低烈度地區(qū)風(fēng)控高層住宅設(shè)計管控要點(diǎn)

楊 琿 （安徽五維建筑規(guī)劃設(shè)計有限公司，安徽 合肥 230001）

1 工程概況

亳州玉暉公館項目位于安徽省亳州市嵇康路與百合路交口東北角。項目總用地面積約15.6萬m2，總建筑面積約38.6萬m2。由多棟17～32層高層住宅、多棟2層的社區(qū)配套用房及商業(yè)、幼兒園組成。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，亳州地區(qū)地震烈度為七度，基本風(fēng)壓0.45kPa。對一般高層住宅而言為典型的風(fēng)荷載剛度控制。嚴(yán)格采用集團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)化戶型后，雖獲得較好的建筑平面布置，市場反應(yīng)良好，但就結(jié)構(gòu)專業(yè)而言，其剪力墻布置、梁板布置并不合理。也導(dǎo)致單方土建成本偏高，且優(yōu)化空間有限。

圖1 亳州玉暉公館鳥瞰圖

2 高層建筑風(fēng)控因素分析

結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，把握結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，分析各類荷載工況，力求承載力和剛度都得到相對合理、相對均質(zhì)的利用是至關(guān)重要的。通常剛度發(fā)揮接近極限，而承載力富余量很大，則表明結(jié)構(gòu)體系的選擇和利用可能并不合理，勢必造成不必要的浪費(fèi)，反之亦然，因此需要通過一些技術(shù)手段來適當(dāng)調(diào)整不合理的指標(biāo)。

2.1 低烈度高風(fēng)壓

在大量的低烈度地區(qū)，地震作用相對較小，單純從抗震設(shè)計角度通常情況下滿足軸壓比等限制后，地震下的變形要求很容易滿足。一旦風(fēng)荷載較大時，結(jié)構(gòu)的變形就會受到風(fēng)荷載控制，有時甚至可以達(dá)到中震水平，為此不得不增加額外的抗側(cè)力構(gòu)件來滿足風(fēng)荷載作用下的剛度需求。

2.2 周邊環(huán)境

風(fēng)荷載大小受場地影響非常顯著，對于空曠地區(qū)風(fēng)通常直接作用于建筑物表面，而當(dāng)場地周邊一定范圍內(nèi)存在高大建筑物時，對風(fēng)荷載有明顯的減緩，風(fēng)剖面也會發(fā)生明顯變化。根據(jù)《荷載規(guī)范》8.2.1條規(guī)定，A～D類場地，風(fēng)荷載相差一倍有余。

2.3 高層建筑的高寬比

控制高層建筑的高寬比，是對結(jié)構(gòu)剛度、整體穩(wěn)定、承載能力和經(jīng)濟(jì)合理性的宏觀控制。下式為等剛度、倒三角荷載作用下、不計剪切變形頂點(diǎn)位移計算公式。可見在倒三角形水平風(fēng)荷載作用下，其頂點(diǎn)水平位移與建筑高度的四次方成正比，而剛度作為分母，當(dāng)墻肢沒有足夠的長度時，剛度呈三次方下降。該描述不具有實(shí)際工程計算的意義，但可說明高寬比對風(fēng)荷載變形影響的重要性。

式中：q—倒三角形分布水平荷載的頂點(diǎn)集度；

H—結(jié)構(gòu)總高度

EJd—結(jié)構(gòu)總彈性側(cè)移剛度

2.4 建筑體型

風(fēng)荷載的體型系數(shù)是計算風(fēng)荷載大小的一個重要參數(shù)，它描述的是建筑物表面在穩(wěn)定風(fēng)壓作用下的靜態(tài)壓力的分布規(guī)律，主要與建筑物的體型和尺度有關(guān)。高層建筑豎向體型宜均勻、規(guī)則布置，盡量避免過大的外挑和內(nèi)收。調(diào)整建筑平面布置不合理及凹凸不規(guī)則等，可以有效的減小風(fēng)荷載。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計中的管控要點(diǎn)

結(jié)構(gòu)成本占到整個建安成本的三分之一以上，是成本的重要組成部分，但結(jié)構(gòu)成本并不同于建筑外立面、室內(nèi)、景觀等專業(yè)可以通過簡配來節(jié)省成本，涉及安全底線必要的成本必須保障。結(jié)構(gòu)體系的合理性、荷載選擇的合理性、正確認(rèn)識正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)，都將在保證安全的前提下合理的節(jié)約成本。就優(yōu)化而言，施工圖階段的優(yōu)化多數(shù)為行業(yè)俗稱的“摳鋼筋”，有數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化設(shè)計約七成的優(yōu)化成果是出在方案階段，而“摳鋼筋”僅占三成不到，且此類做法設(shè)計院抗性極大。因此，通過設(shè)計前置、加強(qiáng)管控是設(shè)計管理過程中的重要原則。

3.1 控制高寬比

結(jié)合亳州玉暉公館項目，從計算分析角度進(jìn)行高層建筑風(fēng)荷載與地震作用的比較研究，選取了總基底剪力與彎矩和各層間位移進(jìn)行對比分析得出以下結(jié)論。

①在結(jié)構(gòu)高度不變的情況下，隨著高寬比的增加，風(fēng)荷載將逐漸起控制作用。在其他條件相同的情況下，輕柔建筑的臨界高寬比小于剛度較大的高層建筑。

②調(diào)整方案的高寬比并不容易，宜盡量爭取，前文提到變形與高寬比之間的關(guān)系并非線性，適當(dāng)減少一點(diǎn)高寬比將對經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生顯著影響，比如降低兩層高度，面積在其他地方適當(dāng)補(bǔ)償。

③地下部分在計算風(fēng)致層間位移角時，計算模型中建議不帶入地下室模型，位移角在正負(fù)零位置為純轉(zhuǎn)動，計入并無實(shí)際意義，徒增上部結(jié)構(gòu)的無害位移角。項目案例表明，帶一層地下室時位移角約增加5%～8%，而要通過剛度調(diào)整可能需要增加大量墻肢。

圖2 亳州玉暉公館側(cè)立面

3.2 優(yōu)化建筑體型

荷載規(guī)范第8.1.1條，風(fēng)荷載的體型系數(shù)是計算風(fēng)荷載大小的一個重要參數(shù)，它描述的是建筑物表面的穩(wěn)定風(fēng)壓作用下的靜態(tài)壓力的分布規(guī)律，主要與建筑物的體型和尺度有關(guān)。根據(jù)大量的風(fēng)洞試驗(yàn)，求出各種模型的體型系數(shù)，從而定出有關(guān)風(fēng)載體型系數(shù)中的一些規(guī)律性。如迎風(fēng)墻面、墻高與墻長之比越大，風(fēng)體型系數(shù)越大；順風(fēng)山墻和背風(fēng)墻面，當(dāng)房屋寬度與高度之比越大，風(fēng)載體形系數(shù)越小。又如空曠地面封閉式建筑，迎風(fēng)垂直面風(fēng)載體型系數(shù)為正，背風(fēng)垂直面為負(fù)，順風(fēng)側(cè)立面(山墻)為負(fù)等等。

以亳州玉暉公館項為例，結(jié)構(gòu)專業(yè)積極深入建筑方案階段，通過調(diào)整陽臺、設(shè)備平臺的進(jìn)深，減小外輪廓凸起和凹入的尺寸從而降低風(fēng)壓渦流的影響，最終達(dá)到風(fēng)荷載效應(yīng)的目的。

圖3 玉暉公館建筑平面

3.3 地面粗糙度選擇

除了風(fēng)荷載體型系數(shù)之外，還可以通過靈活選取風(fēng)壓高度變化系數(shù)來達(dá)到減小風(fēng)荷載的目的。荷載規(guī)范第8.2.1條，地面粗糙度直接決定了風(fēng)壓高度變化系數(shù)的取值。對于百米的高層建筑，A類場地是D類的2.14倍，也就是說風(fēng)荷載的大小差了2倍多。對于風(fēng)控高層建筑來說，這是一個不可忽視的因素。

亳州屬于四線城市，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對落后，建筑物相對稀疏和低矮。設(shè)計院在設(shè)計此類項目時，往往偏于保守的選擇C類甚至是B類，這就造成了剪力墻布置的極大浪費(fèi)，加大了模型整體參數(shù)調(diào)整的難度。荷載規(guī)范的條文說明里明確規(guī)定，可以通過擬建建筑2km為半徑的迎風(fēng)半圓影響范圍內(nèi)的建筑高度和密集度來區(qū)分粗糙度類別。影響范圍內(nèi)不同高度的面域可按下述原則確定，即每座建筑物向外延伸距離為其高度的面域內(nèi)為該高度，當(dāng)不同高度的面域相交時，交疊部分的高度取大者。以半圓影響范圍內(nèi)建筑的平均高度h來劃分地面粗糙度類別，當(dāng) h≥18m，為 D類；9m＜h＜18m，為 C 類；h≤9m，為 B 類。由此，通過精細(xì)化選擇地面粗糙度類別來減小水平向風(fēng)荷載，從而達(dá)到優(yōu)化風(fēng)控高層建筑的剪力墻布置的目的。

亳州項目玉暉公館項目，場地現(xiàn)場觀察，周邊建筑物不多，較為符合B類特征，但根據(jù)政府提供的城南新區(qū)城市規(guī)劃圖，周邊2km在建項目較多，或者已經(jīng)完成土地出讓，或者在建，也有已經(jīng)建成投入使用，經(jīng)統(tǒng)計，符合荷載規(guī)范附錄部分的C類場地標(biāo)準(zhǔn)，極大的減小了風(fēng)荷載。

圖4 亳州規(guī)劃圖兩公里范圍線