抗震设计与抗风设计 高层建筑物通常会用哪些手段抗风抗震

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题目问的是高层建筑"通常”用哪些手段防风防震，大家说的这些SSD液体减震器、TMD质量调节阻尼器、AMD主动减震系统、无粘结支撑、层压橡胶支座、延性阻尼墙都太不“通常”了。大致说来，拿武侠小说做比照的话，这些差不多相当于狼牙棒、鳄鱼剪、流星锤，可以大大提高战斗力，但是并不是决定性因素。本来不行的，给他个狼牙棒还是不太行；本来就是萧峰，什么都不拿也可以很猛。当然了，让萧峰拿个狼牙棒，锦上添花，可能会更猛。

我猜这跟大家对“高层建筑”这个概念的认识有关。可能在很多人的印象中，所谓高层建筑指得就是那些动辄200米、300米甚至800米以上的摩天大楼。事实上，按照国家标准《GB50352 民用建筑设计通则》，高层建筑的正式定义是“10层及10层以上的住宅建筑和建筑高度大于24m的其他民用建筑（不含单层公共建筑）”。按照这个标准，城市地区有大批大批的建筑物都属于高层建筑，而这些建筑物，绝大多数都没有采用那些“狼牙棒”装置。

达不到高层建筑标准的，我们称之为多层建筑。这两者有什么区别呢？为什么要这么划分呢？原因是多方面的，比如消防、占地等等因素。具体到结构专业，简而言之，高层建筑需要更多的考虑抗水平力问题。对于相对低矮的多层建筑，一般而言，竖向重力荷载起到了主导作用。对于高层建筑，如何抵抗水平荷载则变成了重中之重。

上图来自川口卫《建筑结构的奥秘》一书。左侧是高层框架抵抗竖向荷载时的变形，右侧则是高层框架抵抗水平荷载时的变形。

风和地震就是高层建筑最主要的两种水平荷载。这两者有共性，也有区别。确切的说，应该叫做“抗风抗震”，而不是“防风防震”。我们可以“防止”火灾的发生，但我们无法“防止”风和地震的发生。哪怕没有人类，地球上也一样有风有地震，防是防不了的，我们所能做的只是被动的“抗”。

高层建筑如何抗风抗震？这个问题其实可以写整整一本书。不，是整整两本书，抗风一本，抗震一本。所以，无法指望一个简单的回答就能说清楚。作为一个结构工程师，我就简单说一下高层建筑结构设计的全过程吧。主要是说一下在设计过程的每一个步骤中，抗风抗震的要求是如何被考虑的，又是如何被付诸实施的。

方案设计阶段

方案设计是高层建筑设计的第一步，也是反复最多、最耗时间的一步。在国内，结构工程师这一阶段能做的工作不多，主要就是为建筑师提供咨询。很多时候，方案设计甚至都不会让结构工程师参与。但事实上，对于抗风抗震来说，方案这一步是非常重要的。

建筑物的体型对于抗震能力的影响非常之大，所以结构工程师的工作之一就是说服建筑师采用较为规整的造型。大自然是非常残酷的，你敢奇形怪状？地震来了第一个倒下！CCTV新楼那样的，肯定要尽量避免；头重脚轻的，也要避免；凹字形的平面、凸字形的平面，尽量都改成口字形的；8字形的平面也不好，尽量改成0字形的；h形的立面也不好，尽量用l形的立面，上下一样粗，不要有突变；建筑楼板最好不要开大洞，比如商场那种大天井，从一楼抬头看能看到顶楼……

对于抗风问题，主要是要控制建筑物体型的光滑程度。平面用圆形最好，椭圆也可以。大家常常见到很多高层建筑，平面明明是正方形或者长方形，但是角部被切掉了一小部分，整个平面形状没有直角或者锐角，也是出于这个考虑。建筑外表面也要尽量的光滑，各种装饰性的突起要尽量避免。

就像大家常说的，天分决定了你的上限，后天的努力只是去接近这个上限。方案阶段的这些东西就决定了建筑物抗震抗风能力的上限。但大家可能也发现了，按照抗震抗风的要求，最好的方案就是最没有特色的圆柱体或者正多棱柱。事实上，仔细观察一下全球400米以上的超高层建筑，绝大多数也都是这个造型。但对于大多数的普通高层建筑来说，建筑设计追求的是参差多态、百花齐放，无法接受这种呆板的造型。结构工程师和建筑师的矛盾几乎无法调和。

建筑物的先天抗震抗风能力的优劣，往往取决于结构工程师和建筑师谁在矛盾中占优。比如日本，基本会是结构工程师占优，所以日本的高层建筑，形状非常的规整，柱网、平立面非常简单。再比如国内，几乎全部是建筑师占优，所以国内的高层建筑，各式各样，眼花缭乱，领导可以当政绩，开发商可以吹嘘各种艺术风格，但却没有人去关心抗风抗震的问题，包括拿全部积蓄去买房子的那些人。这也算是一种悲哀吧。

初步设计阶段

一旦方案定下来了，设计就进入初步设计阶段。也就是说，要用努力去接近天分那个上限了。

首先，按照高层建筑所在地区的情况，确定地震设防烈度、基本风压等设计参数。根据这些，在有限元计算软件里确定合适的计算参数。

其次，确定高层建筑的结构材料和形式。可用的材料有很多种，钢（S）、钢筋混凝土（RC）、型钢混凝土（SRC）。形式也有好多种，框架、剪力墙、支撑、框筒、筒体、巨型框架……材料和形式排列组合，结果有好多好多种，比如SRC筒体+RC框架，RC筒体+S框筒，RC剪力墙+S框架，SRC框架+S支撑……比如上图就是林同炎的《结构概念与体系》一书的插图，列举了15种结构形式，这还不包括不同材料的组合。这些结构形式选择并没有绝对的优劣之分，只是因地制宜、因项目而异，与投资多少、场地条件、工期要求等等直接相关。就像同样的程序，可以用多种程序语言达到差不多类似的效果，但效果、时间、成本都需要权衡利弊。

然后，就可以建模计算了。在有限元的数字化虚拟世界里，把你构想的这个高层建筑构建出来，让它接受虚拟的数字地震和数字台风的洗礼（可以参照我对问题“

有些建筑是独一无二的设计，不像软件可以模拟测试，也无历史参考，那要如何保证其安全性？

”的回答）。计算完成后，分析计算结果，看看是否满足抗震抗风的要求。比如说，地震作用下，RC剪力墙每层的侧向位移不能超过层高的1000分之一（否则这一层容易在地震中折断），每一层水平位移最大的那一点的位移不能超过每层平均位移的1.5倍（否则房子这一层会在地震中“扭腰”），柱墙轴压比不能过大（否则会在地震中压碎），梁柱不能超筋（否则会被地震掰断），钢支撑的应力不能过大（否则会在地震中被压弯）……如果不满足这些条件，就要调整设计，比如剪力墙挪个地方，框架梁变粗一点，SRC柱里的型钢换大一号的，筒体的混凝土墙再厚一点……然后，重新计算，结果不满足，继续修改，继续计算，直到结果满足所有条件为止。但同时，为了经济性考虑，结果又不能远远超过标准。事实上，因为地震力的大小直接与结构质量相关，柱子太大、墙太厚了也不行。最理想的情况是一个刚刚好的契合点，正好符合所有的要求。这就意味着结构工程师要不停的尝试，不停的试错，不够不行，超了也不行。因此，整个建模计算过程极其的繁琐、极其的耗费时间精力，是结构工程师日常两大苦逼工作之一。

有同学问了，如果死活就是算不过怎么办呢？各种修改方案都试过了，就是满足不了抗震抗风的要求。这时候，就可以考虑用开头列举的那些“狼牙棒”手段了。分析一下目前的设计、计算结果，结合业主的资金状况、工期要求，考虑一下用哪一种辅助抗侧力措施最合理。举个例子，比如说觉得TMD阻尼器最合适，那就要赶紧去联系一个专门做TMD的技术团队，类似拍电影的时候制片组要找一家专门的3D技术团队。与这个技术团队合作，把他们的虚拟TMD阻尼器添加到你的虚拟结构模型里，调整结构的整体阻尼，然后再计算，然后不断调整结构设计和TMD的参数，直到结果满足各项要求为止。

施工图设计阶段

结构模型计算完成，所有的抗震抗风问题都尘埃落定了。剩下的就是画施工图了，这就是结构工程师日常两大苦逼工作之二。

具体的结构施工图的样子，可以参考我在问题“

土木工程与建筑学的区别是什么？

”下的回答。简而言之，按照初步设计阶段的计算结果，钢结构的施工图具体到每个螺栓，每条焊缝；混凝土的施工图具体到每一根钢筋。施工图的绘制并不是个机械重复的过程，而是需要考虑抗震抗风等方方面面的构造要求，非常复杂和繁琐。这也是为什么现阶段仍然是工程师人工绘图，而不是计算机程序来自动完成绘图。

比如说，混凝土梁端部的钢筋不能不够，也不能超过太多。因为地震来了，如果一定要有东西破坏的话，我们希望是梁断了，而不是柱子断了。梁断了只影响这一层的局部区域，柱子断了，就是从上到下的垮塌。所以，梁端的钢筋不能无限制的配太多，否则，其实际承载力过大，地震的时候梁端不会坏，与它相连的柱端会破坏。

同时，梁里的钢筋直径种类不能太多，要不然施工的兄弟会崩溃的，在工地很容易弄错弄混。但如果都用一种直径的钢筋，又不容易做到配的刚刚好。怎么取舍，这也是个很头疼的问题……

施工图绘制完成，交给审图单位审核，然后会接到审图单位的修改意见。按他们的要求改好，再交回去，直到审图单位的工程师满意为止。至此，结构工程师的主要工作就完成了。

综合来看，一个高层建筑的抗震抗风设计，包括了方案阶段的体型优化、初步设计阶段的建模计算、施工图阶段的具体落实。过程非常冗长，也非常复杂。但总的来说，经过正式勘察、设计、审图过程的结构设计，一般而言，在抗震抗风方面不会有太大问题。这也是我们这些结构工程师工作的意义。