高烈度地区高层建筑设计研究——以2019年寻甸县棚户区改造项目为例

2024-07-17

通过《2019年寻甸县棚户区改造项目》为实例，分析高烈度地区高层建筑在建筑设计中的实际情况，提出相关问题和解决思路，供同类型项目的建筑设计参考和讨论。

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作者：黎琪琪

1 引言
寻甸县位于金沙江南岸，以小海梁子山、梁王山等山脉为主，多为高寒山区，湖盆、谷地、平坝稀少，并且海拔高差大，立体气候较为显著，四季分明，特别是小江一带，高山陡坡、植被稀少，滑坡和泥石流等地质灾害频频发生，是云南地表最為破碎的区域。
而寻甸正是地处于著名的小江强震带之上，地质情况不稳定，地壳运动频繁。最近一次地震发生在2020年1月15日19时34分，震级为4.2级，作为震中的寻甸县震感强烈。因此尽量避免地震灾害对建筑造成影响，是对于此区域的建筑工程项目建设的重点和难点。
近年来，寻甸县当地政府经过脱贫攻坚，经济得到全面发展，全县建设欣欣向荣，处处可见新楼林立。而在这些繁忙建设的景象背后，少不了建筑设计工作者对防震减灾的技术攻坚。

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本次项目地址位于寻甸县城所在地仁德街道辖区内，规划地块在县城北部，城市规划区范围外，抗震设防烈度为九度，属于高烈度地震区建筑。本文通过实际项目，提出九度区高层住宅建筑在建筑设计中若干问题，及充分考虑建筑经济性。
2 用地规划与抗震防灾

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规划项目用地面积为88211.28平方米，约132.32亩。项目用地南侧为现状道路，西侧为城市规划预留市政道路，用地范围内主要为农田，地块西南侧有寻甸县建设工程质量检测中心设施附属设施建筑物（混泥土搅拌厂），土地性质相对简单。根据踏勘现场和通过数字地形图的分析可以得知，此规划地块内其用地高程变化较小，用地平坦，因此在防灾规划上重点考虑消防规划和抗震防灾。

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总平面规划设计结合步行空间在必要地段设置紧急消防通道，且尽可能让消防通道形成环状，每一栋高层住宅均设有合理的消防扑救面，满足紧急消防需求：北地块居住街坊在满足全部建筑消防扑救的前提下，规划设置3个人行出入口，满足人员疏散的需求；南地块居住区内部规划设计6米宽车行道满足小区内部消防和人员疏散需求，另在西侧规划人行出入口，在小区内部的高层建筑大面设计15米宽消防扑救面，满足消防需求。
规划区范围内所有建筑均严格按照9度抗震设防标准设计，为满足紧急避难要求，在规划区北侧幼儿园西侧的绿地和停车场上规划一处紧急避难场地，在生鲜超市南侧运动场上规划一处紧急避难场地，两处避难场地面积为3659平米，满足人均0.56平米的紧急避难场地要求。且在居住北片区规划人防地下室，可以作为应急避难场所。

3 建筑设计概况

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本项目由17栋高层住宅，一栋9班幼儿园，一栋生鲜超市、沿街商业以及带有人防工程的地下室(机动车库内)组成。
其中，高层住宅均为17层，建筑高度约50米，一梯四户。
九班幼儿园位于基地北侧，主入口规划于幼儿园南侧的道路上，建筑形体力求简洁而有变化，西侧结合音体室体量呈高低错层状布置，延续了整体建筑绵延而上的形建型的亮点，设计成多变形的组合。
地下室覆盖地上建筑群体共一层，总建筑面积：58024㎡，总机动车停车泊位：1320泊位，为I类汽车库。主要功能为地下机动车车库，其中含附建式人民防空工程及相应的设备用房，本项目人防工程的级别为乙类常6级，战时二等人员掩蔽所。
根据《建筑工程抗震设防分类标准》以及云南省建设工程抗震设防管理的规定，本项目幼儿园的抗震设防分类的级别为重点设防，即乙类建筑，并采用建筑结构新技术的隔震技术，其余建筑(除配套商业)的抗震设防分类为标准设防类（丙类建筑），但采用建筑结构新技术的隔震技术，也需进行抗震设防专项审查。
地下室范围内地上分为A、B、C户型共19幢单体主楼，主楼单体之间有部分1~2层配套框架商业建筑裙房（均与主楼脱开），19幢主楼在地下室和1层之间设置1层隔震层，地下室为1层全埋式整体地下室，所有单体建筑均嵌固于地下室顶板上，地下室为全埋式整体地下室，含人防功能；地下室范围以外有两幢单体建筑为幼儿园和生鲜超市，均为地上3层，无地下室，嵌固于基础顶部。
4 减隔震设计
减隔震设计，作为世界抗震技术的第三个里程碑，为高烈度地区的建筑带来的更多的可能性。隔振，顾名思义就是隔离地震波的影响，运用隔振垫支座把基础打断，加入橡胶隔振垫或金属隔振垫，把原来的固性基础转化为柔性基础，让建筑在隔振支座上发生柔性的滑动，从而使得基础以上的结构避免地震波晃动带来的破坏，这是一项加固建筑物的新兴结构技术，就好比大浪中的扁舟，没有锚的固定，随风浪摇摆，船上的物件在相对运动的同时保持原位不变，没有任何破坏。

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根据地质勘查报告，本次项目拟建的场地抗震设防区为9度区，且距活动断裂带之间的距离为2.1km，所以应对近场影响进行分析研究，固采用结构隔震新技术可大大减少地震波从下传至上部的作用，达到抗震性能良好，经济合理的目的。本次项目的上部结构与基础的连接运用的是橡胶隔震垫，橡胶隔振垫是现今广泛运用的隔振垫，主要是因为它价格成本较低，生产工艺简单，安装和使用方便，而橡胶的优势又在于耐油性很好，其形状和结构需经计算分析确定构件截面尺寸，而橡胶便于剪切、加工方便，从而能较好地满足上部建筑功能的要求，且多层使用的话，其主要受力中剪切力的固有频率更低。
隔振垫的运用，较传统抗震措施相比，它不仅巧妙的避开了地震周期，而且吸收了地震时释放的能量，本次项目因为采用隔震、减震技术后，水平减震系数小于0.40，建筑物上部结构的抗震等级也能够按照设防烈度降低1度，因此隔震减震后，隔震垫以上的结构最终可按8度抗震设防烈度区的要求设计，隔震垫以下结构仍然按9度设防区确定抗震等级为一级，通过隔震减震的设计，在隔震垫之上的结构阻尼比变大了，同时使其自振周期得到了延长，地震能量传入到上部结构时也变少了，结构构件断面得以强度控制为主，从而很大程度地减小了构件断面的尺寸，降低了结构的含钢量，减少了建筑材料降低了工程造价，不仅可达到合理的经济投资，最重要的是提高了结构的抗震性能。
5 抗震措施
本次项目的主要抗震措施中，结构单体嵌固于地下室顶板上，均为独立单体不与其它单体有关联。幼儿园与生鲜超市位于地下室以外，嵌固于基础顶部，为独立的结构单元；结构抗震能力为达到良好的指标，应充分考虑以下几个设计方面的问题：
（1）结构钢心与质心之间的差值应减少，以降低地震作用下的扭转效应、提高扭转刚度、成为降低层间位移角的优先手段。
（2）尽可能增加周边梁柱的刚度，减少中部梁柱截面，以此增加扭转刚度。
（3）结构布置受力明确，传力途径合理且传力路线不间断。
（4）加强结构整体性，使其具有多道防线。
（5）控制结构单元合理的刚度，做到平、立面规则，各层竖向刚度不发生突变。
（6）保证构件具有足够的延性，避免脆性破坏。
（7）根据计算结果，更改原先估计的结果自振周期，以提高风荷载计算的准确性。
（8）对应力集中的影响重新评估，以便确定采取构造措施，有的放矢的加强，保证安全又经济。
（9）采用轻型节能墙体材料，减少自重，主体结构与填充墙应加强连接，避免地震时倒塌。建筑物中的填充墙和隔墙的做法严格按照建筑物抗震结构要求实施。
（10）对于建筑底层填充墙较少，二层及二层以上填充墙较多时，设计时应对底层结构进行加强。
6 抗震设计中建筑的形体及结构规则性
木建筑抗震性能好，大多是因为木结构建筑高度较低，总的体型较小，自重较轻，重心也比较低，但事实上不止是木结构建筑，低矮的混凝土框架结构也是如此，当地震来临时，其产生的剪力不足以产生破坏。

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但是随着经济技术的发展，建筑总高度不断在刷新记录，建筑的高度、平面形状等多种多样的形式必定使得建筑技术去挑战自身的自重和自然界的不可抗力等诸多因素， 而无论现今建筑技术发展到何种地步，对建筑的形体，即建筑平面形状和立面、竖向剖面的变化都有明确的要求和限制，构建布置规则的建筑宜择优先用，严重不规则的建筑不应采用，但是基于外观和功能需求，总是避免不了不规则或者特别不规则的建筑，对其按规定采取加强措施或是进行专门的研究论证，必定为结构设计带来一定的挑战，尤其是高烈度地区的建筑抗震设计。因此，抗震设计，尤其是处在高烈度地区建筑，从方案开始，都应该控制好建筑形体及其构建布置的规则性，重视其平面、立面和剖面的规则性对抗震性能及经济合理性的影响。设计时，平面布置易对称、应自下而上地逐渐减小竖向构件的截面尺寸、避免结构的承载力和侧向上的刚度发生突变等，是高烈度地区建筑设计的优先，但避免不了的平面、竖向不规则性，必须按照规范要求进行计算和相互作用力的调整，并应对薄弱部位采取有效的抗震措施。
本次项目中，主体建筑是以住宅为主，设有幼儿园和超市，其建筑功能较简单，形体及结构都比较规则，对项目中全部建筑物的一般规则性超限检查除扭转不规则以外，并无凹凸不规则、竖向抗侧力构件不连续、侧向刚度不规则、楼面板不连续、以及楼层承载力突变等；隔震建筑超限检查中，隔震结构高宽比小于4、隔震结构最大高度应满足本规范非隔震结构的要求、建筑场地选用稳定性较好的基础类型、风荷载和其他非地震作用的水平荷载标准值产生的总水平力不超过结构总重力的 10％；根据以上超限判断所示，本项目在方案设计初期，上部结构体系设计合理，变形能力和承载力满足规范，已经避免结构特别规则性超限，从而能够深刻的把握建筑的形体设计、建筑性能和安全性，在随后的施工图设计中不断设计完善。
7 主要结构材料
在选用建筑材料时，对于抗震要求较高的建筑，材料应考虑高强度、高韧性、质轻等特征，例如加气混凝土掺入发气剂铝粉，形成轻质多孔、保温隔热、高强的新型建筑材料；还可在混凝土加入短钢纤维形成钢纤维混凝土复合材料，改善混凝土的抵抗疲劳的性能，以及抗冲击和拉弯的性能；其他材料还有钢筋混凝土、钢材、轻钢等可以作为首选的抗震材料。
结构设计中，结构材料的选用原则主要是坚持采用节能、节耗、环保的结构材料，采用最优的结构及其构件布置方案，在保证结构抗震性能的前提下，降低单位建筑面积的钢材、水泥、砂石料等土建主材的用量，具体措施为：第一，根据目前的土建三大主材价格，合理控制建筑的钢材及水泥用量；第二，在满足国家强制性标准及相关规范要求的前提下，采用强度较高的钢筋，降低结构用钢量，楼板钢筋及梁柱纵筋及箍筋均采用三级钢筋；第三，尽量采用较低标号的混凝土，减少水泥用量和降低结构构件的最小配筋率；第四，优化结构的强度和刚度配置，增加抗扭刚度，减小扭转效应，充分发挥各结构构件的潜能；第五，充分考虑结构体系的空间效应，增加抗震性能，降低造价。
根据以上原则，本次项目材料选择如下：（1）钢筋的选用为HPB300、HRB400、HRB500；（2）混凝土为剪力墙、框架柱C50～C30；梁及楼板C35～C30；垫层混凝土C15；基础、桩C40~C35，其它C25；（3）填充墙为与土接触部位采用M7.5水泥砂浆砌筑Mu15混凝土实心砖，其余采用M5混合砂浆砌筑蒸压加气混凝土砌块；（4）钢筋的混凝土保护层厚度(mm): 梁 柱为 25, 其余为20；（5）焊条: HPB300级钢E43, HRB335、 HRB400 、HRB500级钢E50。
8 结语
云南是我国地震高发的省份，建筑减隔震技术较为广泛运用，现今建筑在高度和体量上越来越高越来越大的建筑市场背景下，若发生了破坏性较大地震，建筑设计的重点则是保证结构主要受力构件避免破坏，避免地震灾害给人民带来生命及财产的损失。高抗震烈度地区，尤其在抗震设防为九度的建设地区，是建筑设计人员较少涉及到的项目条件，也是建筑结构设计中较难的设计任务。本次项目中，从方案初始阶段，除了住宅的户型要满足建设方提出的面积指标要求、满足现行住宅设计规范，以及当下流行的居住环境、人文心理要求等，更重要的是隔振技术解决了结构安全的问题，比起传统的抗震技术即增加建筑结构的刚度和强度，减隔震技术是在建筑上部结构与地基基础之间采用柔性链接，其隔震橡胶支座、阻尼器等“隔震”、“吸震”的作用，建筑上部几本接近于平动，从而创造了安全的隔震系统，同时也节约了建筑材料，是世界抗震技术重大突破。

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编辑制作：云南省城乡规划设计研究院 信息中心


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