减震技术丨隔震层位置的合理选择

隔震工程设计的第一个决定就是隔震层位置的选择，这是结构专业可以在建筑方案阶段就有重要话语权的不多机会。这个选择的结果不仅对于结构专业本身，也对建筑、设备各相关专业有着十分深远的影响，工程造价及技术难度也会随之变化，因此，考虑的因素应当尽可能全面。

隔震的英文原词就是：“base-isolated”,可以看出，基底隔震是最为经典的选择，也是绝大多数情况下的方法，如图1所示。

图1 经典模式

我国的早期隔震工程几乎全部都是基底隔震，随着隔震技术的不断推广，高层建筑、带地下室的建筑为隔震层带来了更多的选择。

这种情况下地下室本身就是隔震层，地下室顶板即隔震层楼板，最大限度地利用了建筑本身需要的结构，如图2所示。

图2 经济实用模式

由于层高较高，一般从使用方便考虑均设置高下支墩的隔震方式，笔者还没有见过高上支墩的工程。这种情况的案例比较多，典型的如云南东川的泰隆酒店，它的下支墩不仅高，而且还有长短不一的情况出现。经济实用模式的主要问题是多数情况下建筑允许的下支墩尺寸有限，实际上很难全面满足工程要求，高而细的悬臂下支墩看上去像人在踩高跷，有点悬，也有工程在下支墩顶面做拉梁，把各个悬臂下支墩连接成一个整体的空框架，虽然改善了受力，但会影响地下室净高。

高下支墩的设计在实际工程中检修、更换隔震支座都成为不可能。这种方法因为隔震层有使用功能，隔震支座的防火设计就不能忽略，而且，也因为可使用，隔震层被改造的几率就比较大，后期维护需要加以重视。

这种方式只适用于地下室和主楼平面基本一致的情况，如果地下室扩大较多，主楼范围以外的隔震垫实际上只隔了一个地下室顶板，从经济上和技术上都显得不适宜。还有一个问题是因为隔震沟、隔震缝等构造的存在，结构不能完全封闭，这样的隔震地下室不能作为人防地下室使用，能否通过战时加固等手段来解决呢？可能需要和人防管理部门的沟通协调。地震和战争理论上也有极小的概率同时发生，这已经超出结构工程师正常考虑的范围。

隔震层设置在地下室以上，上部结构以下（图3）。这也是笔者自己偏爱的。上、下两个完整的刚体，中间是柔性的隔震层，结构概念清晰明确，隔震构造比较容易实现并保持功能，当然到达地下室的电梯和楼梯还是要小小麻烦一下。电梯井筒多采用从隔震层以上下挂，如果是多层地下室，下挂的高度可能会达到十几米，如在建的北京新机场。为避免过大的下挂难度，也有在电梯井筒体下面设置橡胶支座或滑板支座的，仅考虑其竖向承载作用和可变形能力。楼梯需要在隔震层相应的位置结构分断，容易忽略的是，相应的扶手栏杆也需要分断。

图3 三明治模式

云南昆明的摩根道项目，在一个完整地下室上面有数栋多层隔震建筑，就选择了三明治模式。

由于隔震层一般没有检修以外的其他使用功能，支座全在主楼范围布置时，隔震效率最高；有些地方规定地下室顶面覆土必须N米以上才算绿化率，正好有助于解决本方案的室内外高差问题；略感头痛的是地下室的结构设计，如果按规范“隔震层以下结构云云”，用罕遇地震水平控制，在高烈度区就困难较大，有些工程对此打了折扣，也是被逼无奈。考虑地下室的使用，一般不宜直接将下支墩等截面延伸到地下室，可通过在地下室顶面设柱帽进行过渡转换，使地下室柱截面不致过大，相关的计算和构造需要认真考量。

隔震层在地下室以下！之所以称为建筑师模式（图4），是因为它最受建筑师欢迎！建筑师可以省去很多的麻烦，相较其他选择结构工程师的工作也要轻松一些。对于主体设计与隔震设计分工的情况，选择建筑师模式就很合适，基本上各干各的，免除了不少隔震构造。

图4 建筑师模式

昆明的规划展览馆就是采用建筑师模式。建筑师和上部结构工程师几乎可以按非隔震项目做设计了。只是地下部分头疼，要给建筑整个加一个套，周边形成永久的悬臂挡墙。基坑开挖深度也会加深，如果是软土区多层地下室结构，则这个压力就比较大，有些工程不得不设置一道厚度达到900mm的钢筋混凝土挡墙。如果地下室平面尺寸太大，远超过主楼范围，这个选择也不合适。此方案在一定程度上检修和更换隔震支座的难度也有增大。人防方面也有其特点，地下室六面理论上全成临空墙了，和前面一样，也许需要研究战时加固的问题，不可能直接把隔震沟填了，并不是担心战争的时候还有地震，而是战争结束后还得把土掏出来。其实这个方案还有一个意外的好处，主体结构地下室不用防水了！因为全部通过隔震间歇和土体完全隔离了，顶面覆土除外。

空中楼阁模式即为层间隔震（图5），在隔震结构中属于“高大上”，但其实在国内出现很早，北京的通惠家园就是经典案例，它是在车辆段上搞开发，相当于在工业厂房顶上再盖高层住宅，而且是很多单体结构，可想见其难度和挑战。

近年来国内建成的层间隔震比较知名的有宿迁苏豪广场：大底盘多层商场上面的两栋高层住宅通过商场层顶面的层间隔震，商场层顶面的层间隔震起到了转换层的作用，同时也是设备管道的过渡层。

图5空中楼阁模式

这种选择多数是出于无奈，由于建筑功能的上下无法兼容而进行了“切换”，就如同两幢建筑硬性叠加在一起。如果下盘的刚度不够，似乎有振型相互激励的负面可能。

空中楼阁的代价不小，下部被普遍理解为隔震层以下结构，其抗震性能要求提高很多。

其实很多时候隔震层同时也是转换层，比如剪力墙住宅隔震结构，墙体的二维平面受力最终需要传递到上支墩成为一维点受力，由此再加上一点想象力，就可以得到自由式（图6）。

图6 自由式

这就是隔震支座自由布置，上部结构自由布置，地下室或下部结构自由布置！通过上、下两块坚强的厚板，中间是无数小型隔震垫，或者一块巨大的“隔震毯”取代传统支墩和转换层，赋予结构极度的自由！梦寐以求的自由！

2 结语

随着工程技术的进步以及设计师想象力的延伸，未来还可能出现多级隔震、底盘上部分隔震等各种组合，为结构设计带来新的挑战，但万变不离其宗，在任何情况下，隔震功能的有效实现和持续实现是永恒的基点。

附记

近日有与同行探讨某隔震方案，说起一个新的问题，《建筑工程建筑面积计算规范》（GB/T50353-2013)规定：结构层高在2.20m及以上者计算全面积，结构层高不足2.20m的计算1/2面积。本条规定主要是针对坡地建筑，但有些地方的建设主管部门理解较为生硬，要求对独立的、除检修以外并无使用功能的隔震层也套用本条文，导致如果采用隔震技术建筑面积会增加的情况出现，使项目遭遇困境，这本是不该发生的故事。