论重要建筑物的防爆抗爆设计

张建亮 周竞洋 王曦浩

(解放军理工大学国防工程学院，江苏 南京 210007)



论重要建筑物的防爆抗爆设计

张建亮 周竞洋*王曦浩

(解放军理工大学国防工程学院，江苏 南京 210007)

介绍了重要建筑物建立防爆抗爆体系的重要作用，从规划布局、建筑设计、结构设计等方面，论述了重要建筑物的防爆抗爆设计措施，有助于保证建筑结构的安全性，提高建筑物的综合防灾能力。

建筑物，抗爆设计，规划布局，结构设计

0 引言

突发事件(如地震、台风、爆炸、撞击等)造成建筑结构的局部破坏进而诱发连续性倒塌，迫使土木工程师们重新审视建筑结构的安全问题。由于爆炸荷载具有破坏威力大、作用时间短以及作用荷载的不确定性(位置、方向、形式和强度)等特点，会直接造成大量人员伤亡和巨大财产损失等灾难性的后果，因此重要建筑物的防爆抗爆设计已经显得十分重要。

1 美国俄克拉荷马城联邦大厦爆炸案分析

1.1 联邦大厦简介

位于美国中西部德克萨斯州的俄克拉荷马城联邦大厦于1977年建成，是一座现代化的9层办公大楼，采用钢筋混凝土板柱结构，外墙装有玻璃幕墙。由于俄克拉荷马城处于美国中西部龙卷风的中心地带，所以结构设计时考虑了龙卷风的影响，大厦最高可承受时速160 km/h的大风作用。

联邦大厦楼前是一个宽阔的步行广场，禁止车辆通行。大厦背立面，如图1所示，支撑整栋建筑的是底层4根钢筋混凝土柱，4根柱的上端与1根横穿整栋建筑的转换梁连接，转换梁与第3层楼板紧密相连。转换梁上设有9根混凝土柱，这些柱子将6层楼板的重量传递到转换梁上，再由它平均分配到底层4根柱和边墙上。

1.2 爆炸倒塌过程[1]

1995年4月18日上午，联邦大厦发生毁灭性的倒塌。爆炸发生后，美国陆军工程局借助价值1亿美元的超级计算机，结合爆破和工程专家提供的数据，模拟了联邦大厦爆炸倒塌的全过程。

第1毫秒，冲击波以4.775 m的振幅、5 km/s的速度撞击卡车旁边的那根柱子，爆炸后4 ms内这根柱子完全被摧毁。计算结果表明：冲击波以大于350 kg/cm2的力量撞击到柱子上，而时速160 km/h的风力还达不到70 g/cm2。爆炸发生的第2毫秒，冲击波就击碎了背面的玻璃。同时，冲击波经由大厦入口大厅向上推进，短短31 ms内抵达第9层，但在向上传播过程中威力迅速减弱，5楼以上楼层并非受到破坏。上述破坏主要是爆炸直接产生的建筑物结构局部破坏，亦称第一次破坏。

由于爆炸没有摧毁其他3根柱子和转换梁，建筑物仍保持相对完整。但冲击波穿过联邦大厦的中庭，以4.45 km/s多的速度撞击上面楼层的楼板，造成下面4个楼层的楼板和梁在巨大的压力下上升，并在支柱连接处断裂。爆炸后100 ms之内，4楼与5楼的楼板全部砸在与转换梁相连的第3层楼板上，附加的重量压垮了第3层楼板，由于转换梁与第3层楼板的连接并没有改变，在垮塌楼层的牵引下转换梁偏离了支柱并坠落，整幢楼随之崩溃。通过现场勘察转换梁的坠落位置，证实了计算机模拟的分析结果。上述破坏主要是爆炸间接引发的建筑物连续性垮塌，属于毁灭性破坏，亦称第二次破坏。

1.3 倒塌原因分析

从爆炸倒塌过程发现，爆炸直接造成建筑物结构的破坏通常是局部的，只有结构自身的鲁棒性差，才会导致结构的整体坍塌，因为建筑物的关键构件被炸毁并从结构中“移除”后，原先作用在上面的荷载因无法重新分配给其他构件，破坏就会持续向周围构件扩散，发生多米诺效应，从而引起结构发生连续性倒塌，最终导致了结构的整体坍塌。

经爆坑大小测算，其装药量相当于1 800 kg TNT，产生的爆炸冲击波为里氏6级，相当于一场大地震。计算机数值模拟结果表明，按照美国加州的抗震标准修建大厦，只有爆炸临近的1根外部支柱和下方楼层遭受破坏，而俄克拉荷马城联邦大厦没有抗震设防要求。

2 重要建筑物的防爆抗爆设计

2.1 重要建筑物的规划布局[2]

1)重要建筑物的选址。

重要建筑物应避免建在城市主干道附近，以防止恐怖分子使用汽车炸弹进行袭击。同时，重要建筑物的周围道路应该简明通畅，以便在遭受袭击后能及时抢救和安全疏散。

重要建筑物必须避开重大危险源，以免遭受次生灾害的袭击。重要建筑物应与周边环境之间保持一定的防护距离，防护距离取决于恐怖威胁的程度、建筑结构类型和所要达到的防护水平。若防护距离不够，应采取必要的防爆抗爆措施。另外，采用多层建筑要比高层建筑安全性高。

在条件允许的情况下，尽量利用自然环境选址，三面倚山靠水或有天然屏障的建筑物可极为有效地防止恐怖爆炸袭击。

2)重要建筑物的出入口。

在重要建筑物出入口附近应建立控制区，安排警卫人员对进出建筑物的人员及车辆进行严格的检查和管理。出入口控制区主要包括：进入建筑物的道路、建筑物附近的障碍物、警卫室、出入口大门等。

出入口前的道路应避免采用垂直于建筑物方向的直线布置，也可以在道路上设置水池、喷泉等景观，不给汽车获得加速的机会，以防止汽车冲过出入口控制区。出入口前的道路平行于建筑物正面时，采用高路肩、适当间距的树木或景观等措施，可有效地防止汽车驶离路面。

出入口前的障碍物可以对进入建筑物的车辆进行限制和阻滞，也可以给恐怖分子造成心理上的震慑作用，从而有效地阻止恐怖活动的发生或者减轻爆炸危害，警卫室通常通过窗户或监控设备监视出入口前方道路和进入建筑物的车辆。

由于平时使用和建筑美观的要求，出入口大门结构主要考虑防汽车冲撞设计，不主张进行抗爆设计。若非要进行抗爆设计，建议在大门后面一定距离设计防爆屏障来代替。

3)重要建筑物的停车场。

重要建筑物停车场的设计直接影响到建筑物安全。目前停车场主要分三类：公共停车场、路边停车场和地下停车场。

公共停车场远离建筑物，可减轻停车场发生爆炸时对建筑物结构的破坏。但这种停车场占用大面积土地，经济效益低。路边停车场使用方便，但安全性不高，一旦发生汽车炸弹事件，易造成道路混乱。地下停车场相对造价经济、使用方便，但这种停车场由于空间大、封闭等特点，发生汽车炸弹事件后，极易发生火灾，且人员疏散困难，加重灾害程度。此外，还危及地面建筑物。

因此，重要建筑物停车场和服务区应远离建筑物且在建筑物的视线范围之内，从而减轻汽车炸弹爆炸引起的破坏效应。如果条件允许，应将地面停车场设计成单行线，以便更好地观察可疑车辆。如果受客观条件所限，必须采用地下停车场时，则应配备电子监控系统，对出入口进行严格控制，同时要确保目标主体结构有较高的抗爆等级。

2.2 重要建筑物的建筑设计

确定建筑物的平面、立面和体型，通常要综合考虑其使用要求、建筑美观、结构合理及便于施工等因素，但对重要建筑物更要考虑反恐怖爆炸的要求。重要建筑物防爆抗爆设计，应与抗震和抗风等自然灾害兼顾考虑，这样既可提高建筑物的综合防灾能力，又能降低工程造价。

从冲击波对建筑物的作用原理和抗侧力结构体系可知：简单、规则、对称、长宽比不大的平面，对防爆抗爆是有利的。而平面凸出部分长度过大、形成凹凸状部分过多、有过小开放式平面内折角、折角过多和角部重叠、太狭长和细腰平面等布置，则对防爆抗爆是不利的[3]。

由于冲击波遇到建筑物及孔洞后会产生反射、绕流等作用，因此对防爆抗爆有利的立面应规则、均匀，从上到下外形不变或变化不大，没有过大的外挑和内收，建筑造型总体呈凸状乃至圆形[3]。

面向街道的立面，禁止采用大面积的玻璃幕墙，如非用不可则应采用特殊的防爆玻璃；同时，外墙立面最好采用涂料粉刷，尽量避免粘贴磁砖或干挂大理石。窗户开设应尽量小且少，最好不超过立面面积的15%；若如有可能，开设窗户的一面应尽量侧向街道。

按使用功能要求应对建筑物的室内设计进行必要的防护分区，即将高风险区与低风险区分开，两者之间可布置防爆墙。从防爆抗爆的角度，这些高风险区可设置在建筑物的外部或边缘，即利用建筑物外侧的裙楼布置，避免建筑物的主楼因爆炸破坏导致坍塌[4]。防护要求高的建筑物可以在停车场与办公楼核心筒之间设置缓冲空间。

建筑物紧急出口所要求的电梯间或楼梯间，应尽量远离爆炸可能发生的区域，以防止爆炸产生的浓烟和热量妨碍了人员疏散并导致窒息伤亡。

重要建筑物的内部装修应尽量简单，慎用易产生爆炸碎片的装修材料，墙壁上不宜悬挂装饰品，办公家具、计算机显示器等布置在远离临街窗户的部位，以防止产生飞行碎片。

2.3 重要建筑物的结构设计

在满足使用要求的前提下，重要建筑物的结构设计应综合考虑抗震、抗风、防火和防爆抗爆要求，以提高其综合防灾能力，降低工程造价。

建筑物单元的开间和层高应尽量小，结构竖向布置应做到刚度均匀而连续，避免刚度突变，避免错层，避免软弱层，使结构的侧向刚度呈下大上小、自下而上连续，逐渐减小。

防止结构渐进坍塌的关键是结构体系具有整体性和冗余度，以致部分结构局部倒塌或构件严重破坏时，不会导致整个结构丧失承载力，避免发生第二次破坏。设计时，结构体系应采用超静定结构体系，并设置“骨架结构”或在可能的情况下适当增加一些关键构件，如超静定的水平支撑和垂直的抗压构件等；结构构件应采用延性材料，应考虑抗反复荷载作用，并保证具有足够的抗剪强度；构件相互之间应有可靠的连接和锚固措施。

当爆炸冲击波扩散进入结构内部时，梁和楼板都会受到向上的推力。因此，重要目标应禁止采用预应力混凝土结构，当采用现浇钢筋混凝土梁、楼板应考虑反向荷载作用，即采用双筋截面配筋；对于外挑的阳台、雨篷等悬挑结构设计，还有结构构件之间的构造连接方式，尤其要考虑爆炸荷载的反向作用。

当建筑物外墙采用轻型混凝土砌块、空心砖等脆性材料时，除砌筑时与柱或墙采用拉结筋连接外，外墙粉刷前应在墙体内侧设钢丝网或高强度织物，并与地板和天花板留有一定的锚固；外墙上开设的门窗，其门框、窗框与外墙应有可靠的锚固措施。当防爆要求很高时，应避免采用脆性材料墙体。

3 结语

由案例分析可知，重要建筑物的防爆抗爆设计应综合考虑其规划布局、建筑设计和结构设计。

1)规划布局应做到建筑物与爆源尽量隔开，且防止爆源的进入。

2)建筑设计要符合冲击波的作用原理，尽量简单、规则、不突兀。

3)结构设计应综合考虑抗震、抗风和防火要求，增加结构的整体性和冗余度。

[1] 美国国家地理杂志.重返危机现场[DB/CD].中国中央电视台，2204.

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

[3] 田志敏,张想柏,杜修力.防恐怖爆炸重要建筑物的概念设计[J].土木工程学报，2007，40(1)：34-41.

[4] 田志敏,郁永刚,张想柏，等.浅论建筑物对恐怖爆炸防护的一些设计理念[J].特种结构，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

张建亮(1990- )，男，在读硕士； 王曦浩(1990- )，男，在读硕士

周竞洋(1991- )，男，在读硕士

TU312.3

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