浅析建筑造型设计的抗震策略

【摘要】本文主要对建筑造型设计中影响到抗震的一些设计因素进行了分析，分别论述了建筑空间、建筑高度、比例、对称性等一些因素，在相关设计方法的理论支撑下和抗震规范的前提下进行探讨，寻求一种解决建筑抗震的理想策略。

【关键词】建筑；抗震；造型

引言

建筑造型顾名思义就是设计师根据使用功能进行对建筑物本身的内部结构安全，实用，外部结构美观而设计出来的造型。按照功能进行设计的原理是建筑学现代语言的普遍原则。“安全、实用、美观、经济”永远是每个建筑设计人员的工作宗旨。徒有美丽的外观，而内部使用功能不能满足要求或不能发挥其效益是不可取的。建筑造型不仅是建筑物作为一个整体的体量、形状，是建筑形象的创造；还包括了对建筑抗震性能有重要影响的，组成建筑结构的性质、尺寸、比例、尺度和配置，这些部件包括外墙、立柱、楼层、井筒、楼梯等；以及会影响结构部件功能的非结构部件的性质、尺寸和配置。这一过程主要是在建筑方案的设计过程中完成的。建筑造型环节受功能、地形、经济以及建筑条件等因素的限制和影响。所以，造型设计不仅仅是外部形态的设计，而且还是是一个在多种因素综合考虑的前提下结合形体构造设计出的产物。建筑造型对建筑抗震的重要性显而易见，但是国内外对于这一方面的研究还较少，多为规范上的文字规定，所以有必要对其进行更进一步的研究。

建筑的尺度、建筑的体量和建筑的布局在建筑过程中是相辅相成的，它们与建筑整体的刚度、刚度中心、和惯性，以及水平位移和所受地震力影响等是密切相关的，将这些特性分解为以下几方面分别阐述它们与抗震性能的联系：

1 建筑空间体量大小

体量的大小会影响到结构的选型、空间的跨度大小等方面。大跨度、大面积对建筑抗震有着不利的影响。当平面尺寸很大时，即使是一个对称的、简单的外形，房屋作为一个单元，在地震运动中也会存在薄弱环节。此外，由于建筑不是均匀块体，地面运动在不同的时间过程中，将对建筑的不同部位产生影响，因此，体量较大的建筑的整体性较体量较小的建筑差。体量较大的建筑，结构设计选型方案就会减少，比如一个 7.8m 跨度的空间，它可以采用横向为主梁框架结构或者竖向为主梁的框架结构，也可以采用井字梁结构，但是当跨度增大到 15m后，如果选取相同的结构材料，那么结构形式只可能为预应力钢筋混凝土结构；如果换用其他材料的结构形式，又需要考虑该空间与整个建筑物之间的关系，是否这样的结构形式可以承受上部空间的荷载，比如采用网架结构，这个空间上部是不能承受更大的荷载的。

汶川大地震许多砖混结构的教室发生了垮塌，除了施工和管理者的原因外，大跨度的砖混结构教室也是垮塌的一个因素。对于一些存在转换层的建筑来说，往往下部几层是大跨度的空间，而上部为荷载较大的住宅、办公空间等，这类建筑刚度较差，对建筑抗震是不利的。因此，可以采取一是减小建筑总尺寸、二是将大尺寸建筑划分为若干小尺寸结构单元(设置抗震缝、伸缩缝等)、三是在空间允许的条件下适当增加抗震墙来增强建筑结构的侧向刚度。

2 建筑高度

在水平向地震作用下，建筑的高度类似于在重力作用下的悬臂梁跨度。随着建筑高度增加，它的自振周期会加长，而周期的变化，意味着地震作用大小的变化。建筑的自振周期不只是建筑高度的函数，还与高厚比、层高、结构体系类型和材料，以及建筑质量和质量分布情况有关系。因此，建筑高度的多少会同时影响上述一个或几个因素，而建筑的自振周期的变化又会引起地震作用的增大或减少。

砖石结构是脆性材料，变形能力小、抗震能力低，采取的抗震措施就会更多，此类型建筑如果层数越多，建筑高度越大，其所受的震害的危险性也会更大，所以对这种形式的建筑的高度限制会更高。而钢筋混凝土结构、钢结构的建筑由于材料性能更佳，抗震能力更高，所以对其的建筑的高度限制会放宽些。

因此，可以采取：一是在设防烈度较高的地区可以适当降低建筑高度、二是选取合理的结构形式两种策略来提高建筑的抗震性能。

3 比例

在建筑抗震设计中，把握建筑的比例比把握其绝对尺寸更有意义。例如长宽比、高宽比。建筑物的比例的一个重要因素，也是建筑抗震的一个重要指标。高宽比是指建筑物建筑高度与建筑短边宽度的比值（砖混结构单边走廊的长度不算入建筑短边宽度），在国内外的建筑抗震设计规范中，对于各结构类型的建筑的高宽比都有限值。长宽比是指建筑物水平方向总体长度与总体宽度的比值。

高层建筑中，高宽比与建筑高度相比显得尤其的重要。高层建筑如同一根独立的柱，地震时产生的的倾覆力矩很大，控制好高宽比，特别是在震害地区更应该严格按照规范规定的高宽比限值进行设计，否则产生的损失是无法估量的。位于软弱地基或非均布多层土地基上的建筑，为了克服地震前后积累的地基不均匀沉降所引起的结构体系破坏和墙体开裂，建筑的长宽比也应得到控制。

其次，抗震规范（GB50011―2001）中规定，框架―抗震墙和板柱抗震墙结构中，抗震墙之间无大洞口的楼、屋盖的长宽比不宜超过相关条款中的数值规定，超过后，容易引起平面内变形的影响。

4 对称性

对称是建筑造型的几何性质。建筑的对称包括水平方向的对称和竖直方向的对称。

水平方向的对称是指建筑在平面上的对称。建筑在平面上的对称，可以是对称于通过中心轴的，如一平面是圆形的会所、图书馆、办公楼等，这样的建筑是完全对称的；也可以是对称于相互正交的两根轴或者更多轴线的，如一般的矩形、方形、十字形或者工字型建筑；也可以对称于一轴的，如 L 形、T 形、X 形等建筑；还有的建筑为完全不对称的，而这样的建筑在现在的建筑设计中越来越广泛。

竖直方向的对称是指建筑立面上通过中央立轴的对称（图 1）。可以是对称于中心所有轴的，比如圆柱形的建筑和正四棱柱形的建筑等；也可以是对称于相互正交的两根轴或者更多轴线的，如四棱柱形的建筑；也可以对称于一轴的，如四棱台形的建筑；还有的建筑为完全不对称的，新世纪的建筑追求个性，追求建筑的雕塑感，这样的建筑屡见不鲜。

但是上面所讲的两个方向的对称是指外形上的对称，而对称的核心问题是质量中心和刚度中心的重合。体型对称，结构布置分布均匀， 这时质量中心和刚度中心有可能重合，如果结构质量分布不均衡或者刚度分布不均衡，则质量中心和刚度中心就不能重合。而如果外形不对称的建筑，质量中心和刚度中心重合的可能性更小。

不对称导致质量中心和刚度中心之间的偏心，建筑设计过程中质量中心和刚度中心完全重合是几乎不可能的，偏心在地震作用下就会发生扭转，要消除扭转是很困难的，扭转会在建筑的转折突变出产生应力集中破坏建筑。

因此，可以采取：第一注意建筑大小空间的合理、均匀划分、第二注意水平、竖向交通的合理、均匀布置；第三是立面虚实均衡；第四建筑体型均衡对称；第五注意平面内抗震墙均匀布置，筒体的均衡这五种策略来提高建筑的抗震性能。

5 转角

建筑的转角有其自身特殊的地震作用问题，转角分为阳角和阴角。

建筑的转角在地震作用过程中，可能会存在应力集中的问题，使得结构的其他部分受力较小，而大部分的力集中在了转角处。

美国抗震专家 Clarkson Pinkham 总结了1971 年美国圣菲尔南多地震后指出：“对框架角柱应该特别注意，考虑地震力水平向和竖向的同时运动，角柱应该设计得有更大的裕度。”我国的建筑抗震设计规范对多层和高层钢筋混凝土房屋框架角柱的尺寸及配筋也提出了较高的要求。

在建筑的阳角处，相互垂直相交的两片墙的挠曲变形是相关的，对于转角上没有实体墙的建筑更应该注意。建筑设计中，为了体现建筑转角的美感和层次感，有时候会取掉角柱，或者挑出一个阳台或者露台，这样的设计手法很普遍；在做住宅建筑造型时候，阳角处理成阳台和凸窗的手法也是很普遍的。这些设计方法对建筑的抗震性提出了挑战。

因此，可以采取：适当加大转角结构构件尺寸；如果在阳角处做凹进、凸出的处理，应该采取相关构造手段加强这一部位的结构牢固性；转角处的墙体设置为抗震墙；通过结构出挑达到转角处的建筑设计意图这四种策略来提高建筑的抗震性能。

阴角是建筑造型设计中常常遇到的。它们存在于建筑平面为 T 形、L 形、U形、十字形等形状的建筑中。这类形状的建筑在建筑设计中被大量采用，也是建筑师较为喜好的一种建筑选型，这类形状的建筑广泛的应用于住宅、学校、办公等建筑中，能够很好的处理功能的组合、采光、通风等问题。但是这些造型的建筑往往是抗震最难处理的问题。从建筑抗震的角度来看，产生了两方面的问题：第一是刚度的差异，由于刚度的差异使得建筑的不同部分产生了差异的运动，在阴角出形成了局部应力集中；第二是扭转和转动。不管地震从哪个方向来，这样的建筑的质量中心和刚度中心是不重合的，造成阴角处的应力集中和扭转效应。

因此，可以采取：将建筑用防震缝从结构上划分为不具有阴角的简单的房屋单元。我国的抗震设计规范对于各类房屋的防震缝都做了明确的规定；将不同的房屋单元通过结构拉结起来，使得结构形成一个不具有阴角的简单的房屋单元，使得建筑在经受地震时，能作为一个整体进行振动，提高建筑的刚度，这两种策略来解决阴角形式建筑的抗震问题。

6 结束语

建筑抗震设防不是只靠工程设计一个环节能够实现，要使新建工程能够确有成效地减轻甚至避免地震灾害，必须把握好选址和规划、设计、施工几个环节。而规划设计作为抗震的首要环节，在很大程度上将提高或降低建筑的抗震性能。从建筑设计着手进行抗震研究，对于后续的结构、水电、设备等各工作的抗震计算、抗震措施争取了有利的地位。过去对于建筑设计方面的抗震研究甚少，把建筑抗震问题与建筑其它问题相融合地去考虑,得到一个很合理、很科学的方案,确实不是一件容易的事。这需要大家不断努力,不断实践,不断提高自己的专业水平。这不仅是一个建筑师的责任,也是建筑创作整体水平提高的需要。

参考文献

[1]刘建荣编.高层建筑设计与技术[M].中国建筑工业出版社,2005.

[2][美]肯尼思・弗兰姆普敦著.王骏阳译 建构文化研究[M].中国建筑工业出版社,2007.

[3]彭一刚.建筑空间组合论[M].中国建筑工业出版社,2005.

[4]周波.建筑设计与技术[M].清华大学出版社,2007