历次大地震震害表明,体型规则的建筑震害相对较轻,能够更有效地保护人民的生命财产安全。

　　 1978年,在总结海城地震、唐山地震经验和教训的基础上,住房和城乡建设部颁布了我国第一本建筑抗震设计规范《工业与民用建筑抗震设计规范》(TJ 11—78) ^[1](简称78版抗规)。之后历经多次修订,主要形成《建筑抗震设计规范》(GBJ 11-89) ^[2](简称89版抗规)、《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2001) ^[3](简称2001版抗规)和《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) ^[4](简称2010版抗规)。各版规范均把对建筑的规则性要求纳入正式条文,并做出了很多具体规定和限制。

　　 第4条第四款:力求建筑物体型简单,重量、刚度对称和均匀分布,避免立面、平面上的突然变化和不规则形状。

　　 2.2.1条:建筑平、立面布置宜规则、对称,建筑的质量分布和刚度变化均匀,楼层不宜错层。

　　 6.1.4条:1)平面局部突出部分的长度不大于其宽度,且不大于该方向总长的30%;2)立面收进的尺寸不大于该方向总尺寸的25%;3)楼层刚度不小于相邻上层的70%,且连续三层总刚度降低不超过50%;4)房屋平面内质量分布和抗侧力构件布置基本均匀对称。

　　 规则性单独成节,对平面和竖向规则性做了系统规定,在平面不规则中增加了扭转不规则、楼板不连续的规定,竖向不规则中增加了楼层承载力突变,并对不规则结构的计算分析做出了规定。同时,在抗震规范里首次提出了位移比的概念。

　　 与2001版抗规中的要求基本一致,但对不规则结构的计算做出了更细化的规定。

　　 78版抗规只有少量的定性要求,89版抗规从平面、竖向的尺寸开始做出规定,并对竖向刚度比做出了规定。从2001版抗规开始,关于规则性的规定更加系统,除定性要求外,增加了大量定量要求,并对不规则结构的抗震计算分析做出了明确的规定。

　　 随着我国对于建筑的规则性认识越来越深入,建筑的复杂程度越来越高,对于抗震技术的要求也越来越高。从历次大地震的经验来看,合理的建筑体型和结构布置是保证建筑抗震性能的基础。

　　 由于规范的抗震措施、抗震超限的判断和建筑的规则性相关,所以建筑的规则性判断是抗震设计的前提,也是抗震概念设计的的重要内容。

　　 建筑的规则性包括平面规则性和竖向规则性。其中,竖向规则性的判断较为客观,工程师们基本都可得到相同的判断结果。但对于平面规则性判断,因建筑的造型和平面布置趋于复杂,面对同一个项目,往往不同工程师会有不同的判断结果,在实际工作中也会有很大的分歧。结合多年工作经验,针对建筑结构平面规则性判断等具体问题,笔者给出了自己的看法。

　　 建筑的平面规则性判断均是基于结构平面进行判断。对于各种各样建筑平面特别是复杂平面,如何确定结构平面是判断规则性的前提。

　　 一个完整的结构体系,一般由竖向构件(柱、剪力墙、支撑等)和能够对竖向构件提供有效约束的水平构件(梁、板等)组成,水平构件的投影外边界线围合成结构平面。

　　 一般情况下,结构平面指竖向抗侧力构件围合成的平面。但多数情况下,竖向抗侧力构件以外还有楼盖,当这部分楼盖对结构的整体性和水平刚度有贡献时(图1),则结构平面可算至楼盖的外边缘。

　　 若一栋建筑体型沿竖向有变化,则平面也会有变化,确定该建筑的结构平面规则性时,一般以最具有代表性的平面作为结构平面。若多个平面均有代表性(图2),可以认为该建筑有多个结构平面,对每个结构平面均应进行规则性判断。

　　 特别要注意的是,对于深凹口平面,即使在凹口处设置拉梁或者拉板,当平面刚度不足时,拉板和凹型平面形成的整体平面不符合平面刚性楼板假定,结构平面应算至凹口内,仍为凹进平面。实际操作时,如果该处设置的拉板宽度不小于2m,且凹口宽度与拉板宽度之比不大于4,结构平面可以算至拉板外侧,可按楼板开洞考虑(图3),该处的拉板也可采用平面刚度等效的宽扁梁代替,连梁或者拉板应按拉弯、压弯构件设计。

　　 凹凸不规则和楼板不连续都是楼板宽度或者平面刚度的变化所导致的平面不规则,有时容易混淆,同一个平面,有人界定为凹凸不规则,有人界定为楼板不连续,可能会给平面规则性判断带来不一样的结果。

　　 一般来说,凹凸不规则是从结构平面的轮廓线判断,是结构平面的外形问题,而楼板不连续是结构平面的内部问题,如图4为凹凸不规则,图5为楼板不连续。

　　 在住宅设计中经常会遇到这样的情况:有些位置楼盖宽度较小,该处却又有大量的楼、电梯间等洞口。若计算楼板的有效宽度时扣除这些洞口,则会出现有效宽度过小而违反规范要求的情况。若不扣除,从道理上又说不过去。

　　 在进行平面规则性判断时,为了便于操作,往往只考虑结构的水平截面方向。事实上,任何一个房屋结构都是三维的,都是空间受力结构体系。对于该类楼、电梯间围合的情况,如果洞口周围都有抗震墙,即使水平开洞,该处的整体结构刚度依然较大,可以有效传递水平地震作用。

　　 因此,如果楼板开洞的四周由钢筋混凝土整体墙、小开口墙或者联肢墙围合,甚至是深梁密柱,都可以认为围合较好,计算楼板的有效宽度时可按照不扣除洞口考虑。

　　 在2010版抗规中无组合平面的说法。在《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[5]中提到了细腰形和角部重叠平面。在《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2015]67号) ^[6]中提到了组合平面,并明确包含细腰形和角部重叠平面。凹凸不规则平面和组合平面都属于复杂的结构平面。

　　 凹凸不规则:平面凹凸的尺寸大于相应投影方向总尺寸的30%(2010版抗规)。

　　 凹凸不规则是基于一个主体平面基础上的凹凸,所以,判断凹凸不规则时,首先确定结构的主体平面,以主体平面以外的凹凸肢进行凹凸不规则判定。图6为T形平面的判断。

　　 组合平面:一个复杂结构平面由几个主体平面组合而成,包括细腰形和角部重叠平面。

　　 工字形平面:中部两侧凹进,其宽度小于两侧宽度的结构平面,形状类似“工”字。

　　 细腰形平面:中部两侧凹进,其宽度明显小于两侧宽度的结构平面,是工字形平面的特例,也可以认为是两个主体平面通过中部连接体组合而成的平面。

　　 对于细腰形平面,当连接体两端翼缘宽度不同时,采用连接体宽度和窄翼缘宽度之比进行控制(图7)。打个比方,人体的头部和躯干通过脖子相连,只要脖子的直径和头部宽度达到一定比例,把头和躯干连接在一起,就可以充分支撑头部的重量。脖子粗细是相对于头而言,而不是和肩部宽度相比。

　　 角部重叠平面:由矩形平面、圆形平面等主体平面在角部重叠组成的结构平面(图8)。

　　 角部重叠其实是细腰形的特例,可以认为该处细腰的长度为0,本质是两个主体平面的连接问题。因此,控制角部重叠平面本质上是控制连接处的宽度(即细腰的宽度),即连接处两侧连线的长度。部分资料采用重叠部分面积比进行控制过于复杂,有些情况下也不尽合理。为操作方便,《四川省抗震设防超限高层建筑工程界定标准》(DB51/T 5058—2020) ^[7]按照水平和垂直方向重叠长度分别控制,重叠部分的长度均小于较小平面相应方向边长的50%时才视为角部重叠。

　　 在教学楼、办公楼、宿舍中经常出现这样的建筑平面:周边围合、中部开孔,此为环形平面,或者口字形平面。在结构设计中,很多时候直接按照2010版抗规中楼板不连续进行判断:即剩余楼板宽度小于总宽度的50%或者开洞面积大于结构平面面积的30%。

　　 该类建筑虽然中间开孔较大,但是楼盖的实际刚度较好,可以有效地传递和分配水平力,优于常规的楼板不连续情况,因此可以放宽限制。但是,有的资料完全不限制该类洞口尺寸也是不合理的。

　　 实际操作中可以综合考虑开洞率、楼板有效宽度和洞口每侧楼板的长宽比进行控制。《四川省抗震设防超限高层建筑工程界定标准》(DB51/T 5058—2020)借鉴了《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)中框架-剪力墙结构对楼盖的长宽比进行限制的思路,规定开洞一侧楼盖的长宽比大于3或者内径大于外径的60%,界定为楼板不连续,相比2010版抗规的开洞率放宽20%左右(图9、图10)。

　　 平面不规则性的正确判断,是抗震设计的重要内容,是采取诸多抗震措施和抗震超限判断的前提和依据。

　　 由于现在建筑的造型和平面布置越来越复杂,结构平面规则性的判断在实际工作中常常给结构工程师造成困扰。有时,一个复杂平面很难界定为哪一类型平面不规则,因此需要从多维度判断,取不利结果。如图8(d)中的图形,貌似工字形、T形、Y形,或者常规的局部凸出型。但从楼盖的整体性角度出发判断,这个平面其实是三个主体平面的连接,角部重叠、凸出长度和连接宽度之比和连接处楼板有效宽度是否足够才是这个平面的核心问题。

　　 总的来说,平面不规则问题,本质上是楼盖的平面内刚度是否足够、分块楼板之间连接是否可靠有效的问题,因此,结构工程师应从这个原则出发,合理、正确判断结构平面的规则性,采取相应结构措施,以保证结构的安全性。