高層建筑物通常會(huì )用哪些手段抗風(fēng)抗震？

談到高層建筑，可能在很多人的印象中，所謂高層建筑指得就是那些動(dòng)輒200米、300米甚至800米以上的摩天大樓。事實(shí)上，按照國家標準《GB50352 民用建筑設計通則》，高層建筑的正式定義是“10層及10層以上的住宅建筑和建筑高度大于24m的其他民用建筑（不含單層公共建筑）”。按照這個(gè)標準，城市地區有大批大批的建筑物都屬于高層建筑。

達不到高層建筑標準的，我們稱(chēng)之為多層建筑。這兩者有什么區別呢？為什么要這么劃分呢？原因是多方面的，比如消防、占地等等因素。具體到結構專(zhuān)業(yè)，簡(jiǎn)而言之，高層建筑需要更多的考慮抗水平力問(wèn)題。對于相對低矮的多層建筑，一般而言，豎向重力荷載起到了主導作用。對于高層建筑，如何抵抗水平荷載則變成了重中之重。

上圖中,左側示意圖是高層框架抵抗豎向荷載時(shí)的變形，右側示意圖則是高層框架抵抗水平荷載時(shí)的變形。

風(fēng)和地震就是高層建筑最主要的兩種水平荷載。這兩者有共性，也有區別。確切的說(shuō)，應該叫做“抗風(fēng)抗震”，而不是“防風(fēng)防震”。我們可以“防止”火災的發(fā)生，但我們無(wú)法“防止”風(fēng)和地震的發(fā)生。哪怕沒(méi)有人類(lèi)，地球上也一樣有風(fēng)有地震，防是防不了的，我們所能做的只是被動(dòng)的“抗”。

高層建筑如何抗風(fēng)抗震？在設計過(guò)程的每一個(gè)步驟中，抗風(fēng)抗震的要求是如何被考慮的，又是如何被付諸實(shí)施的？

方案設計階段

方案設計是高層建筑設計的第一步，也是反復最多、最耗時(shí)間的一步。在國內，結構工程師這一階段能做的工作不多，主要就是為建筑師提供咨詢(xún)。很多時(shí)候，方案設計甚至都不會(huì )讓結構工程師參與。但事實(shí)上，對于抗風(fēng)抗震來(lái)說(shuō)，方案這一步是非常重要的。

建筑物的體型對于抗震能力的影響非常之大，所以結構工程師的工作之一就是說(shuō)服建筑師采用較為規整的造型。大自然是非常殘酷的，你敢奇形怪狀？地震來(lái)了第一個(gè)倒下！CCTV新樓那樣的，肯定要盡量避免；頭重腳輕的，也要避免；凹字形的平面、凸字形的平面，盡量都改成口字形的；8字形的平面也不好，盡量改成0字形的；h形的立面也不好，盡量用l形的立面，上下一樣粗，不要有突變；建筑樓板最好不要開(kāi)大洞，比如商場(chǎng)那種大天井，從一樓抬頭看能看到頂樓……

對于抗風(fēng)問(wèn)題，主要是要控制建筑物體型的光滑程度。平面用圓形最好，橢圓也可以。大家常常見(jiàn)到很多高層建筑，平面明明是正方形或者長(cháng)方形，但是角部被切掉了一小部分，整個(gè)平面形狀沒(méi)有直角或者銳角，也是出于這個(gè)考慮。建筑外表面也要盡量的光滑，各種裝飾性的突起要盡量避免。

方案階段的這些東西就決定了建筑物抗震抗風(fēng)能力的上限。但大家可能也發(fā)現了，按照抗震抗風(fēng)的要求，最好的方案就是最沒(méi)有特色的圓柱體或者正多棱柱。事實(shí)上，仔細觀(guān)察一下全球400米以上的超高層建筑，絕大多數也都是這個(gè)造型。但對于大多數的普通高層建筑來(lái)說(shuō)，建筑設計追求的是參差多態(tài)、百花齊放，無(wú)法接受這種呆板的造型。結構工程師和建筑師的矛盾幾乎無(wú)法調和。

建筑物的先天抗震抗風(fēng)能力的優(yōu)劣，往往取決于結構工程師和建筑師誰(shuí)在矛盾中占優(yōu)。比如日本，基本會(huì )是結構工程師占優(yōu)，所以日本的高層建筑，形狀非常的規整，柱網(wǎng)、平立面非常簡(jiǎn)單。再比如國內，幾乎全部是建筑師占優(yōu)，所以國內的高層建筑，各式各樣，眼花繚亂，開(kāi)發(fā)商可以吹噓各種藝術(shù)風(fēng)格，但卻沒(méi)有人去關(guān)心抗風(fēng)抗震的問(wèn)題。

初步設計階段

一旦方案定下來(lái)了，設計就進(jìn)入初步設計階段。也就是說(shuō)，要用努力去接近天分那個(gè)上限了。

首先，按照高層建筑所在地區的情況，確定地震設防烈度、基本風(fēng)壓等設計參數。根據這些，在有限元計算軟件里確定合適的計算參數。

其次，確定高層建筑的結構材料和形式?？捎玫牟牧嫌泻芏喾N，鋼（S）、鋼筋混凝土（RC）、型鋼混凝土（SRC）。形式也有好多種，框架、剪力墻、支撐、框筒、筒體、巨型框架……材料和形式排列組合，結果有好多好多種，比如SRC筒體+RC框架，RC筒體+S框筒，RC剪力墻+S框架，SRC框架+S支撐……比如上圖就是林同炎的《結構概念與體系》一書(shū)的插圖，列舉了15種結構形式，這還不包括不同材料的組合。這些結構形式選擇并沒(méi)有絕對的優(yōu)劣之分，只是因地制宜、因項目而異，與投資多少、場(chǎng)地條件、工期要求等等直接相關(guān)。就像同樣的程序，可以用多種程序語(yǔ)言達到差不多類(lèi)似的效果，但效果、時(shí)間、成本都需要權衡利弊。

然后，就可以建模計算了。在有限元的數字化虛擬世界里，把你構想的這個(gè)高層建筑構建出來(lái)，讓它接受虛擬的數字地震和數字臺風(fēng)的洗禮。計算完成后，分析計算結果，看看是否滿(mǎn)足抗震抗風(fēng)的要求。比如說(shuō)，地震作用下，RC剪力墻每層的側向位移不能超過(guò)層高的1000分之一（否則這一層容易在地震中折斷），每一層水平位移最大的那一點(diǎn)的位移不能超過(guò)每層平均位移的1.5倍（否則房子這一層會(huì )在地震中“扭腰”），柱墻軸壓比不能過(guò)大（否則會(huì )在地震中壓碎），梁柱不能超筋（否則會(huì )被地震掰斷），鋼支撐的應力不能過(guò)大（否則會(huì )在地震中被壓彎）……如果不滿(mǎn)足這些條件，就要調整設計，比如剪力墻挪個(gè)地方，框架梁變粗一點(diǎn)，SRC柱里的型鋼換大一號的，筒體的混凝土墻再厚一點(diǎn)……然后，重新計算，結果不滿(mǎn)足，繼續修改，繼續計算，直到結果滿(mǎn)足所有條件為止。但同時(shí)，為了經(jīng)濟性考慮，結果又不能遠遠超過(guò)標準。事實(shí)上，因為地震力的大小直接與結構質(zhì)量相關(guān)，柱子太大、墻太厚了也不行。最理想的情況是一個(gè)剛剛好的契合點(diǎn)，正好符合所有的要求。這就意味著(zhù)結構工程師要不停的嘗試，不停的試錯，不夠不行，超了也不行。因此，整個(gè)建模計算過(guò)程極其的繁瑣、極其的耗費時(shí)間精力，是結構工程師日常兩大苦逼工作之一。

有同學(xué)問(wèn)了，如果死活就是算不過(guò)怎么辦呢？各種修改方案都試過(guò)了，就是滿(mǎn)足不了抗震抗風(fēng)的要求。這時(shí)候，就可以考慮用開(kāi)頭列舉的那些“狼牙棒”手段了。分析一下目前的設計、計算結果，結合業(yè)主的資金狀況、工期要求，考慮一下用哪一種輔助抗側力措施最合理。舉個(gè)例子，比如說(shuō)覺(jué)得TMD阻尼器最合適，那就要趕緊去聯(lián)系一個(gè)專(zhuān)門(mén)做TMD的技術(shù)團隊，類(lèi)似拍電影的時(shí)候制片組要找一家專(zhuān)門(mén)的3D技術(shù)團隊。與這個(gè)技術(shù)團隊合作，把他們的虛擬TMD阻尼器添加到你的虛擬結構模型里，調整結構的整體阻尼，然后再計算，然后不斷調整結構設計和TMD的參數，直到結果滿(mǎn)足各項要求為止。

施工圖設計階段

結構模型計算完成，所有的抗震抗風(fēng)問(wèn)題都塵埃落定了。剩下的就是畫(huà)施工圖了，這就是結構工程師日常兩大苦逼工作之二。

按照初步設計階段的計算結果，鋼結構的施工圖具體到每個(gè)螺栓，每條焊縫；混凝土的施工圖具體到每一根鋼筋。施工圖的繪制并不是個(gè)機械重復的過(guò)程，而是需要考慮抗震抗風(fēng)等方方面面的構造要求，非常復雜和繁瑣。這也是為什么現階段仍然是工程師人工繪圖，而不是計算機程序來(lái)自動(dòng)完成繪圖。

比如說(shuō)，混凝土梁端部的鋼筋不能不夠，也不能超過(guò)太多。因為地震來(lái)了，如果一定要有東西破壞的話(huà)，我們希望是梁斷了，而不是柱子斷了。梁斷了只影響這一層的局部區域，柱子斷了，就是從上到下的垮塌。所以，梁端的鋼筋不能無(wú)限制的配太多，否則，其實(shí)際承載力過(guò)大，地震的時(shí)候梁端不會(huì )壞，與它相連的柱端會(huì )破壞。

同時(shí)，梁里的鋼筋直徑種類(lèi)不能太多，要不然施工的兄弟會(huì )崩潰的，在工地很容易弄錯弄混。但如果都用一種直徑的鋼筋，又不容易做到配的剛剛好。怎么取舍，這也是個(gè)很頭疼的問(wèn)題……

施工圖繪制完成，交給審圖單位審核，然后會(huì )接到審圖單位的修改意見(jiàn)。按他們的要求改好，再交回去，直到審圖單位的工滿(mǎn)意為止。至此，結構工程師的主要工作就完成了。

綜合來(lái)看，一個(gè)高層建筑的抗震抗風(fēng)設計，包括了方案階段的體型優(yōu)化、初步設計階段的建模計算、施工圖階段的具體落實(shí)。過(guò)程非常冗長(cháng)，也非常復雜。但總的來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)正式勘察、設計、審圖過(guò)程的結構設計，一般而言，在抗震抗風(fēng)方面不會(huì )有太大問(wèn)題。

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