對(duì)提升民用建筑設(shè)計(jì)抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平的探討

孫飛虹

【摘要】民用建筑抗震設(shè)計(jì)關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，有必要采取系統(tǒng)的方法來提升抗震水平。在這種背景下，本文從遵循抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則、應(yīng)用合適的抗震方法、注重建筑設(shè)計(jì)的生命周期及保障措施等方面對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】民用建筑；抗震結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；水平；提升

0引言

建筑安全為設(shè)計(jì)與施工的的首要準(zhǔn)則，而沒有安全的結(jié)構(gòu)就無法保障人們生命與財(cái)產(chǎn)；良好的建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)于規(guī)劃階段，即應(yīng)注意基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的選擇，建筑師在該階段即需對(duì)未來設(shè)計(jì)的建筑物具備概括的意念，他不需作業(yè)詳細(xì)的考慮與計(jì)算，就能準(zhǔn)備多種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的替代方案，以提供與業(yè)主比較參考；結(jié)構(gòu)的初步規(guī)劃包括；結(jié)構(gòu)物具體的系統(tǒng)與形狀，各種系統(tǒng)的力學(xué)行為與主要建材的約略尺度。接著如何有效的如何運(yùn)用室內(nèi)外隔間墻，核心及其平面造型來作為抗震設(shè)計(jì)，并符合法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，使構(gòu)造物的總工程費(fèi)達(dá)至最經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)，著即為最佳建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。

1遵循抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，應(yīng)用合適的抗震方法

1.1抗震設(shè)計(jì)基本原則

我國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的基本原則為建筑物在中小度地震時(shí)保持在彈性限度內(nèi)；設(shè)計(jì)地震時(shí)容許產(chǎn)生塑性變形，但韌性需求不得超過容許韌性容量；最大考量地震時(shí)建筑物使用的韌性可達(dá)規(guī)定的韌性容量。另外，抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的抗震目標(biāo)也應(yīng)確保當(dāng)建筑物遭受低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震（小震）影響時(shí)，一般不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用；當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的地震影響時(shí)可能損壞，經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用；當(dāng)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度預(yù)估的罕遇地震（大震）影響時(shí)，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。從國(guó)內(nèi)外震災(zāi)的案例中可以發(fā)現(xiàn)，符合建筑設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的建筑物，也有受到中級(jí)以上的損害，探討設(shè)計(jì)上的災(zāi)害原因，大部分均因構(gòu)造形態(tài)平衡不良所造成的；設(shè)計(jì)時(shí)“抗震的”的不良因素越多，會(huì)使“互相作用”變?yōu)閺?fù)雜，抗震性也因此以“相乘的”的變?yōu)椴涣?。同樣地，符合各?xiàng)良好抗震設(shè)計(jì)條件（構(gòu)造、材料、平面、立面等等）的建筑，產(chǎn)生相乘安全、經(jīng)濟(jì)、美觀的效益。

１．２應(yīng)用抗震的消極隔震控制法

以隔震措施將受振動(dòng)影響的機(jī)電設(shè)備與外界隔離的方式稱為消極隔震控制法，該方法特性是在系統(tǒng)共振區(qū)內(nèi)有低傳遞動(dòng)性，將隔震區(qū)域的系統(tǒng)自然頻率設(shè)計(jì)在共振區(qū)范圍會(huì)有最佳的減振效果。建筑基礎(chǔ)隔震與抗震設(shè)計(jì)均屬消極隔震控制的方式，為被動(dòng)的在受振（震）動(dòng)影響處裝設(shè)隔震（震）設(shè)施，以降低外在振（震）動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響，其在系統(tǒng)共振區(qū)外具有很高的隔震能力，在共振區(qū)則借助阻尼器等消能裝置，消耗振動(dòng)能。而基礎(chǔ)隔震（震）依所選擇的裝置類型也可分為地震力隔震裝置與非地震力隔震裝置。用來將建筑物與外界地震力隔離的方式稱為基礎(chǔ)隔震，在國(guó)內(nèi)30層以下的民用建筑可采用LRB（鉛心積層橡膠）或輔以速度型阻尼器增加阻尼消能效應(yīng)?；A(chǔ)隔震措施一般是在建筑物下部或中間層結(jié)構(gòu)設(shè)置隔震層，且在橫向需具有大變形的能力。另一方面，用來將建筑物與外界非地震力環(huán)境振動(dòng)量予以隔離的方式稱為彈性隔震基礎(chǔ)，如交通運(yùn)輸系統(tǒng)（高速鐵路或快速道路等）所產(chǎn)生的環(huán)境振動(dòng)頻率大多在20Hz~200Hz間，該振動(dòng)量如果未與建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)做好隔震措施，則該振動(dòng)能量傳遞至建筑主結(jié)構(gòu)后，將可能產(chǎn)生次結(jié)構(gòu)（如開口部的門窗、輕隔間墻或家具等）的共振問題，進(jìn)而輻射出低頻噪音，它的隔震設(shè)備以線性彈簧隔震裝置為主，視情況需要輔以黏彈性阻尼器增加阻尼消能效應(yīng)。

２注重建筑設(shè)計(jì)的生命周期

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)規(guī)劃的目的，為提供建筑師與結(jié)構(gòu)工程師間的觀念得以獲得充分的討論與溝通，并據(jù)此規(guī)劃擬定一套經(jīng)濟(jì)安全與適合于該建筑物特性的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

一是，規(guī)劃階段。在規(guī)劃階段中，建筑師必須將該構(gòu)造物的設(shè)計(jì)構(gòu)想，與結(jié)構(gòu)工程師作充分的溝通，以避免或減少爾后設(shè)計(jì)作業(yè)過程中，產(chǎn)生不必要的限制因素。本階段在規(guī)劃作業(yè)中，應(yīng)對(duì)下述項(xiàng)目詳加考慮：建筑物尺度，包括基地面積、樓地板面積、地樓層數(shù)；基地特性，包括建設(shè)區(qū)域、指北方向、地質(zhì)資料、基礎(chǔ)特性；內(nèi)部空間需求，包括空間種類、動(dòng)線需求（垂直及水平）、特殊平面需求；防火標(biāo)準(zhǔn)；預(yù)算，根據(jù)品質(zhì)要求的層次種類估計(jì)其約略的預(yù)算。

二是，設(shè)計(jì)階段。草圖設(shè)計(jì)階段作業(yè)中，建筑師應(yīng)在草圖設(shè)計(jì)階段作業(yè)之前，設(shè)計(jì)進(jìn)行中與工程師作更進(jìn)一步的核對(duì)。假若平面復(fù)雜或具特殊造型的形狀者，更應(yīng)密切與工程師溝通配合，以能達(dá)成最佳效果。

三是，初步定案設(shè)計(jì)。初步定案設(shè)計(jì)是針對(duì)已提供的資料作初步分析，進(jìn)而考慮各主要部分的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，就主要建材斷面的尺寸、結(jié)構(gòu)的基本造型及外觀，予以假設(shè)評(píng)估。若平面及構(gòu)造復(fù)雜或不尋常的建筑物，在其早期初步定案設(shè)計(jì)過程中，無法運(yùn)用一般的概算法加以估算時(shí)，則須試作細(xì)節(jié)的分析。

四是，合約建檔階段。建筑師與結(jié)構(gòu)工程師相互間對(duì)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)決策（例如：柱子的確實(shí)尺寸、開口的細(xì)節(jié)處理等），充分溝通了解后結(jié)構(gòu)工程師在本階段對(duì)于非結(jié)構(gòu)體的抗震設(shè)施也需詳加掌握。（如：天花板之錨定、重機(jī)械的位置、外覆的材料等），協(xié)助建筑師制定合約規(guī)范，施工說明書等建檔工作。

五是，施工階段。施工階段是指結(jié)構(gòu)工程師協(xié)同建筑師監(jiān)視督導(dǎo)營(yíng)建廠商確實(shí)控制施工品質(zhì)，以按圖施工。

六是，營(yíng)運(yùn)管理階段。從抗震的觀點(diǎn)而言，任何結(jié)構(gòu)的局部改變，包括增設(shè)強(qiáng)勁的非結(jié)構(gòu)墻或在既有的墻上開口，均可能造成重大的影響。特別是較高的樓層或不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)位置上，添置重設(shè)備或移動(dòng)載重，極可能產(chǎn)生危險(xiǎn)，因此對(duì)于結(jié)構(gòu)體完成后的可能變更使用等因素，結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)之際，也應(yīng)當(dāng)加以考慮。

3民用建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平提升的保障

一是，正確的建筑抗震設(shè)計(jì)觀念為建筑安全的重要基礎(chǔ)。在今日，建筑對(duì)抗地震災(zāi)害的發(fā)展，已由制震、隔震等新一代的技術(shù)所引領(lǐng)，而且由原本的基本安全需求，提升至心理舒適感受的層次；相對(duì)于此，抗震設(shè)計(jì)的原則應(yīng)扮演認(rèn)知結(jié)構(gòu)行為的角色，通過對(duì)抗震結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步理解構(gòu)造、材料等的特性，進(jìn)而借助掌握其特質(zhì)，在安全的基礎(chǔ)上衍生出更多樣化的設(shè)計(jì)；且現(xiàn)階段隔震技術(shù)因費(fèi)用較高，多應(yīng)用于對(duì)安全要求較高的建筑類型（如醫(yī)院、公家機(jī)構(gòu)等），抗震設(shè)計(jì)仍為建筑的主流，因此仍須對(duì)抗震設(shè)計(jì)有正確的認(rèn)知與應(yīng)用。

二是，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)于規(guī)劃階段即須整合相關(guān)人員的意見與專業(yè)。建筑師與結(jié)構(gòu)技師間的溝通，常在設(shè)計(jì)幾乎定案時(shí)才進(jìn)行，常衍生出大幅修改的情況，除了建筑師應(yīng)自我提升抗震設(shè)計(jì)觀念之外，在設(shè)計(jì)規(guī)劃開始時(shí)即應(yīng)與結(jié)構(gòu)技師進(jìn)行溝通討論，才能研定出安全、經(jīng)濟(jì)合適的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，進(jìn)而才能建造出合乎安全、經(jīng)濟(jì)與美觀的建筑物。

三是，政府與建筑業(yè)者應(yīng)對(duì)災(zāi)后復(fù)原、整建等作為進(jìn)行規(guī)劃與落實(shí)。地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)及設(shè)施可能造成破壞，重者傾倒、毀壞，輕者部分結(jié)構(gòu)及設(shè)施的龜裂等，重者敲除重建輕者補(bǔ)強(qiáng)維修，但無論何種狀況政府及專業(yè)者，對(duì)保障國(guó)民（購屋者）生命財(cái)產(chǎn)的保障觀念與措施均有待提升；從業(yè)者方面應(yīng)當(dāng)基于永續(xù)經(jīng)營(yíng)、社會(huì)與專業(yè)責(zé)任，建立災(zāi)后配套計(jì)劃與措施。

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［責(zé)任編輯：薛俊歌］