深圳赛格大厦异常振动成因分析

张献兵，雷 军*，张秀玲，周晓峰

(1.北京大学地球与空间科学学院，北京大学环境振动监测与评估实验室，北京 100871；2.中国地震局地球物理研究所，北京 100081)

2021年5月18—20日深圳地标性建筑之一的赛格大厦相继出现多次异常振动，市场管理部门和当地政府迅速做出人员撤离和暂停运营的决定，表现出良好的安全意识和文明管理水平。

赛格大厦发生异常振动后，经媒体报道、民众参与讨论，人们对大楼振动的成因有了多种多样的猜测，政府也投入力量寻找原因。6月2日深圳市官微公布观测结果，表示沉降、倾斜和加速度均符合规定。此结果从宏观上给出了利好的信息，大楼目前还没有出现失稳或更严重灾害的前兆，但也未能捕捉到赛格大厦异常振动的确切原因。因此，短时间内也难以做出大楼重新使用还是继续封闭的决策。

振动发生距今已经多日，人员及部分物资已经撤离大楼。大楼的载荷及环境要素都有所变化。因此，要寻找赛格大厦异常振动的成因，只能从大楼最初的振动现象来溯源。有视频显示在大楼振动之初，室内出现器皿中的水以及大楼塔尖的晃动。但又有报道明确指出大楼是垂直震颤而不是水平振动。时至今日，没有看到5月18—20日大楼内的振动观测数据。或许大楼内没有安装专门的振动监测设备？

大楼的振动方向和振动方式对于确定振动成因至关重要。如果5月18—20日大楼的振动以水平方向为主，那么成因基本上来自外部。大楼振动只是对某种外部作用的响应，即远场因素(远因)。如果确定振动是垂直方向，而且是一种震颤，那么问题一定出在地基或大楼结构自身，即近场因素(近因)。因此，首先需要确认赛格大厦此次振动的方向和方式。在区分远场或近场因素的前提下，才能更有针对性地制订技术方案来查找振动的真实成因及其主要和次要影响因素，从而对大楼目前的稳定性和安全性做出科学评估。

在缺少观测数据的条件下，简单排除或选信媒体报道中的任何一种可能的振动方式都存在风险。因此，为确定此次异常振动是远因还是近因，或者是两种因素的叠加效应，首先需要把赛格大厦周围及城市中可能存在的致灾因素、各个因素的强度及其出现的频度一一列举出来，再利用更多可收集的环境数据来甄别、筛选出可能性较高的因素，确定致灾成因。

1 地震及其他振动因素

1.1 天然地震及其影响

天然地震以突发性和不可抗拒的破坏作用成为人类工程和建筑物面临的最严重的灾害成因。天然地震发生时地壳运动及构造断裂的能量通过地震波动的形式向四周辐射。地震波包含纵波和横波，其传播速度不同、振动方向近似正交。建筑物受到地震波影响时也先后出现两种不同方向的振动，而不会是单纯在水平方向或垂直方向振动，如图1所示。

人们对地震波引起的地面或建筑物振动的感受因震中距不同而有差异。如果是数百公里及更远的远震，或者是正好发生在城市下方的直下型地震，那么地震波通常以接近与地面垂直的方向进入建筑物。建筑物中的人群一般先感受到垂直振动，再感受到水平振动。如果是近震，震中既不远也不深，人们对建筑物振动方向的感受不一定太清晰，特别是高层和超高层建筑中。可能因所处楼层高度不同和空间位置不同，感受到的振动方向和方式都存在差异。

要估计震源的远近位置，首先需要了解空间距离带来的振动差异。事实上，由于地震的距离不同，振动的持续时间和振动频率也显著不同。地震较近时，建筑物的振动时间短、振动频率高，此时低矮建筑中的人群感受明显。反之，地震较远，振动持续时间长、振动以低频为主，更容易被高层建筑中的人群感受到[1-2]。很多震例中，高层建筑中的人群可能已经惊慌撤离建筑物，低矮建筑中的人群及路人却浑然不觉。这显示高层建筑会受到来自更大空间范围地震的影响。一个典型而极端的例子是1985年墨西哥的M8.5级地震，相距震中360 km外的墨西哥城刚刚完成旧城改造后不久，1 132栋建筑物在地震中遭遇了毁灭性破坏，其中包括200多栋中高层建筑物。墨西哥城的损失远比震中附近严重得多[3-8]，如图2所示。

距离的影响还表现在振动随传播距离的增加而衰减。当地震震中超过100 km时，大多数地区地震动的峰值与震中附近相比大约会小2个数量级。但墨西哥城的地震动幅值超出了大多数地区的情况。调查显示墨西哥城有着软弱且较厚的第四纪沉积物，其作用是汇聚和放大地震动，土层及其上的建筑物发生低频共振是这次灾难的主因。观测数据显示，频率为0.5 Hz的加速度最大值与墨西哥城广大地区的软土层的共振频率接近[4]。

图1 近震和远震情况下，相对于城市和建筑物地震纵波和横波的传播轨迹(红色)和各自的偏振方向(黑色双向箭头)Fig.1 Ray traces(red)and polarization direction (black double sided arrow)of primary wave and transverse wave in local earthquake and teleseism

图2 1985墨西哥M8.5地震建筑物倒塌或严重破坏比例[6]Fig.2 Ratio of damaged buildings during 1985 Mexico M8.5 earthquake[6]

同频共振也是建筑物遭遇破坏最常见的原因之一。同频共振是当外部振动的作用频率与结构自振主频率恰巧一致时，结构振动幅度不断被增强的一种破坏现象。据报道，2011年7月5日韩国首尔一栋39层的商业建筑发生持续10 min的异常振动。调查发现此次振动的“振源”位于12层的健身房，并经实验验证揭示因多人共舞健身操，其节奏与大楼结构的振动主频相近而引起共振。另一个与共振破坏相关的事故是1995年6月29日韩国三丰百货大楼的坍塌，造成502遇难，937人受伤。图3(a)和图3(b)分别显示大楼坍塌前后的状态。事故原因与楼顶的巨型大功率制冷机的振动相关。事实上，事故之前大楼已经存在明显的“内伤”。

赛格大厦的异常振动应与人员活动无关。因为，赛格大厦最后一次振动(5月20日)是在人员已经完全撤离，大厦封闭之后发生的。

同一个地震在相同震中距离上的地震灾害也不相同。既有类似于墨西哥城的高烈度异常区，也有受灾明显低于该距离上平均破坏的低烈度异常区。高、低烈度异常主要与建筑物下部的局部场地条件(承载地基的力学特性)相关。建筑物所处的地基越软、土层越厚、地震波振动频率越低，其幅值越被放大，此时建筑物越高遭遇地震破坏的概率越大，往往出现高烈度异常。与此现象不同，强震发生后在极震区或受灾较重的地区，仍然有一些建筑物基本完好，这些低烈度异常总是与坚硬场地相关[9-13]。图4为1976年7月28日唐山M7.8主震和当天M7.1级余震发生时华北地区的地震宏观破坏烈度线。最高破坏烈度Ⅺ度位于唐山极震区，环绕其外的烈度为Ⅹ度，继续向外烈度逐渐减少为Ⅸ度、Ⅷ度、Ⅶ度、Ⅵ度和Ⅴ度。在地震烈度为Ⅶ的广大地区，出现了塘沽、天津到香河一线以及东边的乐亭等5个高烈度异常区，烈度均为Ⅷ度。还有Ⅵ区中的秦皇岛烈度为Ⅶ也是一个高烈度异常区。说明这些地区的受灾程度高于邻近区域；与之相反，在Ⅶ区内玉田出现了Ⅵ度的低烈度异常，表明其遭受的破坏低于周围地区。

图3 韩国三丰百货大楼因振动坍塌Fig.3 Korea Sanfeng department store collapsed by vibration

图4 1976年7月28日唐山M7.8主震和当天M7.1级余震发生时华北地区的地震宏观破坏烈度线[11]Fig.4 The macro damage intensity line of the earthquake in north China when the Tangshan M7.8 main earthquake on July 28,1976 and the M7.1 aftershock on that day occurred[11]

有人认为某些建筑物受灾较轻是因为建筑坚固。其实，只有在场地和结构基本相同的条件下才可以比较出建筑物的质量好坏。在抵御地震强大的破坏作用中地基的稳定性远比建筑物的坚固作用大得多。从体量和钢材用量上看，赛格大厦比其周围以及深圳大多建筑物更坚固。因此，赛格大厦独自发生振动是十分不寻常的。

图5给出了地震波振幅随场地条件变化的定性特征，从左到右场地条件变软地震波振幅变大。这些知识对减少建筑物的振动灾害至关重要，无论在政府制定土地使用规划时，还是个人在宅基地上建房时都是需要考虑的。

地震波在场地引起的上述振动特征不仅适合对天然地震远近的判断，同样也适合对所有其他振动源位置远近的判断。唯一不同的是除天然地震外，其他单一振动源不可能在建筑物引起区分度明显的两种不同方向的振动。

此外，有更简单可靠的方法来帮助判断建筑物的振动是否与地震作用有关。无论震级大小，地震波的震动影响将广泛波及某个地区或城市中各类建筑物，而不会只引起某个单一建筑物振动。在赛格大厦振动发生的同一时间段，附近建筑以及深圳其他高层建筑都没有异常振动的报道。因此，可以判断赛格大厦的异常振动与地震无关。实际上，5月18—20日赛格大厦异常振动发生的前后1 h，几百公里范围内没有M3.0级以上地震的报道。

图5 地震波的场地效应Fig.5 Site effect of seismic wave

1.2 施工振动及其影响

人类现代工程活动引起的环境振动无处不在，某些振动的强度已经与天然地震接近。对于城市的影响频度更是高于天然地震。在多数城市，遭遇破坏性地震或有感地震都是小概率事件，也许几十年、甚至上百年才会遭遇一次。但城市中大型地基开挖、桩基作业或工程爆破带来的城市环境振动影响却频繁发生。

2006年底，北京大学主校区邻近西侧围墙三栋六层高的学生宿舍楼45甲、45和46顶层的学生报告连续多天室内水桶震荡、墙上挂件掉落。当时，北京及周边地区没有地震也没有大风。学校委托地空学院陈运泰院士组织调查。经走访发现，为准备2008年奥运会，北京海淀体育馆正在进行规模较大的维修改造，其土方开挖与这次学生楼振动事件在时间上吻合。施工地点与学生楼相距100～300 m，如图6所示。调查中还发现部分窗体存在内外贯穿的裂缝。但之后因没有更多的振动事件未能核实这些裂缝的形成和开裂程度是否也与此次施工振动存在直接关系。

由前述已知，高层建筑可能受到来自空间范围更大的振动源的影响。赛格大厦的高度是北京大学学生楼的15倍以上。5月18—20日振动事发时间前后1 h距离赛格广场5 km范围内是否存在规模较大的施工，包括桩基施工、土石方开挖、拆除爆破、桥梁吊装以及其他可能引起较大环境振动的工程作业值得排查。反过来，如此巨大体量的赛格大厦突发异常振动也会在一定的空间范围对其他建筑物或环境因素带来影响，表现为在时间上同步或延迟的某些伴生异常现象。因此，5月18—20日及随后的几天赛格大厦500 m范围是否存在塌陷、断水、地下水上涌等应急事故，很可能也对找到赛格大厦的振动成因提供间接的线索。此点将在后面的地质灾害部分进一步说明。

图6 发生异常振动的北京大学部分学生宿舍(45甲、45和46楼)与海淀体育馆施工作业区的位置示意图Fig.6 Location of dormitory buildings (No.45a,No.45,No.46)at Peking University with anomalous shaking and Haidan Gymnasium under construction

1.3 轨道交通振动及其影响

道路交通振动对城市居民生活的噪声或振动干扰被越来越多地报道。道路交通振动与天然地震以及其他施工作业振动最显著的差别是其振动长时间、几乎不间断地发生。其中，轨道交通振动引发的一个比较突出的环境灾害例子是20世纪70年代建成通车的焦枝铁路对洛阳龙门石窟的严重振动影响。有着1 500年历史的龙门石窟是世界上现存造像数量最多、规模最大的石刻群。焦枝铁路在距离龙门石窟东侧270 m处通过。焦枝铁路运行大约10年时间后，龙门石窟雕刻品发生了前所未有的松动和崩落。由此，焦枝铁路最终于80年代末改道，再向东移动700 m。经调查，龙门石窟附近不仅存在铁路、公路振动，还有采石爆破。每一种振动都给石窟带来不利的影响。但龙门石窟造像在短时间内的加速风化无疑与焦枝铁路所产生的振动及其循环加载作用密切相关[14]。

与强震的破坏作用不同，中小地震或其他振动的作用力可能远低于建筑的设计强度。在单次或有限次数的外力作用下表现完好的建筑物，当遭遇的外部作用次数不断增加时，结构就会出现不可恢复的疲劳积累效应，出现损伤、甚至断裂。因为大多数材料，包括金属都存在杂质、结构缺陷、孔隙或裂隙。材料出现疲劳现象的机理是这些微观缺陷或微裂隙在外部振动的重复作用下不断扩展、相互贯通，并最终断裂。

2010年9月4日新西兰南岛发生M7.4级地震，震源深度12 km。据报道震中附近的克莱斯特彻奇有不少房屋严重损毁，墙体和烟囱坍塌，地震致2人重伤及部分轻伤。相隔不到半年，2011年2月22日克莱斯特彻奇再次发生M6.3级地震，震源深度4 km，地震造成近400人死亡或失踪和大规模建筑物破坏(图7)。前总理约翰·基称这次地震是“新西兰最黑暗的一天”。新西兰在20世纪70代就开始实施抗震设计，历次强震中建筑表现出了良好的抗震性能[15-16]。令人们不解的是为什么此次M6.3级地震发生时灾害如此严重？

图7 2011年新西兰M6.3地震中遭破坏的加固水泥建筑物[18]Fig.7 Collapsed reinforced concrete building during 2011 New Zealand M6.3 earthquake[18]

经过2008年汶川地震之后，由于媒体对地震不断深入的报道，大众已经了解到震源的深浅对灾害有明显的影响。同样震级的地震，震源越浅灾害越重,因为更多地震能量直接到达地表。但是，新西兰2011年M6.3地震比2010年M7.4地震的震源深度仅浅了8 km，前者造成的破坏与后者形成如此巨大的反差依然是难以理解的。一方面，震级每相差一级，地震能量大约相差27倍;另一方面，地震学经过近100年地震数据的积累，显示在最接近震源的10 km尺度上基岩地震动峰值相差不大。事实上，在2011年造成严重灾害的M6.3地震之前，这一地区在过去30年发生了5次M6.8以上地震，其中7级和8级以上地震各2次。地震学家对新西兰两次地震灾害的进一步调查和分析显示，遭遇严重破坏或倒塌的建筑物是在经历了多次强震作用之后、其结构的完整性及其抗震性能已经显著下降的条件下发生的[17-18]。揭示了疲劳积累效应对建筑物结构的严重损伤和弱化。

1.4 地铁振动及其影响

在不到20年的时间里，地铁在中国各个大中城市中以前所未有的速度竞赛式地增长。地铁在带给人们出行方便的同时，其振动引起的不利环境影响也逐渐显现。各个城市中，地铁沿线居民对地铁振动和噪声干扰的投诉频率已经跃居同类投诉的首位。地铁振动对音乐厅和手术室、对高技术密集区和精工产业园，以及对古建筑和文物保护区的振动影响也不断被揭示出来[19-20]。

地铁的振动不同于其他任何形式的环境干扰。地铁编组列车作为反复穿行于刚性地下隧道中的移动振源群，其动能直接转化为振动能量，带动隧道及其相连的地层做不间断的受迫振动。随着地铁网络的扩张，地铁振动贯穿于整座城市的地下，并持续作用于地面各类建筑的基础上。

图8是北京地铁4号线中关村北大街北京大学物理学院地面测点24 h的环境振动。在06：00—24：00时地铁运行的时间段环境振动持续处于较高的振幅，振动加速度在两个水平方向超过0.3 cm/s2，垂直方向超过0.5 cm/s2。图9是北京地铁4号线开通前后地面振动1/3倍频程峰值图，图中的时间点2006-06-07为建设前，2008-08-25为盾构开挖，2009-10-18为建成通车运行，测点同图8。地铁长时间和高密度运行所产生的振动通常使城市原有的地面振动提高1～2个数量级。同时，这些振动在南北(NS)、东西(EW)和垂直(UD)3个方向上都对北京大学典型精密仪器设备带来了显著不利的影响[21]。地铁振动在两个水平方向低于4.0 Hz的频段以及垂直方向低于6.3 Hz的频段超过物理学院精密仪器对环境振动的要求(黑色虚线和实线)。环境振动处于黑色虚线下的Ⅰ区时，精密仪器可正常工作；环境振动处于黑色虚线和实线之间的Ⅱ区时，仪器不能完全正常工作；环境振动大于黑色实线的Ⅲ区时，仪器将不能正常工作。

地铁振动是目前所有交通振动中幅值最大、频度最高、影响面最广泛(仅次于地震)的振动因素。地铁振动引发的不良后果在城市中如此突出，与中国城市地铁的埋深普遍较浅、土层对振动的放大作用被进一步强化密切相关。近年来，北京多个旅游景点的外墙意外发生坍塌，包括2010年11月8日北海公园东北角一段长近10 m、高约3 m的园墙突然倒塌，2011年2月10日凌晨颐和园东北角霁清轩南侧的一段6 m围墙坍塌。巧合的是，在空间上，北京地铁6号线和4号线分别从距离两处坍塌位置非常近的地下通过(图10)。在时间上，6号线于2007年12月开工，北海北站段的隧道施工于2009年9月完成。4号线于2004年开工，2009年2月全线贯通，2009年9月28日正式运营。这些墙体的坍塌既不是偶然的，也不是单纯的年久失修因素所致，与地铁引起的振动作用直接相关。

图8 北京地铁4号线附近北京大学物理学院地面24 h环境振动Fig.8 24 hours vibration at Peking University nearby Beijing subway line 4

图9 北京地铁4号线对北京大学物理学院附近环境振动的影响Fig.9 Influence of Beijing subway line 4 on environmental vibration near the school of physics of Peking University

图10 北京地铁沿线的振动灾害Fig.10 Vibration disasters along Beijing subway

地震引发的强地面运动可能给建筑物带来直接的振动破坏。除了这种动力作用外，地震时许多建筑的倒塌并不是振动直接作用于建筑物的结果，而是在地震作用下建筑物底部起承载作用的地层结构遭受破坏引起的。在具有发生沙土液化的湖相、海相、滨海相等沉积地层环境地层承载静力的突变也是常见的致灾成因。1995年1月17日日本神户M7.3地震中，神户码头因砂土液化(图11)造成200万个标准集装箱倾入大海[22-23]。砂土液化过程中地基承载力的快速消失往往导致建筑物的整体倒塌。

综上所述，与地震产生的强地面运动相比，包括地铁在内的所有道路交通振动都不会引起建筑物的直接振动破坏，但其长期作用可能对地面建筑物底部担负承载的土体带来不利影响，从而间接改变建筑物的稳定性和安全性。赛格大厦附近有3条地铁，其中7号线和1号线分别距离大楼70～80 m，2号线距离大楼在360 m左右(图12)。

为了解北京地铁4号线的振动衰减情况，2010年北京市相关决策部门组织多个国家级科研机构和大学进行了一次严格的场地观测实验，所有测点的振动测试设备均安置于专门构建的实验竖井内，具有完全相同的高程和地基条件。实验测线及测点布设如图13所示。观测数据显示在距离地铁线路300 m的范围内，地铁产生的低频振动没有衰减。图13(a)和图13(b)给出了南(绿色)、北(蓝色)两组测点在南北(SN)、东西(EW)和垂直(UD)3个方向上的部分结果，分别为地铁0.5 Hz和2.0 Hz的振动速度，13个测点标记于图13(c)。显示振动强度没有呈现出随距离(横坐标)增大而衰减的特征，而是具有一定的随机性。理论上，这一距离还没有超出低频振动的一个波长，地层对振动的衰减作用基本没有显现。

图11 日本1995年M7.3级地震中神户码头砂土液化现象Fig.11 Sand liquefaction at the harbor during 1995 Japan Kobe M7.3 earthquake

图12 赛格大厦和附近3条地铁线(1号线、7号线、2号线)的位置Fig.12 Location of SEG Building and subway line 1,7 and 2

未来城市中可能会有更多从前未知的环境灾害与地铁对建筑物基础的振动影响相关联。这些问题一方面突显与地铁建设相关的环评规范存在某些缺失和不足，另一方面也显示出规范的更新与地铁建设的速度相比严重滞后。目前，对这类问题的研究已经受到越来越多的关注[24-28]。

2 工程地质条件及其影响

城市中的工程地震灾害主要发生在建筑物的地基及土层。引起建筑物下部土层承载能力减弱或消失的不仅仅只有振动这一要素。城市中很多工程地质灾害都与建筑物底部土体的不稳定性相关。土层是自然界中力学性质最不稳定的固体介质。土体的动力学特性不仅在振动过程中呈现为强烈的非线性，同样因土体中矿物成分、颗粒粗细、含水量及渗透性等因素而差异显著。不仅如此，还受降雨、干旱、地下水位变化等环境条件影响而显著变化[29]。

地裂缝就是其中一种特殊、且难以对治的城市地质灾害，在多个地区引起地面建筑物的开裂和破坏，给城市带来巨大的经济损失。地裂缝的成因多种多样，除了部分地区因地壳运动、断裂活动、地震波作用、局部桩基施工等事件影响外，更多、更普遍的情况是因城市地下水抽采、超采，地下水位的不均衡变化引发的土层不均匀沉降造成的，包括西安、大同等多个城市。地层的不均匀沉降，微观上直接与黄土特有的湿陷性特征有关[30-35]。

20世纪90年代在山西大同铁路分局进行的地裂缝调查发现一个特殊现象，值得关注。大同机车车辆厂机车维修车间的钢轨在地裂缝作用下发生断裂。断裂发生时伴随振动和巨响。然而，在附近地面土层上几乎找不到地裂缝的痕迹。据调查，只有在下雨时因雨水在地裂缝汇聚并快速下渗才能清晰看到地裂缝及其地表展布痕迹。当雨水停止后，往往十几分钟内下渗的痕迹就会闭合，地表裂缝完全消失。

图13 北京地铁4号线振动衰减测试结果及测点分布图Fig.13 Two observation line nearby Beijing subway line 4

地裂缝所到之处没有任何建筑物可以抵御其破坏作用。但土体的特性决定了在很多情况下地层及表面无法像地震引起的岩石断裂那样长久地保留其完整的破裂痕迹，因其含水的饱和度变化时而显现时而消失。地裂缝出现的初期，地基下土体的变化首先反映在一些低矮建筑物，特别是一些脆弱的土石砌体上。很多时候，只有当地裂缝持续发展到一个比较显著的阶段，其破坏作用和痕迹才如同构造断裂一样显而易见。图14(a)和图14(b)显示城市中或自然环境下地层因环境水位变化产生的地裂缝，地裂缝宽度分别为厘米和分米量级。图14(c)是2021年5月22日青海玛多M7.4级地震造成的地面大规模开裂。

现代城市中，与规模较大的地裂缝相比，频度更高、更易于发生的地质灾害是局部水土的流失现象。西安某地突然地面塌陷、车辆陷入其中就是最典型的证例。城市地面下，发生局部水土流失往往起因于降雨或其他地表水的渗漏，长期的冲蚀将地面下方、建筑物下方或邻近的土体带离原来的位置，改变了地下土体原始应力分布和承载状态，导致地面坍塌或建筑物严重灾害，如图15所示。

图14 地裂缝和地震断裂Fig.14 Ground fissure and earthquake rupture

城市中局部水土流失最基本的条件是地面下必须具备水流所需要的通道。近年来快速的城市化过程中，不同时期、不同用途、纵横交错的管线、上下水管道在土体不均匀应力和一定强度环境振动力的共同作用下加速老化，发生损坏、破裂、漏水，形成水土流失所需的通道。其中，最不容易被注意到的是城市排水系统的坏损。下水管道局部损坏、坍塌不仅为水土流失提供通道,也是很多城市老旧街道暴雨发生时出现积水的重要原因之一[36-38]。

据深圳市气象局2020年1月发布的2010—2019年深圳气候公报[39]，显示近十年深圳暴雨天数总体呈现上升趋势(图16)。其中一个严重的短时极端强降水事件发生在2019年4月11日，福田区与相邻的罗湖区成为受灾中心，降水量达到50～81 mm，如图17所示。同年5月27日的大暴雨导致深圳市多处发生地质灾害。

不同于地震时砂土液化的发生机理及其地基承载力快速消失的情况。很多地方水土流失往往需要经历一个比较长的过程，在这个过程中，地基承载能力缓慢且非匀速地被弱化，并逐渐在其上部结构的某些薄弱环节形成应力集中，给建筑物带来不可逆的变形或损伤。当损伤积累到某一临界值，最终形成某种可能被察觉的、突发的宏观灾害，包括断裂引起的振动，甚至建筑物的倒塌，就成为必然事件。需要强调的是水不仅带走建筑物下部土层，还侵蚀建筑自身的基础，导致混凝土钢筋的锈蚀和混凝土解体。这两种过程在时间上往往同时发生，形成叠加效应，从而加速了建筑物的宏观破坏。

图15 地面塌陷及其地质灾害Fig.15 Ground collapse and geological disasters

据最近媒体报道，美国佛罗里达州迈阿密一座售价高昂的尚普兰大厦，其南楼于2021年6月24日突然发生“垂直式”坍塌(图18)，图18(a)和图18(b)为尚普兰大厦倒塌前后的情况。大厦倒塌造成的死亡和失踪人数超过160人。该楼于1981年建成，早在2018年，一家专业工程咨询公司调查发现，不仅大楼的游泳池防水存在问题，而且地下室钢筋也已经大量锈蚀。但高额的维修费摊派方案一直未达成，迟迟未采取工程措施。也有分析认为与附近海水倒灌有关系。这些因素都离不开受水作用后的地基破坏和承载消失问题。

近年来有关建筑物倒塌的事件时有报道，究其原因无碍乎偷工减料、地基或结构不合格。问题主要出在建筑自身的质量上。因为，如果既没有建筑物结构及地基土层承载力的弱化和消失，也没有地震的直接破坏，其他因素能致使建设质量合格的建筑物发生整体倒塌的可能性几乎是没有的。即使爆破拆除也需要足够的专业技能。

城市中某条道路、某个街区地面之下的水土流失也许早在若干年前就已经开始，但城市的硬化地面掩盖了所有的过程，或者被视而不见。其实，硬化路面出现裂纹、发生破碎，甚至坍塌，在重修、重铺的过程中对其原因不可能一无所知。

图16 深圳2010—2019年逐年局地暴雨天数[39]Fig.16 Days with rainstorm from 2010 to 2019 in Shenzhen[39]

图17 深圳2019年4月11日极端强降水量分布图[39]Fig.17 Isohyetal map in Shenzhen on April 11,2019[39]

图18 美国尚普兰大厦公寓坍塌事故前后对比Fig.18 Comparison before and after the apartment collapse accident of Champlain Towers in USA

赛格大厦地基地质条件复杂，基坑开挖未遇到基岩。基坑底部所在深度(最大深度24.5 m)所在深度为第四系残积坡洪积层，深度和厚度变化明显，其顶层埋深0.20～13.00 m和厚度6.60～40.30 m，其透水性和自稳定性的差异较大[40-42]。赛格大厦建设之初，施工环境复杂，施工场地狭小、工期紧。建筑地下部分采用逆作法施工，地面部分和地下同时施工。基坑采用人工开挖，结构桩柱从地下24.5 m灌注到地面。地下室基坑北部距离25层高的宝华大厦6 m，西距华强北路10 m，东面4 m为5栋2～6浅地基混凝土结构。东南为22层电子大厦，南面为8层框架结构基础埋深为1.5 m的赛格电子配套市场，最近距离只有20 cm，场地周边分布各种市政管线[43-45]。

由此可见，受城市土地资源的制约，原设计高度接近400 m的赛格大厦的场地选址并不理想。其复杂的地质和工程环境为地基下部形成不利的水土作用，以及后期进一步在环境振动的作用下放大这些不利影响提供了更多的可能。

3 风荷载及其影响

风荷载是人类工程和建筑面临的频度最高的成灾因素，是大多数建筑物稳定性和安全性设计中首先需要考虑一种外力作用。赛格大厦为钢管混凝土及型钢组合梁框筒结构体系，是世界上钢管混凝土结构体系中的最高建筑[图19(a)]。大厦地上72层，地下4层，地面高度291.6 m，加上楼顶89 m高的钢构件天线，设计总高度为381 m。1999年9月底完工，但在紧随其后的国庆节期间，在微风下赛格大厦发生剧烈摇摆，后紧急拆除天线最顶部的26 m，目前总高355.8 m[45]。

当建筑物的高度和体量确定时，在决定建筑物抵御风荷载及抗震能力的多种因素中，建筑物的结构及外观形状至关重要[46]。一般条件下，建筑物平面及内部布局越对称和简单、立面的变化越少，建筑物的质量分布就越均匀，刚度和阻尼就越平衡，建筑物整体上更稳定，对抗震更有利[47-48]。例如，建成不久的北京地标建筑528 m高的中国尊[图20(a)]。反之，建筑物外观新颖、立面布局变化奇特，不仅会降低风载荷时的稳定性，也可能带来地震的安全性问题。与中国尊相邻的央视大楼是最典型的抗震不利结构之一[图20(b)]。这类特殊结构与同样高度和体量的建筑物相比需投入数倍的资金，才可能达到同样的稳定性和安全性。央视大楼仅234 m，不足中国尊的一半高[图20(c)]，但其造价可能远高于中国尊。

赛格大厦发生异常振动当天，当地的风力不大于3级，与1999年建成初次发生振动的风力相近。赛格大厦平面布局对称，但因顶部设有停机坪[图19(b)]，故将89 m高的天线竖立在楼顶的一侧，而不是在正中。同时，天线呈扁平状[图19(c)]，不仅破坏了大厦质量分布原有的对称性，也增加了风力下的涡流激振作用。由此带来的稳定性被严重破坏是形成大厦竣工之初在微风下发生剧烈摇摆的直接成因。

需要指出的是，赛格大厦在正常使用了20年之后才再次出现振动，说明顶部天线对稳定性的不利影响不会是此次异常振动的唯一成因。因为，在大厦启用至今的20年中，如果大楼内部结构或地基条件没有明显的变化，风载的不利因素不会再次凸显出来。

当初拆除天线最顶部的26 m之后，大厦的剧烈振动不再发生，但天线对稳定性的不利影响不会完全消除。另外，当年发生的强烈振动是否给大厦结构带来了损伤？在之后强风及不断增加的各种不利环境条件的影响下，是否引起新的结构损伤和积累？这些问题还需细致求证，并由专业团队逐一检测确定。

要排除大楼是否存在内伤，需要关注过去20年赛格大厦的各类维修记录。从反复报修的各类问题及其关系中去发现细节，包括漏水、漏电、修窗、补缝的记录。这种辅助手段有可能帮助判断建筑物是否存在损伤，并快速地聚焦于可能损伤原因和部位。作者之一居住在一幢90年代末建成启用的18层塔楼的顶层，多去7年以来，厨房顶部水平走向的上水钢管不断开裂漏水，尽管维修部门已经局部更换过，但或一年半载又出现漏水。同一根水管在邻居家也在报修。与之相应，入住之初在卧室墙面看到1 mm左右斜裂纹，随手画了几条十字交叉线，几年后裂缝已经有2 mm左右，并且开裂在水平和垂直方向都在发展，显示大楼存在某种方式的变形。与大楼变形的作用力相比，钢管的强度微不足道，就如同地裂缝对建筑物的破坏作用一样，不可抗拒。可以想象，这些局部墙缝即使继续扩展到5 mm或1 cm，达到内外贯穿透气、透光的宽度，如果测量整栋楼的倾斜和沉降，其指标大概率符合规定。

图19 深圳赛格大厦顶部天线Fig.19 Antenna on top of SEG Building

图20 抗震有利结构与抗震不利结构Fig.20 Advantageous aseismic structure and disadvantageous aseismic structure

赛格大厦目前的测量结果一方面显示大厦尚未处于某种更不安全的状态。但另一方面或许显示这些宏观参数还不能反映大楼可能已经存在的某些“不健康”现状，也不能揭示与赛格大厦异常振动成因相关联的微观要素。或许某一天当这些宏观测量值能够清晰、且直接指向赛格大厦异常振动成因的时候，更严重的灾害可能已经出现。为此，需要针对地基因素及自身的稳定性因素，确定与之相匹配的测量方法和测量精度，才可能有效地追索到造成赛格大厦异常振动的具体原因。

5月18—20日赛格大厦几天的异常振动都发生在中午到下午的某个相近时间段，是十分特别的现象，不能简单忽略。建筑物灾害发生的时间常常也是区分自然成因或人类活动成因的要素之一。不同于地震、降雨、大风等自然力可以发生在一天中的任何时间段，人类工程活动、城市各类施工作业大多在白天进行。但如果在这个特定的时间段，有足够的数据可以排除周边5 km范围其他振动干扰的存在，那么气温将是另一个最有可能引起振动事故的环境变量。

自然界中许多材料、特别是金属材料的热胀冷缩同样也是一种不可抗拒的作用力。在桥梁、铁路及其他需要考虑变形或位移约束的工程中都是不能忽视的。气温是自然界中变化最频繁的环境变量，且在每天的中午时分达到最高。但是，20年来气温变化每天都在发生，且周而复始一直存在。

因此，即使赛格大厦异常振动存在温度的影响作用，也不可能是其突然振动的单一成因，最多只是结构疲劳损伤或地基承载已经处于某种不稳定的临界状态时的一个触发因素。

4 结论和建议

现代城市中影响环境的不利因素越来越多，其相互叠加造成建筑物灾害的成因越来越复杂。因此，首先需要从宏观上确定各种影响因素的量级和可能结果，辨析筛选出最可能的致灾成因，之后再通过工程地球物理勘测手段和观测数据来排查和确定赛格大厦近期发生的异常振动的主要成因。

鉴于中国高层建筑的巨大拥有量，应该通过赛格大厦异常振动所揭示出来的问题为其他高层建筑物的安全评价提供有效的借鉴。结论和建议如下。

(1)经分析确定2021年5月18—20日深圳赛格大厦多次出现异常振动与地震无关。关注点应该集中于结构疲劳或地基存在明显不利条件的可能。需要开展全方位的细致的调查，找出影响赛格大厦稳定性和安全性的关键因素，确定其异常振动直接成因。并合理评估这些因素对该建筑物使用寿命的影响。

具体包括，排查大楼附近一定空间范围大型地基施工等可能引起的振动作用。重点关注大楼顶部巨型天线对楼体整体质量分布的改变及其长期在风载作用下可能造成大楼结构的损伤；采取必要的措施消除巨型天线的不利影响；同时，应关注大楼地基土层可能因其内部或相邻建筑物排水系统损坏引起的水土流失，并评估这一过程中不断增加的环境振动可能产生的综合影响作用。确定大楼底部土层和地基目前的“健康”状态。

(2)在分析赛格大厦异常振动问题时最大的缺憾是没有建筑内部以及附近的地面运动观测数据。没有观测数据的支撑，将无法确定振动的强度及其在不同方向的差异，无法确定振动的确切发生时间及持续时间，无法对比确定三次异常振动之间的变化关系，也无法对其可能的发展趋势给出有科学依据的判断。

目前中国的抗震规范中还没有强制要求高层建筑安装振动观测设备的条款[49]。这就意味着如果深圳赛格大厦异常振动再次出现或者类似振动在其他建筑物出现的时候，依然没有任何可供利用的观测数据来寻找发生振动的直接成因。

观测数据不仅是评价超高层结构稳定性及其动态变化的重要依据，也将是总结超高层建筑抗风、抗震经验最重要的基础资料。由于涉及数量众多的高层、超高层建筑的广泛安全问题，因此亟须改变观测数据严重不足的现状，必须加速完善相关规范的制订。将安装振动监测设备及其他有助于确定超高层建筑稳定性的应力、变形等监测设备作为超高层建筑申请审批的基本条件。同时，在已经建成的100 m以上的建筑内必须补充安装微震仪和强震仪，并设定合理的数量和时限。只有这样，才可能在灾害发生前及时察觉到建筑物存在的安全隐患，或在较短的时间内查清灾害发生的成因。

(3)高层、超高层建筑在中国的建设速度举世瞩目。仅仅30年中国超过150、200、300、400以至500 m以上的建筑总数在全球的比例均大于40%[50]。截至2018年，中国已连续23年保持全球200 m以上高层建筑最高产的地位。这一年新建200 m以上的建筑占全球54.4%。2018年新建88座占全球61.5%，远超出第二名13座的美国。其中，仅深圳市这一年以14座位居全球所有城市之首。

需要特别强调的是，近年来中国高层建筑的灾害事故频发。目前主要涉及火灾、电梯等事故和预防。尽管类似于赛格大厦异常振动报道的还不多，但必须注意到在全球范围内有关高层建筑振动灾害的数据十分有限。这对中国独立拥有如此之多高层建筑是十分不利的。

赛格大厦异常振动事件是一次重要的警示，随着建筑使用年限的增加，未来这类问题一定还会出现。与火灾或电梯等局部灾害相比，超高层建筑物的突然振动其影响是全局性的，对建筑物的稳定性和安全性都是严重的威胁。一旦发生更严重的振动或后续灾害，其结果将是难以控制的。不仅可能给民众的生命和财产带来巨大损失，而且由此引发的社会负面影响更将是不可估量的。

因此，需要全方位地核查并找出赛格大厦异常振动的主因和相关致灾要素，帮助相关部门做出科学决策，最大限度地避免更不利的结果发生。同时，还要从根本上降低高层建筑的安全风险。首先，要控制高层、超高层建筑的建设速度和总量。其次，还需要政府在建设规划和安全监控两个方面制定更加行之有效的措施。只有完善监控措施、提高监管力度，才能为中国现有的和还在继续建设的超高层建筑提供更全面和更可靠的安全保障。