建筑造型与抗震教学课件PPT.ppt

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1、 第九章 建筑造型与抗震目录 第一节 建筑造型设计的抗震策略 第二节 建筑平面、立面与地震作用的关系 第三节 不规则建筑抗震设计中的问题第一节 建筑造型设计的抗震策略 在建筑设计中，造型设计是非常重要的，将会直接左右建筑的外布局，同样它对于抗震的影响也是较大的。建筑造型设计中的建筑尺度、建筑体量、建筑的布局在在建筑设计过程中都是相铺相成。它们与建筑的整体刚度（受外力作用的材料、构件或抵抗结构变形的能力）、刚度中心（指结构抗侧移的构件的中心）、惯性、以及水平位移和所受地震力影响等是密切相关的。接下来，就将这些特性分解为以下几个方面分别阐述它们与抗震性能的联系。1.1建筑空间体量大小与抗震的联系

2、体量的大小会影响结构的造型、空间的跨度大小等方面。大跨度大面积对建筑的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，在抗震运动中也会存在薄弱的环节。此外，由于大多建筑不是均匀体块，地块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。1.1建筑空间体量大小与抗震的联系 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

3、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。1.1建筑空间体量大小与抗震的联系 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

4、的侧向刚度。1.2建筑高度与抗震联系 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

5、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。1.3比例与抗震联系 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

6、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（GB500112001）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。1.4建筑对称性与抗震的联系 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

7、筑在平面上的对称，可以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。1.4建筑对称性与抗震的联系 直方向的对称是指建筑立面上通过中央立轴的对称。可以是对称于中心所有轴的，竖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

8、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。1.4建筑对称性与抗震的联系 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

9、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。1.5建筑转角与抗震的联系 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

10、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。1.5建筑转角与抗震的联系 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

11、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。1.5建筑转角与抗震的联系 因此，可以采取：将建筑用

12、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。1.6建筑整体的均衡与抗震的联系 建筑的整体均衡主要指不同形体的建筑围合，常见有回字形、三角形、圆形等等，各个部分的体型、质量、平面布置等决定了整个建筑群体的质量中心和刚度中心是否重合。在考虑建筑群体布局时，应注意：一是尽量使得建筑各个单元部分的体型相同或相近、对称，竖向高度相同或相近，组合围合而成的建筑各部分尽量

13、对称均衡；二是设置防震缝，将复杂型体脱离形成单独的一个简单地体型，缝之间应该加强构造措施，以防止地震作用下防震缝的碰撞问题。第二节 建筑平面、立面与地震作用的关系 2.1建筑平面设计的抗震策略 2.2 平面不规则结构分类和定义 2.3建筑立面设计的抗震策略 2.4建筑立面收进类型与建筑抗震的关系2.1建筑平面设计的抗震策略2.1.1 建筑平面的对称性 建筑的平面布置宜对称均匀，结构的刚度中心与建筑物的重心宜尽量靠近以减少地震时的偏心扭转。不对称的建筑还会产生应力集中，如在凹角连接处等有较大的集中地震应力而导致严重震害。同一对称平面，由于平面中长度等具体尺寸的不同，又可分为对称充分抗震好和对称不

14、充分抗震不好两类。矩形的对称平面L/B 宜3 时，地震中建筑的两端会产生反相位的振动，会导致建筑物产生较大扭转，对抗震是不利的。在对称的H形平面与十字形平面中，当L/B2，C/D1.5 时，对抗震是不利的。2.1建筑平面设计的抗震策略2.1.2.1建筑平面的均匀性 平面的均匀性是指抗震结构的刚度在平面布置上是否均匀，主要抗震结构如剪力墙、筒体等均应均匀布置以减小偏心扭转，要尽量避免端部刚度大，中间刚度小的偏心扭转。当建筑平面不对称时，抗震结构刚度的均匀性非常重要。建筑平面不对称而结构刚度又不对称，地震时会产生严重震害；建筑平面不对称而结构刚度布置均匀，在几个主轴方向的偏心均较小时，则可减小偏心

15、扭转等抗震的不利影响。以下两种对称平面也会造成结构刚度的不均匀：2.1建筑平面设计的抗震策略2.1.2.2虚假对称 1972 年，尼加拉瓜首都马拉瓜发生里氏7.0 级大地震，该市的美洲银行大楼几乎完好无损，而与美洲银行隔街相邻的中央银行却严重受损，周围建筑物也发生大规模倒塌，5000 多人死亡。当时，这个消息几乎传遍了整个尼加拉瓜。美洲银行是十七层，而中央银行只有十五层，两栋高层同样是对称的矩形平面，为何有这般差别？后来，人们发现中央银行虽然是矩形平面，框架结构，但刚度较大的楼梯间、电梯间和设备管道间等核心筒则布置在一端，使结构刚度很不均匀。美洲银行因平面方正，筒体结构，刚度均匀，基本无偏心。

16、由此，我们不难看出，建筑平面对称而结构刚度不均匀有较大偏心时，建筑为虚假对称，不利于抗震。2.1建筑平面设计的抗震策略2.1.2.3 不均匀对称 对于形、形等对称平面中，两端刚度大，中间“颈”部刚度小，地震时两端将产生反相位振动会导致较大的偏心扭转，易产生严重震害北京国际饭店是29 层的高层建筑，剪力墙结构，原设计方案考虑如图a形，因抗震不利修改为图b 形。2.1.3 筑平面的高宽比 建筑高度H 和建筑宽度B 的比值是建筑体型抗震的重大问题。国内外的震害调查和建筑工程实践都说明：高宽比小则建筑物的侧向刚度大，抗震能力高;高宽比大则建筑物的侧向刚度小，抗震能力低。对于高层建筑，矩形平面的宽度B 较小，许可高度和层数也较小；当采用凹角形平面时，则高度可增大至60m 左右；60m 以上的高层建筑则宜采用宽度更大的塔形平面如方形、圆形、正八角形平面等。2.1建筑平面设计的抗震策略 对于钢筋混凝土结构，建筑的高宽比限值可根据不同的结构体系和设计烈度确定。1)矩形平面建筑钢筋混凝土结构的高宽比H/B 限值2.1建筑平面设计的抗震策略2)凹角体型建筑钢筋混凝土结构的高宽比H/B 限值2.2 平面不规