应对自然元素：建筑雪荷载设计综合指南

雪，虽然美丽，但可能对建筑物的结构完整性构成重大威胁。积雪会产生巨大的重量，可能导致屋顶坍塌或其他结构性损坏。设计能够承受雪荷载的建筑物是结构工程的一个关键方面，尤其是在降雪量大的地区。本指南全面概述了全球通用的雪荷载建筑设计原则、考量因素和最佳实践。

了解雪荷载

在深入探讨设计考量之前，必须了解影响建筑物雪荷载的因素。这些因素因地理位置、建筑几何形状和当地环境条件而有很大差异。准确评估这些因素是建造安全耐用结构的基础。

影响雪荷载的因素：

地面雪荷载 (Pg): 这是特定地点的基本设计雪荷载，通常基于历史降雪数据。通常由国家或地区建筑规范提供的地面雪荷载地图，用于确定特定地点的适当数值。例如，美国的 ASCE 7 标准提供了地面雪荷载地图，而欧洲规范1 (Eurocode 1) 则为欧洲国家提供了类似数据。没有详细地图的国家则依赖气象数据和当地经验。
暴露系数 (Ce): 此系数考虑了建筑物的风暴露情况。位于开阔地带、暴露于风中的建筑物积雪较少，而受树木或其他建筑物遮蔽的建筑物则相反。暴露场地的暴露系数通常较低，而遮蔽场地的则较高。
温度系数 (Ct): 温度系数考虑了建筑物的内部温度。屋顶隔热良好的供暖建筑可能会经历更多的融雪，从而减少总雪荷载。相反，未供暖的建筑物会保留更多的雪。
重要性系数 (I): 此系数反映了建筑物的使用性质和重要性。医院和紧急避难所等重要设施需要更高的重要性系数，从而导致更保守的设计。
屋顶几何形状系数 (Cs): 此系数考虑了屋顶的形状和坡度。平屋顶比陡坡屋顶更容易积雪，因为雪更容易从较陡的表面滑落。复杂的屋顶几何形状，如屋谷和女儿墙，也可能导致雪分布不均和雪荷载增加。对于复杂的屋顶形状，雪漂移是一个重要的考虑因素。
雪漂移： 当风将雪从一个区域输送到另一个区域时，会发生雪漂移，导致局部积雪。女儿墙后、邻近建筑物附近以及屋顶山谷区域特别容易发生雪漂移。

雪荷载计算方法

有几种方法用于计算建筑物的雪荷载，每种方法的复杂性和准确性各不相同。方法的选择取决于建筑物的大小、复杂性和当地建筑规范的要求。

简化雪荷载计算：

此方法适用于具有规则屋顶几何形状的简单、低层建筑。它涉及使用一个简化的公式，该公式包含了地面雪荷载、暴露系数、温度系数、重要性系数和屋顶几何形状系数。

Ps = Ce * Ct * I * Pg

其中：

Ps = 设计雪荷载
Ce = 暴露系数
Ct = 温度系数
I = 重要性系数
Pg = 地面雪荷载

不均衡雪荷载计算：

对于具有显著坡度或复杂几何形状的屋顶，需要进行不均衡雪荷载计算。这些计算考虑了屋顶上雪的不均匀分布，这可能对结构产生额外的应力。例如，迎风坡的积雪可能远少于背风坡。

雪漂移荷载计算：

对于可能发生雪漂移的区域，雪漂移荷载计算至关重要。这些计算估算了由风吹积雪引起的额外雪荷载。需要考虑的因素包括相邻结构或女儿墙的高度和长度、风向以及雪的密度。

例如： 日本札幌市一栋靠近更高建筑物的建筑。设计必须考虑雪从较高建筑物漂移到较低建筑屋顶上的情况，这会增加巨大的重量并需要更坚固的结构设计。

结构设计考量

一旦计算出雪荷载，结构设计必须考虑这些荷载，以确保建筑物的安全和稳定。这包括选择合适的材料，设计能够承受所施加荷载的结构构件，并考虑潜在的破坏模式。

材料选择：

材料的选择在建筑物承受雪荷载的能力中起着至关重要的作用。钢材、钢筋混凝土和工程木制品因其高强度和高刚度而常用于结构构件。然而，必须考虑材料在低温下的性能，因为一些材料在寒冷气候中可能变脆。

屋顶设计：

屋顶是承受雪荷载的主要构件，因此其设计至关重要。屋顶结构必须足够坚固，以支撑计算出的雪荷载，而不会出现过度的挠度或应力。请考虑以下几点：

屋顶坡度： 较陡的坡度往往能更有效地排雪，从而减少雪荷载。然而，非常陡峭的坡度也可能在屋顶的背风侧产生不均衡的雪荷载。
屋顶框架： 屋顶框架系统的设计必须能将雪荷载均匀地分布到支撑墙和柱子上。常见的框架系统包括桁架、梁和檩条。
屋顶排水： 适当的排水对于防止融雪积水至关重要。这包括提供足够的屋顶排水口、排水沟和落水管。

墙体设计：

墙体也必须设计成能抵抗雪漂移和屋顶上不均衡雪荷载所施加的侧向荷载。剪力墙和支撑可用于提供侧向稳定性。

基础设计：

基础必须能够支撑因屋顶和墙壁积雪而增加的垂直荷载。适当的土壤分析和基础设计对于防止沉降或破坏至关重要。

建筑规范与标准

建筑规范和标准为雪荷载设计提供了具体要求。这些规范因地区和国家而异，但它们通常参考既定标准，如 ASCE 7（美国）、欧洲规范1 (Eurocode 1)（欧洲）和加拿大国家建筑规范 (NBC)。必须查阅当地建筑规范，以确定特定地点的雪荷载设计具体要求。

国际建筑规范 (IBC):

IBC 是许多国家使用的模范建筑规范。它参考 ASCE 7 作为雪荷载设计要求。

欧洲规范1 (Eurocode 1):

欧洲规范1为确定欧洲国家结构的雪荷载提供了一个全面的框架。它包括详细的地面雪荷载地图和计算雪漂移荷载的指南。

加拿大国家建筑规范 (NBC):

NBC 为加拿大的雪荷载设计提供了具体要求，包括详细的地面雪荷载地图和计算不均衡雪荷载的指南。

雪荷载建筑设计的最佳实践

除了遵守建筑规范和标准外，一些最佳实践可以增强多雪地区建筑物的弹性。

进行彻底的场地分析：

在开始设计过程之前，进行彻底的场地分析，以评估当地的气候、地形和周围结构。这将有助于识别潜在的雪漂移危险和其他特定场地的考虑因素。

考虑建筑物的微气候：

建筑物的微气候可以显著影响积雪。风模式、遮阳和与其他建筑物的邻近程度等因素都会影响屋顶积雪量。

为除雪而设计：

在某些情况下，可能需要设计建筑物以方便除雪。这可以包括为除雪设备提供进入屋顶的通道，或集成融雪系统。例如，加热的屋顶板可以防止关键区域的积雪。

实施雪管理策略：

雪管理策略可以帮助降低与雪相关的结构性损坏的风险。这些策略包括：

定期除雪： 定期清除屋顶上的雪可以防止过度积雪并降低坍塌风险。
雪栅栏： 雪栅栏可用于改变风向，防止雪漂移到屋顶上。
植被管理： 管理建筑物周围的植被有助于减少屋顶上的积雪量。

定期检查与维护：

定期检查和维护对于在问题导致结构性损坏之前识别和解决潜在问题至关重要。这包括检查屋顶是否有损坏迹象，检查排水系统是否堵塞，以及监测积雪水平。

案例研究

研究与雪相关的结构性损坏的真实案例，可以为了解正确雪荷载设计的重要性提供宝贵的见解。

哈特福德市政中心坍塌事件 (1978):

1978年，康涅狄格州哈特福德市政中心的屋顶因积雪过多而坍塌。坍塌归因于一个设计缺陷，该缺陷未能考虑到雪漂移荷载的可能性。

罗斯蒙特地平线体育馆屋顶损坏事件 (1979):

1979年，伊利诺伊州罗斯蒙特地平线体育馆（现为好事达体育馆）的屋顶因大雪而部分坍塌。损坏归因于设计缺陷和除雪不当的综合因素。

尼克博克剧院坍塌事件 (1922):

最悲惨的例子之一是1922年华盛顿特区的尼克博克剧院坍塌事件，导致近100人死亡。这场灾难凸显了在易受大雪影响的地区进行准确雪荷载计算和稳健结构设计的迫切需求。其平屋顶设计加上异常大的降雪量，超出了建筑物的结构承载能力。

这些案例强调了细致的雪荷载计算、遵守建筑规范和定期维护以防止灾难性损坏的重要性。

新兴技术与未来趋势

雪荷载建筑设计领域在不断发展，新的技术和方法不断涌现，以增强建筑物的弹性和安全性。

雪荷载传感器：

可以在屋顶上安装雪荷载传感器，以实时监测积雪水平。这些数据可用于在雪荷载达到临界水平时触发警报，从而实现及时除雪。

智能建筑：

智能建筑技术可用于优化建筑性能，降低与雪相关的损坏风险。这包括将雪荷载传感器与建筑管理系统集成，以自动调节供暖和通风系统来融化屋顶上的雪。

先进建模技术：

先进的建模技术，如计算流体动力学 (CFD)，可用于模拟雪漂移模式并预测复杂屋顶几何形状上的积雪。这使工程师能够设计出更能抵抗雪荷载的建筑物。

可持续设计：

可持续设计原则可以整合到雪荷载建筑设计中，以减少建造和运营对环境的影响。这包括使用可持续材料、进行节能设计以及整合用于节水的集雪系统。

结论

设计能够承受雪荷载的建筑物是结构工程的一个关键方面，尤其是在多雪地区。通过了解影响雪荷载的因素，应用适当的计算方法，考虑结构设计影响，并遵守建筑规范和标准，工程师可以确保寒冷气候下建筑物的安全性和耐久性。采纳最佳实践、实施雪管理策略和利用新兴技术可以进一步增强建筑物的弹性，并减轻与积雪相关的风险。从阿尔卑斯山的雪峰到北美的城市景观，再到斯堪的纳维亚半岛的挑战性气候，理解和应对雪荷载对于确保安全和可持续的基础设施至关重要。本指南为有效的雪荷载建筑设计提供了必要的原则和实践的基础知识，旨在促进全球范围内更安全、更具弹性的建筑环境。