立面造型對建筑物安全的研究分析

文／劉爽 陜西省寶雞市建筑設(shè)計院 陜西寶雞 721000

引言：

當今社會放眼全球都對中國的基建速度嘆為觀止，科技的發(fā)展帶來施工技術(shù)的進步，施工速度的提升，一座座建筑拔地而起，點綴著整個城市。當新開發(fā)的項目越來越多時，消費者開始可以根據(jù)自己的需要對各個樓盤進行挑選，地標性建筑當然是熱門，因為不管它最后的造型風格是什么樣子，都不會影響其對周圍環(huán)境的建筑形體進行統(tǒng)轄輻射。但城市里更多的是一般性建筑，它們沒有作用于周圍環(huán)境的能力，但也可以設(shè)計成醒目的風格，以此來增加自己的市場競爭力。和諧的裝飾風格美化著人們的生活，但是更多的時候，這些造型會對建筑物安全帶來不小的隱患。以下是工作過程中常遇到的幾個典型工程案例，對它們的立面造型變化而引起的后果，通過數(shù)據(jù)比對做一個簡單的分析闡述。

1.立面超荷載裝修的安全性分析

1.1 工程概況

某公共建筑工程，框架結(jié)構(gòu)，平面尺寸為70m×2 9m，地下一層車庫，地上三層，層高6.8m，市重點工程，柱距多為7.2m×8.0m，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準期為50年，設(shè)計使用年限為50年。抗震設(shè)防烈度是7 度，設(shè)計基本地震加速度值為0.15g，Ⅱ類場地。立面初稿設(shè)計為科技風格，用鋁塑板+粉刷材料裝修外立面，后因建設(shè)方幾易其稿，墻面又定為大理石墻面，但經(jīng)設(shè)計建模驗算后，多項數(shù)值結(jié)果超限，最后因條件限制仍使用鋁塑板，但增加了亮化燈具數(shù)量。下面是對三次不同的立面造型使用PKPM 進行建模計算的結(jié)果，僅選取幾個關(guān)鍵數(shù)據(jù)做比對。

1.2 建模數(shù)據(jù)比對

（1）鋁塑板+粉刷材料裝修外立面設(shè)計。周期比為0.8816，最大扭轉(zhuǎn)系數(shù)0.92 出現(xiàn)在第三周期，地震作用最大的方向1.037 度，X 向最大層間位移角為1/613，Y向1/980，偏心率最大Eex=0.1218，Eey=0.0340，這些數(shù)據(jù)表明此次設(shè)計基本滿足規(guī)范要求。

（2）大理石墻面外立面設(shè)計。周期比為0.8475，最大扭轉(zhuǎn)系數(shù)1.0 出現(xiàn)在第二周期，地震作用最大的方向-3.818 度，X 向最大層間位移角為1/604，Y 向1/524，偏心率最大Eex= 0.1826，Eey= 0.0211，從數(shù)據(jù)中可以看出Y 向位移角超限，偏心率超過15%，質(zhì)量和剛度分布明顯不對稱，剛度偏心嚴重，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt 在第二周期，反映出整個建筑一旦地震，會趨于扭轉(zhuǎn)破壞，從以上數(shù)據(jù)得出結(jié)構(gòu)布局不合理，并且此設(shè)計違反多項國家現(xiàn)行規(guī)范強條，為不合格設(shè)計。

（3）鋁塑板+增加亮化燈具數(shù)外立面設(shè)計。周期比為0.8721，最大扭轉(zhuǎn)系數(shù)0.54 出現(xiàn)在第三周期，第二周期扭轉(zhuǎn)系數(shù)0.41，地震作用最大的方向-0.057 度，X 向最大層間位移角為1/641，Y 向1/553，偏心率最大Eex= 0.1674，Eey= 0.0238，從數(shù)據(jù)結(jié)果來看，各項指標勉強達到設(shè)計標準，但是扭轉(zhuǎn)和偏心率雖不違反強條，卻也不是理想的設(shè)計模型。

1.3 立面修改后的安全影響

此項目立面裝修方案在主體完工后幾易其稿，不但延誤工期，損耗人力，也造成經(jīng)濟浪費，還對建筑物的安全造成威脅。因為所有的裝修構(gòu)件都要固定在承重構(gòu)件上，為了不脫落，施工隊會在承重構(gòu)件上鉆孔植筋，以便更好的起到拉結(jié)作用，但是重新裝修就要把這些固定件拆除，在受力墻柱梁上留下孔洞，容易形成應(yīng)力集中，長時間使用還會加速這部分混凝土的碳化。另外，所有的設(shè)計都是按規(guī)劃批復(fù)時的立面建模加載的，隨意變更立面造型，讓荷載與實際不符，重心、質(zhì)心移位，這對建筑物的周期扭轉(zhuǎn)、最大位移等數(shù)值的變化和承重件的真實受力狀況都向著不確定的方向發(fā)展，出現(xiàn)不可預(yù)估的后果。實際上，該工程最終按照C 方案實施，設(shè)計時所施加的載荷不滿足現(xiàn)狀，最后不得不取消一部分荷載并加固了承重構(gòu)件，以便保證整個樓體的穩(wěn)定性和安全性。

2.古建造型材料工藝的安全性分析

改革開放后，很多建設(shè)方更愿意把各種建筑風格裝飾到樓房外墻上，不論是西方的歐美風格，還是中國的古建形式，都是借鑒的方向。其實各國的經(jīng)典建筑也是要尊重當時的工藝技術(shù)和環(huán)境，例如世界有名的哥特式建筑，特有的尖肋拱頂、飛扶壁、修長束柱，營造出輕盈修長的飛天感，它主要為中歐與西歐封建社會教堂建筑所用，使教堂內(nèi)產(chǎn)生一種濃厚的宗教氣氛。這是因為西方建筑多使用的石材其抗彎、抗拉強度均差，建筑師就只能往高尖聳方向設(shè)計，而當時教會資金雄厚，工匠云集，教堂為震撼信徒來，極力追求高大的空間營造超尺度。現(xiàn)在建筑要求經(jīng)濟性、實用性、適用性，主要建材所用的鋼筋混凝土和高強鋼其抗彎、抗拉強度等性能都更優(yōu)異，設(shè)計人員不應(yīng)該生搬硬套，而要因“材”建設(shè)。

中國古建大都有飛檐、翹角、斗拱等之類的造型，受力構(gòu)件多是處理后的木材，古人更看重建筑舒適性和經(jīng)濟性，木材都能很好的滿足，木材具有取材方便、易于加工、適應(yīng)性強等優(yōu)勢。木構(gòu)建筑由立柱、橫梁、順檁等主要構(gòu)件建造而成，各個構(gòu)件之間的結(jié)點以榫卯相吻合，構(gòu)成富有彈性的框架，不但可以承受較大的屋面的荷載以及風力、地震力等，而且允許產(chǎn)生一定的變形，更多的實驗數(shù)據(jù)和大量已發(fā)生的地震災(zāi)害勘察結(jié)果已經(jīng)表明，這種木構(gòu)建筑在地震荷載下通過變形抵消一定的地震能量，可以消減地震力的破壞，木構(gòu)建筑把木材的優(yōu)點發(fā)揮利用到極致。現(xiàn)代仿古建筑從局部裝飾效仿到整體樣式仿制都有，大多工程為了施工方便，全部采用鋼筋混凝土一體澆筑。其實古建筑采用混凝土結(jié)構(gòu)是要做很多合理的變動，因為框架結(jié)構(gòu)首先就要保證在災(zāi)害來臨時主要由框架梁、柱承擔絕大部分力，而其他構(gòu)件都是可以破壞的，但整體現(xiàn)澆的古建完全違背了框架的受力特點。

例如，某座仿古祭祀廟堂建筑，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋頂仿廡殿形式，外墻結(jié)構(gòu)采用約400 厚的青磚砌筑，這座完全照搬古樣式的廟堂雖然按框架設(shè)計，但是“強柱弱梁，強剪弱彎，強節(jié)點弱構(gòu)件”這個框架抗震設(shè)計應(yīng)該遵守的原則，卻很難實現(xiàn)，在窗臺、檐枋等次構(gòu)件剛度大的地方容易形成短柱。古樣式是利用了木材良好的穩(wěn)定性，在熱脹冷縮時，體積變化不大和在短時間內(nèi)能夠承受強張力的性質(zhì)，允許有一定的變形，因此木結(jié)構(gòu)能夠有效抵抗外力。但現(xiàn)代建筑采用的鋼筋混凝土雖然結(jié)實，也配置鋼筋具有抗彎性能，卻更接近石材的屬性。所以，在某次強烈度地震后，該建筑大殿里的墻體青磚完好無損，屋蓋大梁沒有破壞，角部、外圍框架柱在窗臺沿處，以及殿中的部分框架柱在柱頂部分均破裂，裂縫貫穿柱體，有些地方鋼筋外露，就算后期加固修復(fù)，也已經(jīng)對結(jié)構(gòu)安全帶來隱患。

3.局部突出造型的安全性分析

為了使外立面凹凸感更強，建設(shè)方喜歡在高層建筑腰部采用大腰線造型，因為要做出效果，就必須有較大的造型尺寸，若是做成全混凝土則每米多出幾十到幾百公斤的重量，比承重梁體積還大，這會給梁增加荷載和扭矩。要是做成輕質(zhì)掛件，僅靠龍骨鋼筋焊接在外墻上，施工方又很難保證掛件安全不脫落，還有一種方式是做成外挑薄板，雖然減輕了實際重量，但是使用中會出現(xiàn)大量積水，而這對于腰線層下面的樓層住戶造成一定的影響，特別是雨季，腰線層存在積水會導致下面樓層的居民墻壁滲水的情況時常出現(xiàn)，這些都會造成安全隱患。這些華而不實的造型不但增加外立面的重量，也會讓主要受力構(gòu)件的重心偏移，而且這些荷載分布情況在建模時也無法真實體現(xiàn)，最后會出現(xiàn)實際與設(shè)計模型不符的情況。為了解決局部突出造型不利荷載的問題，建筑師減小了外伸尺寸，結(jié)構(gòu)工程師想辦法減輕實際造型構(gòu)件重量，僅設(shè)置薄板勾勒外形，最終克服了這個不利因素（圖1），但是更多的局部大尺寸突出造型是無法通過這個方法調(diào)整的，這就需要設(shè)計師更多的考慮其產(chǎn)生的各種不利影響后，一一解決。

圖1 大腰線做法

4.屋面造型裝修的安全性分析

其實，按照結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范所述，小震為50年超越概率為63%，中震為10%，大震2%～3%，一般建筑只要遵守國家設(shè)計規(guī)范的規(guī)定，影響其使用安全的并不是地震災(zāi)害，而是其造型情況、設(shè)備安裝狀況和裝潢材料安全等問題，有著大翻檐或者斜坡的屋面，滲水比例較高，《土木工程材料》一書中說明，混凝土為親水性材料，雨水容易在不利于排水的混凝土材質(zhì)的屋面造型上停留，水滴會沿著屋檐慢慢滲透進施工薄弱點的縫隙，長時間后，對下方的墻體造成損害。

另外，就是經(jīng)過模型驗算，符合國家規(guī)范條文的屋面，如果裝修不當也會造成嚴重的安全事故。例如，某三層公共建筑工程，框架結(jié)構(gòu)，在第三層中間部分抽柱，形成大空間，屋頂架設(shè)網(wǎng)架，采光頂由鋼化安全玻璃鋪設(shè)，網(wǎng)架下方架設(shè)消防水管，連接噴淋頭68℃感應(yīng)噴水下噴自動噴淋系統(tǒng)。2022年的五月某天，當?shù)厥彝鉁囟葹?0℃以上，該建筑物在整個場館沒有一處發(fā)生火災(zāi)的情況下，自動噴淋系統(tǒng)啟動，事后，經(jīng)檢查，安裝的噴頭全部符合國家驗收標準，不存在質(zhì)量問題，所以在排查所有能引起自動噴淋系統(tǒng)啟動的因素后，得出的結(jié)論就是當時屋內(nèi)的溫度超過68℃。專業(yè)檢查機構(gòu)檢測結(jié)果顯示，場館內(nèi)溫度在網(wǎng)架下噴頭融化的地方，室溫高達近60℃，其余部分卻僅有30 ～40℃。造成這個溫度差異的原因就是采光屋面造型的樣式，建設(shè)方為了節(jié)能采光好，既能有利于排水，又兼顧造型優(yōu)美，把雙坡屋頂改成了曲面屋面，無意中形成了有焦點的弧面，太陽光照在有弧度的玻璃上會產(chǎn)生聚光，有弧度的玻璃中央厚邊緣薄，相當于凸透鏡，凸透鏡對光線具有會聚作用，可以將平行主軸的光匯聚到焦點上。帶有弧度的曲屋頂由于這個作用，在室外陽光強烈時，光線透過近似于弧形的玻璃屋頂，會聚到某一處時間過長，溫度達到了68℃啟動自動噴淋系統(tǒng)的條件。這次雖然僅是一場虛驚，可是若是場館內(nèi)沒有設(shè)置自動噴淋系統(tǒng)，聚光點聚在易燃物品上，很可能就是一場火災(zāi)。

5.問題分析及改進措施

任何不安全事故都是可以預(yù)防的，每一起嚴重事故的背后，必然有輕微事故和未遂先兆以及事故隱患，我們要把問題消除在萌芽狀態(tài)。不良造型設(shè)計到涉及多方面，像文中舉出的超荷載裝修，材料工藝不適宜，樓層凸出造型及屋面造型設(shè)計裝修不利于使用安全等等問題，都是應(yīng)該預(yù)判的，要在一開始就對其分析改進。

首先，對于不合理的結(jié)構(gòu)形式要采取必要的調(diào)整，強調(diào)承重墻柱的作用，刪除繁冗部分，簡化受力模型，對簡單的造型（如直翻檐）可直接按照點、線荷載輸入，復(fù)雜造型（如空屋架）設(shè)計者必須在屋面裝修前按實際荷載和結(jié)構(gòu)形式輸入模型驗算，符合國家規(guī)范條文才能進行下一步設(shè)計。

另外，有些造型也可化繁為簡，用薄板僅做出外形，剩余部分用輕質(zhì)材料填充（圖2），或者設(shè)置蓋板封口，既易于施工，構(gòu)件能少大約1/2 ～2/3 的重量，節(jié)省鋼筋用量。

圖2 輕質(zhì)材料填充

還有，在不重要的地方選用輕質(zhì)材料，像是仿古建筑的屋檐就完全可以用市面上流行的輕質(zhì)仿古瓦，例如，聚丙烯樹脂、玻璃鋼材質(zhì)的仿古瓦，重量輕、單塊面積大、便于施工；金屬仿古瓦，外觀保存?zhèn)鹘y(tǒng)瓦古典優(yōu)雅的造型，材質(zhì)輕，強度高，重量僅為陶瓦的1/10；輕質(zhì)陶制瓦、琉璃瓦，材料堅固、色彩鮮艷、釉色光潤，現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，不僅提升了施工技術(shù)的水平，也促使市場出現(xiàn)大量既能滿足美觀要求，又能輕質(zhì)耐用的新型材料品種，它們完全可以替代很多古法制作的東西，時代在進步，科技在發(fā)展，墨守成規(guī)一味追求原汁原味，會造成沒必要的經(jīng)濟浪費和安全隱患。

在工程前期設(shè)計階段必須考慮全面，統(tǒng)籌安排各專業(yè)的要求，及時與各方溝通，必要時應(yīng)避免采用不利于建筑安全的造型，減少明顯會影響使用功能年限的樣式，以降低后續(xù)施工裝修時的出錯率和反復(fù)性。設(shè)計師要不斷充實自己，掌握更多更新的材料應(yīng)用、施工工藝、技術(shù)創(chuàng)新等知識，不墨守成規(guī)，充分利用各種材料的材質(zhì)特性，達到功能性、抗震性、美觀性均滿足的理想效果。

結(jié)語：

綜上所述，立面造型的樣式，分布位置，裝修材料等每一個環(huán)節(jié)都需要仔細考慮其是否會帶來不利因素，這需要設(shè)計方在盡量滿足造型要求的前提下，削減這些裝飾構(gòu)件的不良影響，也要施工方嚴格遵守以施工規(guī)范為標準編制的操作條例手冊進行作業(yè)。一旦工程進入施工階段后，隨意改變立面造型，易導致設(shè)計施工圖中的荷載不足，結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性達不到國家規(guī)范的最低要求，做不到建筑抗震“三個水準——小震不壞，中震可修，大震不倒”的設(shè)防目標。這樣的建筑就算是在平時使用時未出現(xiàn)明顯裂縫，但在一定外力沖擊后，結(jié)果不堪設(shè)想。每年都會有新的樓盤涌現(xiàn)，建設(shè)方想要占據(jù)市場一席之地，贏得消費者青睞，越來越多的在立面造型上下功夫，雖然這些不是影響房屋安全的主要因素，但是它卻是建筑正常使用的重要條件，所以絕不能忽視其重要性，設(shè)計時要綜合考慮其影響，施工時要注意安裝規(guī)范，才能達到“1+1 ≥2”的效果。