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摘要:建筑物的建筑设计节能指标的限定取值,不但规范着建筑节能设计,而且影响建筑物的结构设计;建筑节能指标的科学取值不但影响建筑物使用功能,而且对结构设计起到引导和优化作用.主要从建筑体形系数和窗墙面积比两个节能指标阐述其对结构设计的影响.
关键词:体形系数;窗墙面积比;结构设计;节能
0引言
所谓节能,也就是在保证建筑物可靠性的条件下,节约能源,降低能耗和造价.而能源的节约在房屋结构部分的比例较大,故结构设计与节能指标取值的科学性关系紧密.文章从两个节能指标的取值上探讨了其对结构设计的影响.
1建筑体形系数对结构设计的影响
建筑体形系数是指建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的体积的比值.节能设计中,对体形系数做了明确的规定,如:严寒地区公共建筑的体形系数应小于或等于0.4;寒冷地区居住建筑的体形系数:3层以下的建筑应不大于0.55;4~6层的建筑应不大于0.35;7~9层的建筑应不大于0.3;10层以上的建筑应不大于0.26等[1].对建筑体形系数规定上限值,目的在于减小建筑物与大气接触面积,从而减小热量散失面和太阳辐射面,达到节能目的.
1.1建筑物高宽比取值对结构设计的影响
从体形系数的概念来讲,其大小与建筑物的平面和立面布置有很大关系,合理的建筑体形布置在抗震设计中是非常重要的,提倡平立面简单对称.高层建筑的高宽比越大,结构在水平荷载作用下重力二重,表现越突出,对结构侧向刚度和整体稳定性消弱较大,从而要求结构竖向构件(墙或柱)承载能力必须提高,即要增大竖向构件截面尺寸和配筋,故使结构造价提高.因此建筑高宽比是影响结构设计的宏观控制指标.所以对建筑物的最大高宽比(H/B)做了上限要求.如设防烈度为八度时,框架结构最大高宽比为3:1,框-剪结构最大高宽比为4:1,剪力墙结构最大高宽比为5:2[2].
1.2建筑物平面和竖向规则性对结构设计的影响
建筑物外表面凹凸越频繁,则其外表面积越大,在相同体积下,当然建筑物外表面积越简单,则体形系数越小.而在结构抗震计算中,强调结构的规则性,即力求结构的体形刚度中心和质量中心尽量重合,否则结构在水平地震作用下由于刚心和质心偏离太大而产生扭转效应(如图1所示),使结构地震作用效应增大,结构构件配筋率提高.结构计算中用周期比来限制结构的扭转效应.结构以扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比不应大于0.9(A类高层)或0.85(B类高层)[2].故在体形系数满足节能设计的要求下,要考虑建筑物平面的对称、均匀性.国内外历次大地震表明,平面不规则、质量和刚度偏心和抗扭刚度太弱的结构,在地震中受到严重破坏.并且平面布置过于狭长的建筑物,在地震时由于两端地震波输入位相差而容易产生不规则振动,产生较大危害;平面上有较长外伸时,外伸段容易产生局部振动,表现出高振型,而引發凹角破坏,如图2所示.故对建筑物平面长宽比做了上限规定,如矩形平面建筑,六和七度抗震设防区长宽比不大于6;八和九度抗震设防区长宽比不大于5[3].
建筑立面布置不能出现过大的内收和外挑,否则会使房屋竖向刚度发生突变,结构出现薄弱层和鞭端效应.上部结构相对下部外挑时,结构的扭转效应和竖向地震作用明显,下部相对上部外伸时,收进的部分越高,收进后的尺寸越少,结构的高振性效应越明显,建筑物立面有较大收进或顶部有小面积的突出小房间造成建筑立面体形沿高度变化,结构刚度突变加剧地震作用.由此可知,在体形系数满足节能设计要求的条件下,要选择上下等宽或由下向上逐渐减小的建筑体形.
高层建筑所受的风荷载较大,在沿海地区,风力成为高层建筑的控制性荷载,采用风压较小的平面形状才利于抗风设计,而风荷载的大小又与风荷载体形系数 S有关,圆形平面 S=0.8;高宽比H/B不大于4的矩形,方形,十字形建筑S=1.3;V形、Y形、弧形、双十字形、井字形平面建筑 S=1.4.由风荷载标准值计算公式[3]:
WR= Z s Z 0
可知 S越大,则风荷载越大,由于 S与建筑物平面形状有关,当然与建筑物体形系数有关,故体形系数取值影响建筑物所受风荷载的大小,对构件配筋和材料强度影响较大.
2建筑窗墙面积比取值对结构设计的影响
窗墙面积比是指窗户洞口面积与房间立面单元面积(即建筑层高与开间定位轴线围城的面积)的比值.节能设计中规定,公共建筑每个朝向窗墙面积比均不应大于0.7;居住建筑在严寒寒冷地区,外窗北向,窗墙面积比 0.3,东西向 0.3,南向 0.5等.
2.1窗洞口的高度应按结构设计要求合理取值
建筑设计中采光要求,单侧采光窗洞口上缘到地面的距离不小于房间进深的1/2,单侧为1/4,则洞口高度在留够窗下墙高度或栏杆上翻高度后,应考虑洞口上缘处的位置的合理性,如,砖混结构中,洞口取至圈梁底面,框架结构中,洞口取至框架梁底面,则可免去过梁,节约材料.剪力墙结构中,洞口下部墙高应尽量避免出现矮墙(Hw/hw 1),产生脆性破坏,还要考虑连梁(上下洞口之间的剪力墙)的高跨比.高跨比不小于5的连梁按框架梁设计,小于5的按连梁设计(刚度减小)[4],而连梁和框架梁的受力和构造要求偏差较大,结构用钢量和构件刚度完全不同,且两者对水平抗侧移构件的侧移影响较大.
2.2窗洞口宽度对结构设计的影响
确定完洞口高度后,根据节能设计对窗墙面积的要求,再确定洞口宽度,洞口宽度大小的合理性应参考下列因素:
1)砖混结构中,墙间墙宽度的限值,墙间墙宽度太小,导致墙体局部承载力不够,则需加设壁柱或梁垫,使结构设计复杂化,构件复杂化.
2)框架结构中,洞侧框架柱易出现短柱现象,若将窗户设计成通窗,则洞口侧面框架柱下端嵌固端为窗下墙定面因而易产生短柱(如图3所示).对结构抗震不利.
3)剪力墙结构中,要求洞口成列,规则开洞,成排布置,能形成明确的墙肢和连梁,避免使墙肢刚度相差悬殊的洞口设置.高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构,所谓短肢剪力墙为墙肢截面高度与厚度之比为5~8的剪力墙,且抗震设计中短肢剪力墙的抗震等级在原有基础上提高一级,这说明剪力墙结构中洞口宽度的大小直接影响结构设计参数的选取,对构件的承载力影响较大.
2.3洞口大小和数量对结构计算的影响
在满足窗墙面积比的要求下,洞口的大小有效浮动,对结构计算又下列几点影响:
1)墙面洞口率越大,对承重墙体的刚度削弱大,砖混结构中,在水平地震作用下,墙段对地震作用的分配按各墙段刚度进行,洞口率越大,则墙段刚度越小,而且墙段H/B<1时墙体以剪切变形为主,1 H/B 4时墙体以剪弯变形为主,H/B>4的墙,可不考虑分配地震作用.框架结构中洞口率越大,则可减小填充墙对框架侧移变形的约束,使结构所受的基本周期增大,地震效应减小,框架配筋大大降低.剪力墙上洞口数量多少可将剪力墙分成双肢剪力墙,多肢剪力墙和短肢剪力墙,而这三种形式剪力墙抗震构造都差异较大.
2)洞口率越大,结构的自重减小,由地震作用大小FEk= 1Geq[4-5]可知,房屋地震作用减小,构件配筋和用料随之降低.
3结语
节能指标在满足节能设计规范的条件下可以优化取值.合理的节能指标取值,实际是对节能设计的优化,真正的节能体现在整个房屋设计中.不能忽视结构设计.节能指标的优化,可以改善结构抗震体系,可以减少结构的自重,结构荷载和降低材料用量达到真正的节能设计.
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看
关键词:体形系数;窗墙面积比;结构设计;节能
0引言
所谓节能,也就是在保证建筑物可靠性的条件下,节约能源,降低能耗和造价.而能源的节约在房屋结构部分的比例较大,故结构设计与节能指标取值的科学性关系紧密.文章从两个节能指标的取值上探讨了其对结构设计的影响.
1建筑体形系数对结构设计的影响
建筑体形系数是指建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的体积的比值.节能设计中,对体形系数做了明确的规定,如:严寒地区公共建筑的体形系数应小于或等于0.4;寒冷地区居住建筑的体形系数:3层以下的建筑应不大于0.55;4~6层的建筑应不大于0.35;7~9层的建筑应不大于0.3;10层以上的建筑应不大于0.26等[1].对建筑体形系数规定上限值,目的在于减小建筑物与大气接触面积,从而减小热量散失面和太阳辐射面,达到节能目的.
1.1建筑物高宽比取值对结构设计的影响
从体形系数的概念来讲,其大小与建筑物的平面和立面布置有很大关系,合理的建筑体形布置在抗震设计中是非常重要的,提倡平立面简单对称.高层建筑的高宽比越大,结构在水平荷载作用下重力二重,表现越突出,对结构侧向刚度和整体稳定性消弱较大,从而要求结构竖向构件(墙或柱)承载能力必须提高,即要增大竖向构件截面尺寸和配筋,故使结构造价提高.因此建筑高宽比是影响结构设计的宏观控制指标.所以对建筑物的最大高宽比(H/B)做了上限要求.如设防烈度为八度时,框架结构最大高宽比为3:1,框-剪结构最大高宽比为4:1,剪力墙结构最大高宽比为5:2[2].
1.2建筑物平面和竖向规则性对结构设计的影响
建筑物外表面凹凸越频繁,则其外表面积越大,在相同体积下,当然建筑物外表面积越简单,则体形系数越小.而在结构抗震计算中,强调结构的规则性,即力求结构的体形刚度中心和质量中心尽量重合,否则结构在水平地震作用下由于刚心和质心偏离太大而产生扭转效应(如图1所示),使结构地震作用效应增大,结构构件配筋率提高.结构计算中用周期比来限制结构的扭转效应.结构以扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比不应大于0.9(A类高层)或0.85(B类高层)[2].故在体形系数满足节能设计的要求下,要考虑建筑物平面的对称、均匀性.国内外历次大地震表明,平面不规则、质量和刚度偏心和抗扭刚度太弱的结构,在地震中受到严重破坏.并且平面布置过于狭长的建筑物,在地震时由于两端地震波输入位相差而容易产生不规则振动,产生较大危害;平面上有较长外伸时,外伸段容易产生局部振动,表现出高振型,而引發凹角破坏,如图2所示.故对建筑物平面长宽比做了上限规定,如矩形平面建筑,六和七度抗震设防区长宽比不大于6;八和九度抗震设防区长宽比不大于5[3].
建筑立面布置不能出现过大的内收和外挑,否则会使房屋竖向刚度发生突变,结构出现薄弱层和鞭端效应.上部结构相对下部外挑时,结构的扭转效应和竖向地震作用明显,下部相对上部外伸时,收进的部分越高,收进后的尺寸越少,结构的高振性效应越明显,建筑物立面有较大收进或顶部有小面积的突出小房间造成建筑立面体形沿高度变化,结构刚度突变加剧地震作用.由此可知,在体形系数满足节能设计要求的条件下,要选择上下等宽或由下向上逐渐减小的建筑体形.
高层建筑所受的风荷载较大,在沿海地区,风力成为高层建筑的控制性荷载,采用风压较小的平面形状才利于抗风设计,而风荷载的大小又与风荷载体形系数 S有关,圆形平面 S=0.8;高宽比H/B不大于4的矩形,方形,十字形建筑S=1.3;V形、Y形、弧形、双十字形、井字形平面建筑 S=1.4.由风荷载标准值计算公式[3]:
WR= Z s Z 0
可知 S越大,则风荷载越大,由于 S与建筑物平面形状有关,当然与建筑物体形系数有关,故体形系数取值影响建筑物所受风荷载的大小,对构件配筋和材料强度影响较大.
2建筑窗墙面积比取值对结构设计的影响
窗墙面积比是指窗户洞口面积与房间立面单元面积(即建筑层高与开间定位轴线围城的面积)的比值.节能设计中规定,公共建筑每个朝向窗墙面积比均不应大于0.7;居住建筑在严寒寒冷地区,外窗北向,窗墙面积比 0.3,东西向 0.3,南向 0.5等.
2.1窗洞口的高度应按结构设计要求合理取值
建筑设计中采光要求,单侧采光窗洞口上缘到地面的距离不小于房间进深的1/2,单侧为1/4,则洞口高度在留够窗下墙高度或栏杆上翻高度后,应考虑洞口上缘处的位置的合理性,如,砖混结构中,洞口取至圈梁底面,框架结构中,洞口取至框架梁底面,则可免去过梁,节约材料.剪力墙结构中,洞口下部墙高应尽量避免出现矮墙(Hw/hw 1),产生脆性破坏,还要考虑连梁(上下洞口之间的剪力墙)的高跨比.高跨比不小于5的连梁按框架梁设计,小于5的按连梁设计(刚度减小)[4],而连梁和框架梁的受力和构造要求偏差较大,结构用钢量和构件刚度完全不同,且两者对水平抗侧移构件的侧移影响较大.
2.2窗洞口宽度对结构设计的影响
确定完洞口高度后,根据节能设计对窗墙面积的要求,再确定洞口宽度,洞口宽度大小的合理性应参考下列因素:
1)砖混结构中,墙间墙宽度的限值,墙间墙宽度太小,导致墙体局部承载力不够,则需加设壁柱或梁垫,使结构设计复杂化,构件复杂化.
2)框架结构中,洞侧框架柱易出现短柱现象,若将窗户设计成通窗,则洞口侧面框架柱下端嵌固端为窗下墙定面因而易产生短柱(如图3所示).对结构抗震不利.
3)剪力墙结构中,要求洞口成列,规则开洞,成排布置,能形成明确的墙肢和连梁,避免使墙肢刚度相差悬殊的洞口设置.高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构,所谓短肢剪力墙为墙肢截面高度与厚度之比为5~8的剪力墙,且抗震设计中短肢剪力墙的抗震等级在原有基础上提高一级,这说明剪力墙结构中洞口宽度的大小直接影响结构设计参数的选取,对构件的承载力影响较大.
2.3洞口大小和数量对结构计算的影响
在满足窗墙面积比的要求下,洞口的大小有效浮动,对结构计算又下列几点影响:
1)墙面洞口率越大,对承重墙体的刚度削弱大,砖混结构中,在水平地震作用下,墙段对地震作用的分配按各墙段刚度进行,洞口率越大,则墙段刚度越小,而且墙段H/B<1时墙体以剪切变形为主,1 H/B 4时墙体以剪弯变形为主,H/B>4的墙,可不考虑分配地震作用.框架结构中洞口率越大,则可减小填充墙对框架侧移变形的约束,使结构所受的基本周期增大,地震效应减小,框架配筋大大降低.剪力墙上洞口数量多少可将剪力墙分成双肢剪力墙,多肢剪力墙和短肢剪力墙,而这三种形式剪力墙抗震构造都差异较大.
2)洞口率越大,结构的自重减小,由地震作用大小FEk= 1Geq[4-5]可知,房屋地震作用减小,构件配筋和用料随之降低.
3结语
节能指标在满足节能设计规范的条件下可以优化取值.合理的节能指标取值,实际是对节能设计的优化,真正的节能体现在整个房屋设计中.不能忽视结构设计.节能指标的优化,可以改善结构抗震体系,可以减少结构的自重,结构荷载和降低材料用量达到真正的节能设计.
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看