农村现代化建设背景下甘孜州白藏房抗震设防应用

2023-06-29李秋燕曾丽云倪文俊胡地强文祥舒楠朱月罗梦娇

四川建筑 2023年1期

关键词：甘孜州抗震房屋

李秋燕曾丽云倪文俊胡地强文祥舒楠朱月罗梦娇

为对四川甘孜州地区白藏房进行抗震加固研究，介绍了甘孜州房屋受地震作用的现状，分析了传统土木结构在地震作用下的破坏形式，论述了土木结构民居建筑的抗震加固措施，通过在加固、重建过程中加入BIM技术，降低试错成本，提高工作效率。

抗震加固; 白藏房; BIM

TU352.1 A

［定稿日期］2022-05-05

［作者简介］李秋燕（2001—），女，在读本科，研究方向为BIM施工管理及抗震设防。

四川甘孜藏族自治州位于四川省地震最多、地震等级最高的鲜水河地震带，其强度、破坏烈度堪称全川之最［1］。自1630年以来，在这条地震带上发生7级以上地震达9次［2］，2020年甘孜州发生2级以上地震共计379次。2020年4月1日甘孜州发生5.6级地震，造成15个乡（镇、场）、84个村、790户房屋不同程度受损［3］。甘孜州乡城县的传统白藏房木结构民居抗震性差且耗费木材量极高，既不能满足基本的安全，也对当地的生态环境破坏巨大。为了响应中央一号文件《关于全面推进乡村振兴加快农村农业现代化建设的意见》，全面贯彻十九大提出的“实施乡村振兴战略”，提升甘孜州民居的抗震性及安全宜居性。本文根据GB 50011-2010（2016年版）《建筑抗震设计规范》JGJ 116-2009《建筑抗震加固技术规程》提出针对甘孜州白藏房的加固改造方案。

1 文献综述

1.1 抗震加固

20世纪以来，国内共发生6级以上地震近800次［4］，土木结构的建筑受损情况最为严重，引起了政府和学者们的高度重视。因此，如何对土木结构进行抗震加固的研究逐步深入。2009年6月18日，住房和城乡建设部颁布了JGJ 116-2009《建筑抗震加固技术规程》，其中详细编写了不同结构房屋的加固方法、加固设计及施工办法，为抗震加固技术提供了标准。传统的加固方法包括：增加构件使局部加固、加大建筑截面整体加固、加固结构、隔震加固和减震加固等。邓明科、张思海等［5］学者提出了高延性材料加固法、斜撑加固法、剪力墙加固法。越来越多的抗震加固构件采用新材料、新技术，例如碳纤维加固法，高强不锈钢绞线加高强聚合物砂浆加固法等［6］，这些方法推动了我国抗震加固研究的历程。

1.2 BIM技术

BIM技术是通过创建建筑信息模型实现信息共享和传递的一种技术，其最大的特点就是可视化和可协调性［7］。从建筑的设计阶段到施工阶段再到信息化管理，BIM技术实现了科学化、数据化管理，提高了工作效率、節约了成本。山东建筑大学土木工程学院应用BIM技术建立抗震支吊架构件库，通过二次开发技术对抗震支吊架进行智能布置与编码，实现自动生成二维码、导出物料清单等功能［8］。浙江省温州市文成县人民医院运用BIM技术，得出最佳管道综合及抗震支吊架的布置方案，达到管线排布整齐、检修空间充足、抗震支吊架布置合理的效果［9］。在未来的发展中，BIM技术的应用领域不断扩张，运用模式不断创新，并与大数据、云计算、激光扫描等技术融合，推动建筑行业数字化发展。

2 白藏房抗震问题分析

2.1 建筑选址存在安全隐患

在建筑依托的地形方面，甘孜州境内地势高亢，居民建房很少考虑场地地基的稳定性，对建房的选址没有专业的考量，依山修建房屋常常会面临滑坡、泥石流等地址灾害。白藏房主要分布在乡城西南面，大部分建在河边和台地上，海拔在2 800 m左右。

2.2 建筑设计缺乏专业知识

白藏房是甘孜州乡城县的“三绝”之一，是当地特色民居建筑［10］。在设计方面，建筑高度一般为3～5层，平面有方形、矩形、回字形等。房屋整体为梯形，墙体平整光滑［11］。虽然白藏房外观设计具有独特的民族特色，但建造几乎不考虑房屋场地的稳定性和结构的抗震性能，危险性较高。建造人员基本上为当地无任何专业资质证书的“施工队伍”，几乎不具备专业的建筑设计知识，仅凭经验来建造房屋。

2.3 建筑结构和材料缺少抗震考虑

在建筑材料方面，白藏房多采用石木或土木混合结构，传统白藏房的建造需要大量树木，墙体是用湿度适宜的普通泥土通过夯筑而成，室内木桩密架。夯土墙体向上倾斜且厚重，内部采用梁柱框架结构，屋顶采用平屋顶［12］。其内部所有隔墙（非承重墙）墙材料使用的是泥土实心砖，重量大，藏民只是简单把其用于填充隔墙，完全没有拉结、构造柱等构造措施，构造方式没有专业技术指导，抗震构造措施缺乏，抗震能力非常弱，大多数房屋面临倒塌的危险。一旦发生地震，极易造成生命财产损失［13］。

因此，在对白藏房的抗震加固过程中，需要采用BIM技术模拟工程设计对其进行建模和结构分析，模拟结构可能出现的情况。还应重视民族民间文化遗产的传承保护工作，因此需要在改造过程中避免破坏其传统外观。

3 甘孜州白藏房的抗震设防技术分析

甘孜州抗震设防烈度为8度。既有砌体抗震鉴定加固以GB50023-2009《建筑抗震鉴定标准》的设防标准为目标，即在遭遇相当于抗震设防烈度的地震影响时，一般不致倒塌伤人或砸坏重要生产设备，经修理后仍可继续使用［14］。

3.1 场地选择

选择场地至关重要，建造房屋时就避开危险地段，可以降低遭受地震灾害的概率。结合《房屋建筑工程抗震设防管理规定》白藏房选址重点考察和避开几种不利场地（表1）。

除了考虑上述因素外，还应当注意一些容易被忽视的问题。例如远离枯萎的高大树木；房屋间的距离不应太近，两房之间的距离至少要等于房屋的高度；应尽量避开高压电线铁塔、水塔、通讯塔等高大的建筑和塔架。

3.2 基础选择

基础是房屋埋在地下的部分，在房屋主体结构之下，地基之上，起到传递建筑物重量的作用。地基材料常为土或基岩，能直接承受建筑物荷载，其作用是将建筑物荷载安全地传递到支撑地层，并使荷载分散到足够大的地层面积上。一幢房屋的地基除了承受房屋全部重量以外，地震时房屋所受的地震力也会全部传到地基上［15］。如果地基承载能力不足，基础整体性不好，房屋结构就会遭到破坏。对甘孜州乡城的房屋改造以毛石基础、砖基础最为适用（表2）。

3.3 地基加固

甘孜州的土壤主要是红壤，而且酸性较强，此外酸性土壤质地松软，土壤黏性强。甘孜州温度较低，干旱和湿润程度较为适宜，属于青藏高原气候。当地震作用传递至建筑范围内时，首先是作用于地基土体之中，因此需要对甘孜州民居的住宅房屋地基土体进行加强。针对甘孜州的情况，选择的是桩基础处理法。CFG桩（CEMENT FLY - ASH GRAVEL PILE）复合地基是一种人工处理地基，将用一些强度和模量均较高的材料作为增强体嵌入天然地基中，上部建筑物结构的荷载通过基础传至地基中，原土体及增强体共同承担由上部结构传来的荷载［16］。CFG桩复合地基作为软土处理的一种手段，加固作用更加突出，主要优点包括：承载力高、产生沉降量小、可快速稳定，在一定程度大大缩短施工周期，同时兼具减小地基不均匀变形的作用，适应性强。

3.4 房屋结构加固

甘孜州的乡城白藏房建筑群落是目前已知全国最大的夯土建筑群。白藏房属于土木结构，藏房墙体是用湿度适宜的普通泥土通过夯筑而成，也称夯土墙。在响应国家关于绿色发展理念以及保护当地传统民居特色的情况下，选择了能最大程度保留白藏房传统外观和材料的结构——新型生土复合墙结构，既改善了民居建筑结构，也建造具有新型設计理念并符合当地传统文化的民居。新型生土复合墙结构是由生土复合墙板，隐形框架和楼板装配而成的一种住宅结构体系。生土复合墙板从内部对隐形框架提供承载力支撑，对其变形起到反约束作用，两者相互结合工作时，可抵抗水平荷载，充分发挥各自的性能，保证结构整体的稳定性。在生土复合墙板内，填充的砌块和框架共同受力，砌块受力产生的裂缝被限制到一定范围之内，在反复荷载作用下，之前产生的裂缝又将在反向作用力下趋于闭合，继续承受荷载，因此墙板的承载力不会明显下降［17］。其次，当受到地震荷载时，砌块产生的裂缝和变形，将吸收和耗散大量能量，起到消能减震的作用［18］。

3.5 其他加固方法

在中国农村地区，大多数农村房屋采用的抗震设防构造措施较为简单，抗震能力相对较差，在地震中受损严重。比如在白藏房的建造和维修中，添加阻尼器和聚氨酯保温板，经过合理的设计和加工，以提高农村民居建筑的抗震保温功能。

目前大多数的建筑结构依靠建筑物自身吸收地震产生的能量来减少地震破坏，建筑的梁和柱等受到的力无法被迅速消耗。一旦地震强度超过一定值，结构会进入弹塑性状态，严重时可能造成构件屈服和破坏。阻尼器是指安装在房屋建筑体系中的一种特殊装置，能够吸收地震产生的力，使地震力在极短的时间内消耗殆尽［19］。比如软钢阻尼器是一种实用的抗震阻尼器，应用范围一般不受建筑形式、楼高以及平面范围等影响。

传统房屋结构的墙板大多使用砖混结构，自重大，保温隔热差。聚氨酯材料的保温隔热效果好，价格低，同时聚氨酯材料的密度很低，耐水，不易溶解，使用寿命长的特点［20］。通过改性后的聚氨酯材料的各种化学与物理特性会更加优良，应用方面会更加广泛，是建筑通用的主要保温材料［21］。

4 BIM技术在抗震设防中的运用

传统的山区居民用房，无工程结构抗震和加固的检测，一旦发生，修复难度较大，耗费时间较长，因此可通过BIM技术对工程设计进行模拟（图1）。

4.1 设计施工

BIM技术为建筑模型信息化提供了载体［22］。BIM技术应用于已有建筑结构时，工程师通过BIM模拟工程设计与建造过程，并模拟结构在后续项目实施中可能出现的错误与问题。以此减少资源浪费并节约试错成本，缩短项目的周期，降低成本，在一定程度上提高了整个项目的工作效率。

在白藏房设计项目中，前期对施工现场的勘查，便可运用BIM技术获取场地信息并对其进行分析，更准确地确认建筑周围的环境情况、建后的交通流量以及建筑物的空间位置等，有效解决大量数据处理迟缓而出现弊端的诸多问题［23］。

BIM技术在项目建设阶段起到重要的管理作用。可通过相关流程模板或一些相关的编辑器，划分出不同的施工阶段，从而提高项目的施工速度。

4.2 抗震检测

4.2.1 建筑抗震监测

现阶段的设备难以实时对地震其进行监测。当建筑使用BIM技术之后，便可获得大量持续监测的建筑数据，从而进行建筑健康状况分析和抗震监测研究。现阶段国内已有多家企业可以做到实时监测建筑的信息。对裂缝宽度与深度、建筑的侧移、建筑的震动频率、建筑倾斜度等相关参数进行监测与整合，形成统一的测量标准［24］。例如北京大兴国际机场航站楼核心区工程信息化管理应用BIM5D管理平台，研究将各专业软件创建的模型在BIM平台中转换成统一的数据格式，依托BIM模型和平台，将发现的质量安全问题应用平台，在BIM模型上直接定位截图，实现移动端实时管理，通过移动采集信息，实时记录问题［25］。

4.2.2 建筑结构的检测

BIM技术在建筑结构实施抗震加固的方案过程实施时，能够通过系统对建筑结构进行自动评估与检测，从而筛选工程中可能存在的一些不足之处，智能化解决建筑结构抗震加固中出现的问题，减少复杂的检测流程。

5 结束语

对甘孜州白藏房进行抗震加固和分析，得到结论：

（1）将在危险地区的房屋转移至安全地区，选择毛石基础或砖基础加固原有的基础结构，采用CFG桩复合地基加固地基。

（2）在原有夯土墙的基础上，采用新型生土复合墙结构对房屋结构进行加固。既能保留原有白藏房的传统外观，又能提高抗震性能。

（3）在局部加固上，采用软钢阻尼器和聚氨酯保温板，提高抗震性的同时也提高了房屋的保温性能。

（4）针对既有建筑的加固，采用BIM技术可以避免设计冲突，降低试错成本；在施工阶段提高工作效率。通过实时检测建筑情况，做到抗震监测。

参考文献［1］孙惠霞.广播电视在抗震救灾中的作用—以汶川地震和康定地震为例［J］.西部广播电视.2016（24）：57.

［2］陈相兆，孙柏涛，闫培雷.四川康定6.3级地震灾害分布特点及结构震害简析［J］.地震工程与工程振动.2017（2）：1-9.

［3］四川石渠5.6级地震：790户房屋不同程度受损［EB/OL］.中国新闻网.HTTP：//T.M.CHINA.COM.CN/CONVERT/C_ZC865B33.HTML

［4］王海鹰，欧阳春，孙刚.地震应急期关键应急处置业务的时序特征［J］.华北地震科学.2014.32（1）：59-64.