論重要建筑物的防爆抗爆設計

張建亮 周競洋 王曦浩

(解放軍理工大學國防工程學院，江蘇 南京 210007)

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論重要建筑物的防爆抗爆設計

張建亮 周競洋*王曦浩

(解放軍理工大學國防工程學院，江蘇 南京 210007)

介紹了重要建筑物建立防爆抗爆體系的重要作用，從規劃布局、建筑設計、結構設計等方面，論述了重要建筑物的防爆抗爆設計措施，有助于保證建筑結構的安全性，提高建筑物的綜合防災能力。

建筑物，抗爆設計，規劃布局，結構設計

0 引言

突發事件(如地震、臺風、爆炸、撞擊等)造成建筑結構的局部破壞進而誘發連續性倒塌，迫使土木工程師們重新審視建筑結構的安全問題。由于爆炸荷載具有破壞威力大、作用時間短以及作用荷載的不確定性(位置、方向、形式和強度)等特點，會直接造成大量人員傷亡和巨大財產損失等災難性的后果，因此重要建筑物的防爆抗爆設計已經顯得十分重要。

1 美國俄克拉荷馬城聯邦大廈爆炸案分析

1.1 聯邦大廈簡介

位于美國中西部德克薩斯州的俄克拉荷馬城聯邦大廈于1977年建成，是一座現代化的9層辦公大樓，采用鋼筋混凝土板柱結構，外墻裝有玻璃幕墻。由于俄克拉荷馬城處于美國中西部龍卷風的中心地帶，所以結構設計時考慮了龍卷風的影響，大廈最高可承受時速160 km/h的大風作用。

聯邦大廈樓前是一個寬闊的步行廣場，禁止車輛通行。大廈背立面，如圖1所示，支撐整棟建筑的是底層4根鋼筋混凝土柱，4根柱的上端與1根橫穿整棟建筑的轉換梁連接，轉換梁與第3層樓板緊密相連。轉換梁上設有9根混凝土柱，這些柱子將6層樓板的重量傳遞到轉換梁上，再由它平均分配到底層4根柱和邊墻上。

1.2 爆炸倒塌過程[1]

1995年4月18日上午，聯邦大廈發生毀滅性的倒塌。爆炸發生后，美國陸軍工程局借助價值1億美元的超級計算機，結合爆破和工程專家提供的數據，模擬了聯邦大廈爆炸倒塌的全過程。

第1毫秒，沖擊波以4.775 m的振幅、5 km/s的速度撞擊卡車旁邊的那根柱子，爆炸后4 ms內這根柱子完全被摧毀。計算結果表明：沖擊波以大于350 kg/cm2的力量撞擊到柱子上，而時速160 km/h的風力還達不到70 g/cm2。爆炸發生的第2毫秒，沖擊波就擊碎了背面的玻璃。同時，沖擊波經由大廈入口大廳向上推進，短短31 ms內抵達第9層，但在向上傳播過程中威力迅速減弱，5樓以上樓層并非受到破壞。上述破壞主要是爆炸直接產生的建筑物結構局部破壞，亦稱第一次破壞。

由于爆炸沒有摧毀其他3根柱子和轉換梁，建筑物仍保持相對完整。但沖擊波穿過聯邦大廈的中庭，以4.45 km/s多的速度撞擊上面樓層的樓板，造成下面4個樓層的樓板和梁在巨大的壓力下上升，并在支柱連接處斷裂。爆炸后100 ms之內，4樓與5樓的樓板全部砸在與轉換梁相連的第3層樓板上，附加的重量壓垮了第3層樓板，由于轉換梁與第3層樓板的連接并沒有改變，在垮塌樓層的牽引下轉換梁偏離了支柱并墜落，整幢樓隨之崩潰。通過現場勘察轉換梁的墜落位置，證實了計算機模擬的分析結果。上述破壞主要是爆炸間接引發的建筑物連續性垮塌，屬于毀滅性破壞，亦稱第二次破壞。

1.3 倒塌原因分析

從爆炸倒塌過程發現，爆炸直接造成建筑物結構的破壞通常是局部的，只有結構自身的魯棒性差，才會導致結構的整體坍塌，因為建筑物的關鍵構件被炸毀并從結構中“移除”后，原先作用在上面的荷載因無法重新分配給其他構件，破壞就會持續向周圍構件擴散，發生多米諾效應，從而引起結構發生連續性倒塌，最終導致了結構的整體坍塌。

經爆坑大小測算，其裝藥量相當于1 800 kg TNT，產生的爆炸沖擊波為里氏6級，相當于一場大地震。計算機數值模擬結果表明，按照美國加州的抗震標準修建大廈，只有爆炸臨近的1根外部支柱和下方樓層遭受破壞，而俄克拉荷馬城聯邦大廈沒有抗震設防要求。

2 重要建筑物的防爆抗爆設計

2.1 重要建筑物的規劃布局[2]

1)重要建筑物的選址。

重要建筑物應避免建在城市主干道附近，以防止恐怖分子使用汽車炸彈進行襲擊。同時，重要建筑物的周圍道路應該簡明通暢，以便在遭受襲擊后能及時搶救和安全疏散。

重要建筑物必須避開重大危險源，以免遭受次生災害的襲擊。重要建筑物應與周邊環境之間保持一定的防護距離，防護距離取決于恐怖威脅的程度、建筑結構類型和所要達到的防護水平。若防護距離不夠，應采取必要的防爆抗爆措施。另外，采用多層建筑要比高層建筑安全性高。

在條件允許的情況下，盡量利用自然環境選址，三面倚山靠水或有天然屏障的建筑物可極為有效地防止恐怖爆炸襲擊。

2)重要建筑物的出入口。

在重要建筑物出入口附近應建立控制區，安排警衛人員對進出建筑物的人員及車輛進行嚴格的檢查和管理。出入口控制區主要包括：進入建筑物的道路、建筑物附近的障礙物、警衛室、出入口大門等。

出入口前的道路應避免采用垂直于建筑物方向的直線布置，也可以在道路上設置水池、噴泉等景觀，不給汽車獲得加速的機會，以防止汽車沖過出入口控制區。出入口前的道路平行于建筑物正面時，采用高路肩、適當間距的樹木或景觀等措施，可有效地防止汽車駛離路面。

出入口前的障礙物可以對進入建筑物的車輛進行限制和阻滯，也可以給恐怖分子造成心理上的震懾作用，從而有效地阻止恐怖活動的發生或者減輕爆炸危害，警衛室通常通過窗戶或監控設備監視出入口前方道路和進入建筑物的車輛。

由于平時使用和建筑美觀的要求，出入口大門結構主要考慮防汽車沖撞設計，不主張進行抗爆設計。若非要進行抗爆設計，建議在大門后面一定距離設計防爆屏障來代替。

3)重要建筑物的停車場。

重要建筑物停車場的設計直接影響到建筑物安全。目前停車場主要分三類：公共停車場、路邊停車場和地下停車場。

公共停車場遠離建筑物，可減輕停車場發生爆炸時對建筑物結構的破壞。但這種停車場占用大面積土地，經濟效益低。路邊停車場使用方便，但安全性不高，一旦發生汽車炸彈事件，易造成道路混亂。地下停車場相對造價經濟、使用方便，但這種停車場由于空間大、封閉等特點，發生汽車炸彈事件后，極易發生火災，且人員疏散困難，加重災害程度。此外，還危及地面建筑物。

因此，重要建筑物停車場和服務區應遠離建筑物且在建筑物的視線范圍之內，從而減輕汽車炸彈爆炸引起的破壞效應。如果條件允許，應將地面停車場設計成單行線，以便更好地觀察可疑車輛。如果受客觀條件所限，必須采用地下停車場時，則應配備電子監控系統，對出入口進行嚴格控制，同時要確保目標主體結構有較高的抗爆等級。

2.2 重要建筑物的建筑設計

確定建筑物的平面、立面和體型，通常要綜合考慮其使用要求、建筑美觀、結構合理及便于施工等因素，但對重要建筑物更要考慮反恐怖爆炸的要求。重要建筑物防爆抗爆設計，應與抗震和抗風等自然災害兼顧考慮，這樣既可提高建筑物的綜合防災能力，又能降低工程造價。

從沖擊波對建筑物的作用原理和抗側力結構體系可知：簡單、規則、對稱、長寬比不大的平面，對防爆抗爆是有利的。而平面凸出部分長度過大、形成凹凸狀部分過多、有過小開放式平面內折角、折角過多和角部重疊、太狹長和細腰平面等布置，則對防爆抗爆是不利的[3]。

由于沖擊波遇到建筑物及孔洞后會產生反射、繞流等作用，因此對防爆抗爆有利的立面應規則、均勻，從上到下外形不變或變化不大，沒有過大的外挑和內收，建筑造型總體呈凸狀乃至圓形[3]。

面向街道的立面，禁止采用大面積的玻璃幕墻，如非用不可則應采用特殊的防爆玻璃；同時，外墻立面最好采用涂料粉刷，盡量避免粘貼磁磚或干掛大理石。窗戶開設應盡量小且少，最好不超過立面面積的15%；若如有可能，開設窗戶的一面應盡量側向街道。

按使用功能要求應對建筑物的室內設計進行必要的防護分區，即將高風險區與低風險區分開，兩者之間可布置防爆墻。從防爆抗爆的角度，這些高風險區可設置在建筑物的外部或邊緣，即利用建筑物外側的裙樓布置，避免建筑物的主樓因爆炸破壞導致坍塌[4]。防護要求高的建筑物可以在停車場與辦公樓核心筒之間設置緩沖空間。

建筑物緊急出口所要求的電梯間或樓梯間，應盡量遠離爆炸可能發生的區域，以防止爆炸產生的濃煙和熱量妨礙了人員疏散并導致窒息傷亡。

重要建筑物的內部裝修應盡量簡單，慎用易產生爆炸碎片的裝修材料，墻壁上不宜懸掛裝飾品，辦公家具、計算機顯示器等布置在遠離臨街窗戶的部位，以防止產生飛行碎片。

2.3 重要建筑物的結構設計

在滿足使用要求的前提下，重要建筑物的結構設計應綜合考慮抗震、抗風、防火和防爆抗爆要求，以提高其綜合防災能力，降低工程造價。

建筑物單元的開間和層高應盡量小，結構豎向布置應做到剛度均勻而連續，避免剛度突變，避免錯層，避免軟弱層，使結構的側向剛度呈下大上小、自下而上連續，逐漸減小。

防止結構漸進坍塌的關鍵是結構體系具有整體性和冗余度，以致部分結構局部倒塌或構件嚴重破壞時，不會導致整個結構喪失承載力，避免發生第二次破壞。設計時，結構體系應采用超靜定結構體系，并設置“骨架結構”或在可能的情況下適當增加一些關鍵構件，如超靜定的水平支撐和垂直的抗壓構件等；結構構件應采用延性材料，應考慮抗反復荷載作用，并保證具有足夠的抗剪強度；構件相互之間應有可靠的連接和錨固措施。

當爆炸沖擊波擴散進入結構內部時，梁和樓板都會受到向上的推力。因此，重要目標應禁止采用預應力混凝土結構，當采用現澆鋼筋混凝土梁、樓板應考慮反向荷載作用，即采用雙筋截面配筋；對于外挑的陽臺、雨篷等懸挑結構設計，還有結構構件之間的構造連接方式，尤其要考慮爆炸荷載的反向作用。

當建筑物外墻采用輕型混凝土砌塊、空心磚等脆性材料時，除砌筑時與柱或墻采用拉結筋連接外，外墻粉刷前應在墻體內側設鋼絲網或高強度織物，并與地板和天花板留有一定的錨固；外墻上開設的門窗，其門框、窗框與外墻應有可靠的錨固措施。當防爆要求很高時，應避免采用脆性材料墻體。

3 結語

由案例分析可知，重要建筑物的防爆抗爆設計應綜合考慮其規劃布局、建筑設計和結構設計。

1)規劃布局應做到建筑物與爆源盡量隔開，且防止爆源的進入。

2)建筑設計要符合沖擊波的作用原理，盡量簡單、規則、不突兀。

3)結構設計應綜合考慮抗震、抗風和防火要求，增加結構的整體性和冗余度。

[1] 美國國家地理雜志.重返危機現場[DB/CD].中國中央電視臺，2204.

[2] FEMA.Reference Manual to Mitigate Potential Terrorist Attacks Against Building[M].2003.

[3] 田志敏,張想柏,杜修力.防恐怖爆炸重要建筑物的概念設計[J].土木工程學報，2007，40(1)：34-41.

[4] 田志敏,郁永剛,張想柏，等.淺論建筑物對恐怖爆炸防護的一些設計理念[J].特種結構，2007，24(2)：34-37.

Discussion on the blast protection design of important buildings

Zhang Jianliang Zhou Jingyang* Wang Xihao

(CollegeofDefenseEngineering,PLAUniversityofScienceandTechnology，Nanjing210007,China)

This paper introduced the important role of establishing blast protection system of important buildings, from the planning layout, architectural design, structure design and other aspects, discussed the blast protection design measures of important buildings, helpful to ensure the safety of building structure, improved the comprehensive disaster prevention ability of buildings.

building, blast protection design, planning layout, structure design

1009-6825(2016)05-0011-03

2015-12-04

張建亮(1990- )，男，在讀碩士； 王曦浩(1990- )，男，在讀碩士

周競洋(1991- )，男，在讀碩士

TU312.3

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