寸大于相應投影方向總尺寸的30%。樓板局部不連續指的是樓板的尺寸和平面高度急劇變化，有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的50%，或者開洞面積大于該層樓面面積的30%和出現較大的樓層錯層。

3.2 建筑平面不規則對抗震性的影響

建筑平面不規則、不對稱容易造成結構扭轉和脆性破壞，甚至會導致整個結構的倒塌。在建筑結構中，體形應該是均勻對稱的，結構扭轉破壞主要是構件受到扭矩作用時，構件剛度中心地方剪應力大，剪切變形。在建筑整體結構中，當結構受到扭矩作用時，豎向構件承受剪力，均勻對稱的結構受到破壞。當結構受到扭矩的壓力時，各個支柱中會產生相應的剪力。結構受到扭矩作用時，離剛心越遠的構件將承受越大的剪力，破壞力較強。建筑結構設計都是基于抗震作用下進行配置的，無論是中震還是大震都要通過良好的結構來加強節點控制，提高結構的延展性，以達到耗散地震能量的目的。在中振和大震作用下產生的扭矩作用明顯增大豎向構件的剪力，會導致結構發生脆性破壞[5]。

平面不規則會造成平面重心偏移，樓層各個構件尺寸不同會產生重心的偏移，只有體形對稱的結構才能夠符合施工要求。但是在現代很多建筑中，施工質量和材料具有不確定性，結構存在質量偏心問題。自重是一個隨機的變量，當考慮質量分布不均勻，帶來的偶然偏心時，如果0.05 倍垂直于地震作用方向邊長，偶然偏心就存在一定問題。

平面不規則會造成平面剛度偏心。在理想化的模型設計中，按照構件的彈性模量和截面尺寸通過計算公式得到剛度值。施工建造過程中結構確定荷載分布和約束條件下，建筑材料的性質不穩定，構件尺寸控制如果存在誤差，施工工藝和條件受到限制，結構就會形成一定的約束，存在名義上的均勻對稱結構，但實際上存在一定程度偏心，這種情況下一旦發生問題就會導致抗扭剛度和抗側剛度隨之改變。

平面不規則會造成平面強度偏心。在建筑結構中質量和剛度分布均勻是比較理想的狀態，但是由于材料的限制，構件強度不同造成強度偏心容易被忽略，有些構件不同的設計容易產生誤差。強度偏心和質量、剛度偏心同樣都是無法回避的問題。在建筑材料中混凝土鋼筋等材料存在眾多質量的不確定性，構件方面如果與強度、剛度設計存在微小的差異，就容易因為大的結構造成強度偏心。一旦進入彈塑性狀態以后，構件水平不同就會產生抵抗合力作用點的變化，因而引起彈性扭轉。

4 平面不規則的解決措施

4.1 針對扭轉不規則的設計

針對扭轉不規則的情況還是由于平面布置的不規則，使得在具有偶然偏心的規定水平力作用下，樓層兩端抗側力構件彈性水平位移(或層間位移)的最大值與平均值的比值大于1.2。這種對抗震不利的因素在平面設計時要滿足建筑功能的基本需求，遵照平面規則性來進行布置。平面的規則性就是盡量方正，凹凸變化不要超過規范限值，避免平面過于異形，對抗震性能產生不利影響。

為了減緩由于不規則對抗震性能產生的影響，一般在建筑功能允許情況下加長或者加厚周邊剪力墻，提高在離剛心最遠處的剪力墻扭轉度，減小結構扭轉周期。減少核心筒的剪力墻厚度，采用弱連梁剪力墻，減少核心筒高度，使結構抗側移剛度增強。在結構周邊設立拉梁，加強梁的剛度，增強結構扭轉剛度，減少周期干擾。結構剛心的剪力墻對結構扭矩貢獻不大，對抗側移剛度貢獻較大，因此，在剛心附近，可以適當加強周邊的結構，使結構形成良好效應。

4.2 針對平面凹凸不規則的設計

不規則平面特點導致結構凹凸存在偏心距較大的問題,因此在建筑平面方案設計中，平面凹進的尺寸大于相應投影方向總尺寸的30%。把握好這個尺度限值，使不規則產生的不利影響控制在結構要求范圍。如平面凹凸不規則建筑的荷載情況和地震荷載作用，偶然偏心和雙向地震扭轉效應以及凹凸不規則平面建筑中關注的主要參數（位移比、周期比、減重比、剛重比等）。建筑平面在追求平、立面造型美觀的前提下，盡可能不要大幅度凹凸變化，如果平面不規則，建筑體形系數會變大，對建筑節能不利。對抗震性能的影響，體現了建筑設計要素中“安全”要素，需要建筑和結構專業的相互配合，才能保證建筑的安全可靠。

4.3 針對樓板局部不連續的設計

樓板局部不連續（大開洞及錯層)是指平面樓板的尺寸和平面剛度急劇變化，例如，有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的50%，或開洞面積大于該層樓面面積的30%，或較大的樓層錯層，使構件承受的荷載較大，在建筑抗震設計中樓板局部不連續導致平面設計不規則。故在平面設計中避免樓板大開洞，造成的樓板局部不連續，即使開洞也要保證開洞面積不大于樓板總面積的30%，或者有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的50%，這樣可以保證建筑的安全可靠。

樓板的尺寸和平面高度發生變化，有效樓板寬度小于該層樓的典型寬度，存在開洞面積情況，有的時候存在較大的樓層錯層。在抗震設計中要按照符合樓板平面高度變化的計算來完成連續性設計，建筑設計中采用的是混凝土技術結構存在較大的凹入和開洞面樓板，會發生力量削弱。樓板削弱產生的不利影響較多，因此在設計過程中要考慮樓板是否存在狹長和較大的凹入和開洞問題。

5 結語

科學的建筑設計在抗震設計中發揮了重要的作用。地震作用下建筑物結構的損傷破壞，抗震系統薄弱的部位，在平面設計中就要注重結構整體性的設計。建筑物的薄弱部位來源于結構缺陷或者不規則，采用平面規則性設計有利于增加建筑物的整體彈性，避免平面不規則結構在地震作用下產生薄弱層，在平面結構設計中就要滿足結構設計的要求。建筑平面的規則性設計能夠從根本上解決建筑抗震性能難題，真正從設計角度和創新角度提升現代建筑的美感。