建筑结构设计中的不规则因素风险识别与控制策略

引言

我国《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）将不规则结构分为平面不规则（扭转不规则、凹凸不规则、楼板局部不连续）和竖向不规则（侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续、楼层承载力突变）两类，明确规定超限建筑需进行专项抗震审查。本文基于全生命周期风险理论，结合BIM 技术与性能化设计方法，系统研究不规则因素的风险识别指标与分级控制策略，旨在为复杂结构设计提供理论支撑与技术参考。

1 不规则建筑结构的基本特征

不规则建筑结构从名字就能知道，指的是那些在平面布置、竖向布置或者结构体系方面展现出明显不规则特性的建筑结构，这种不规则打破了传统建筑的对称与规整，给建筑赋予了独特外观和空间体验，不过也给结构设计带来了挑战，具体来说，不规则建筑结构的主要特征体现在三个方面，首先是平面不规则，也就是建筑平面形状呈现出 L 形、T 形、U 形、凹凸形等不规则几何形态，这种平面上的不规则往往让建筑的刚度中心和质量中心难以重合，进而在地震等水平荷载作用下容易产生扭转效应，使结构受力变得更为复杂，其次是竖向不规则，意思是建筑沿竖向高度方向存在刚度、质量或者承载力的明显突变，例如常见的错层、退台、悬挑、收进等设计手法，这些竖向的不规则会导致地震作用下各楼层的层间变形分布不均匀，应力容易集中在结构的薄弱层，增加了结构破坏的风险，最后是结构体系不规则，即建筑采用了混合结构体系或者包含特殊的结构构件，比如转换层、加强层、带缝结构等，这类不规则使得结构的传力路径变得复杂多样，其受力性能也难以通过传统经验方法准确预测，需要借助更精细的分析手段。按照现行的《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）以及《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），建筑结构的不规则性被归纳成平面不规则、竖向不规则和两者兼有不规则这三种主要类型，并且进一步细分成扭转不规则、凹凸不规则、侧向刚度不规则、竖向构件不连续、质量不规则等多种具体情况，这些细分类型为设计人员识别和评估不规则性提供了明确依据。

2 建筑结构不规则因素的分类与风险机理

2.1 平面不规则类型及风险特征

（1）扭转不规则。当楼层最大弹性水平位移（或层间位移）与该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的比值超过 1.2 时，定义为扭转不规则。这种不规则会导致结构刚度中心与质量中心偏离，形成附加扭矩，使角部构件受力增大 30%-50% 。研究表明，扭转位移比每增加 0.1，结构延性需求提高 15% ，易引发角柱剪切破坏。（2）凹凸不规则。平面突出部分的长度大于该方向总长度的 30% ，或缩进尺寸超过该方向边长 25% 时，形成凹凸不规则。这种形态会造成楼板应力集中，在地震作用下易产生纵向裂缝，尤其在凹角处剪应力可达到平均值的2.3倍。（3）楼板局部不连续。楼板开洞面积超过该层楼板面积 30% ，或有效宽度小于 50% 时，属于楼板局部不连续。此时楼板无法有效传递水平力，导致抗侧力构件受力分布严重不均，边梁弯矩可能超限1.8 倍。

2.2 竖向不规则类型及风险传导路径

（1）侧向刚度不规则。某楼层侧向刚度小于相邻上一楼层的70% ，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的 80% ，定义为刚度突变。这种不规则会使地震作用在薄弱层产生放大效应，层间位移角可能达到规范限值的1.5-2 倍，如2024 年花莲天王星大楼因底层刚度不足（仅为上层的 65% ），在地震中发生 " 软脚 " 式倒塌。（2）竖向抗侧力构件不连续。框架柱、剪力墙等抗侧力构件在某一楼层中断，通过转换构件传递荷载时，形成竖向不连续。转换层上下层的刚度比若小于 0.5，会导致转换梁产生过大剪力，其剪压比易超过规范限值（0.25），引发脆性破坏。（3）楼层承载力突变。某楼层的抗剪承载力小于相邻上一楼层的 80% 时，形成承载力突变。这种不规则使薄弱层在地震中率先屈服，产生塑性变形集中，当层间位移角超过 1/50 时，可能引发结构连续倒塌。

3 建筑结构设计不规则因素风险的控制策略

3.1 优化设计方案

在不规则建筑结构设计刚开始的时候，优化设计方案是非常关键的环节，其目标是从根源上减少或消除结构的不规则性，进而降低结构分析和设计的难度，提高整体结构的安全程度，要尽量避免采用会导致严重不规则的设计方案，比如过大的平面凹凸比（不宜超过 0.5）、过高的层高突变比（相邻楼层层高变化不宜超过 50% ）以及过大的悬挑长度（悬挑长度不宜超过相邻跨度的 1/3）等，要通过合理布置结构构件来提升结构的整体性能，例如对于平面不规则的结构，应合理布置剪力墙或核心筒，确保其抗侧刚度沿平面均匀分布，并尽量让结构的刚度中心与质量中心接近，以减小扭转效应，核心筒的剪力墙厚度不宜小于200mm ，且宜沿两个主轴方向对称布置，对于竖向不规则结构，应尽量避免刚度和承载力突变。

3.2 创新技术在提高建筑节能性能中的应用

在提高建筑节能性能方面，创新技术的应用具有显著的成效。基于技术创新，可在设计、材料、施工等多个环节优化建筑能效。在设计环节中，利用计算机模拟技术，可以准确预测和优化建筑的热环境、光环境，从而减少能源消耗。智能控制系统的引入，使得建筑可以根据环境变化自动调节温度、湿度和光照，从而实现能源的高效利用。高性能材料的应用是提升节能性能的重要手段。新型保温材料如气凝胶、纳米隔热材料等，具有优异的隔热性和轻质特性，可以有效减少建筑热量损失。智能玻璃等新型材料利用光感应和调光技术，显著降低了空调和照明系统的负荷。在施工环节，装配式建筑技术将预制构件在工厂制造后运送至施工现场进行装配，大幅减少了施工过程中的资源浪费和能耗。绿色施工技术，如利用废弃物再生材料和能量回收系统，也进一步减少了施工对环境的影响。

2.3 施工过程控制方法

（1）分阶段卸载技术：北京大兴国际机场屋面网架卸载过程采用“分区对称、分级同步”原则，15 天内完成 7 个分区的支撑拆除，通过三方同步监测（施工监测、第三方监测、监理）确保每个分区的卸载量偏差不超过 5% ，避免了不规则结构因受力突变产生的开裂风险。（2）预起拱优化：根据三维变形监测结果，对不规则曲面结构进行预起拱调整。该项目通过对比施工模型与设计模型的偏差，将屋面网架的预起拱值从初始 30mm 优化为 45mm ，最终卸载后实际挠度与设计值的差值控制在 8mm 以内。（3）BIM 施工模拟：某超高层异形钢屋架项目应用BIM 技术进行 4D 施工模拟，提前发现了不规则构件的安装顺序问题，将工期缩短 12 天，同时通过高支模三维支架设计，使模板支撑系统的安全系数提高 25% 。

结语

不规则建筑结构设计属于复杂系统工程，需综合运用建筑学、结构工程学、抗震工程学等多学科知识，设计者要充分认识不规则建筑结构特殊性并采取严谨设计方法。通过综合运用上述策略，可以有效控制不规则建筑结构设计中的风险，确保结构在满足建筑功能与美学需求的同时，具备足够的安全性、可靠性和经济性。随着科技进步和理论发展，更先进的设计方法和计算工具将不断涌现，为不规则建筑的创新与安全提供更坚实的技术保障。

参考文献

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