裝配式建筑抗震問題的思考

文/林樹枝

地震造成的災(zāi)害是巨大的，每年全球各地都發(fā)生著或大或小的地震災(zāi)害，下圖顯示了全球一些比較大的地震中的人員死傷和經(jīng)濟(jì)損失情況。

地震災(zāi)害造成的生命財(cái)產(chǎn)損失

▲ 全球地震中的人員死傷和經(jīng)濟(jì)損失一覽

▲ 中國(guó)5.12與日本6.14地震傷亡對(duì)比情況

據(jù)2008年7月10日-14日在中國(guó)成都召開的中國(guó)5.12日本6.14地震震害、結(jié)構(gòu)抗震、災(zāi)后重建研討會(huì)數(shù)據(jù)顯示的傷亡人數(shù)（見上圖）所示，兩次地震相差1個(gè)月，雖然日本巖手地震釋放的能量遠(yuǎn)小于汶川地震，但死傷人數(shù)相差之大，令人震驚。

該次會(huì)議中，中國(guó)代表重點(diǎn)介紹了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑、磚混結(jié)構(gòu)建筑，強(qiáng)調(diào)只要按抗震要求設(shè)計(jì)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑、磚混結(jié)構(gòu)建筑可以抗震。外方代表重點(diǎn)介紹了新型建筑結(jié)構(gòu)體系（包括鋼結(jié)構(gòu)建筑、木結(jié)構(gòu)建筑）及減隔震技術(shù)。

汶川地震中房屋倒塌的教訓(xùn)

▲汶川地震中房屋倒塌的照片

總結(jié)汶川地震中房屋倒塌情況綜合有如下情況：

1） 汶川地震共倒塌房屋700萬(wàn)余間，其中80%是農(nóng)房；

2）農(nóng)村地區(qū)建筑物損毀要遠(yuǎn)高于城市建筑物，很多農(nóng)村的房屋倒塌率在90%以上；

3）農(nóng)村房屋建造不重視圈梁、構(gòu)造柱，在地震時(shí)，這種房屋往往在搖晃后，樓板脫落造成整體垮塌（如圖1所示）；

4）農(nóng)民建房一直以自建為主，從設(shè)計(jì)、施工到災(zāi)害保險(xiǎn)等幾乎所有環(huán)節(jié)，都處于無(wú)人監(jiān)督、隨意建設(shè)的狀況，農(nóng)村建筑呈現(xiàn)出整體上的“不設(shè)防”格局。 

地震發(fā)生時(shí)國(guó)內(nèi)媒體曾報(bào)道：北川縣城房屋倒塌很嚴(yán)重。

▲綿竹市遵道鎮(zhèn)鵬花村震前震后對(duì)比

其中，汶川縣城房屋倒塌極其嚴(yán)重，其中約1/3房屋嚴(yán)重受損；映秀鎮(zhèn)有不少房屋在地震中傾斜，局部房屋大面積垮蹋；耿達(dá)鄉(xiāng)倒房率在40%以上；綿竹市拱星鎮(zhèn)倒房較多，綿竹市區(qū)東北部、興隆鎮(zhèn)、富新鎮(zhèn)、五福鎮(zhèn)、齊天鎮(zhèn)、柏隆鎮(zhèn)的倒房率約20%至40%，綿竹市區(qū)東西部、什坊市倒房率在20%以下；青川縣再遭余震重創(chuàng)，房屋大面積倒塌；茂縣太平鄉(xiāng)倒房率約在10％至20%，部分區(qū)域倒房率在20%至50%；疊溪鎮(zhèn)倒房率較低，在10％至20%之間。城區(qū)也有不少的砌體結(jié)構(gòu)住宅倒塌。

總結(jié)受災(zāi)情況大致得出以下幾點(diǎn)教訓(xùn)：

1）地震死傷，絕大多數(shù)是被垮塌房屋壓死的、或被破損房屋砸傷的；

2）中國(guó)地震死傷人數(shù)較多，說明建筑質(zhì)量，中國(guó)相比發(fā)達(dá)國(guó)家差，特別是農(nóng)村地區(qū)的建筑質(zhì)量尤其差；

3）中國(guó)大量采用磚混結(jié)構(gòu)、或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建造住宅，重量大，地震力也大，加上施工質(zhì)量難于確保，地震時(shí)，住宅垮塌較多；

4）磚混結(jié)構(gòu)若沒有設(shè)置圈梁、構(gòu)造柱，就形不成結(jié)構(gòu)的整體性，抗震性能差，又沒有冗余度，抵抗不了連續(xù)倒塌，地震一來(lái)，很容易整體垮塌。

美國(guó)住宅建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)借鑒

住宅產(chǎn)業(yè)作為美國(guó)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的重要支柱，對(duì)拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起舉足輕重的作用。擁有住房的人，要比租房者有更強(qiáng)的責(zé)任感，更關(guān)心自己的社區(qū)。穩(wěn)定的社區(qū)植根于大量自有住房者的群體之中，因此鼓勵(lì)一切有能力的人買房是政府住宅政策的基石。

美國(guó)住宅建設(shè)大致有以下特點(diǎn)：

1）大量建設(shè)裝配式住宅；

2）形成集設(shè)計(jì)、制作、安裝、裝修為一體的住宅產(chǎn)業(yè)；

3）以住房建設(shè)促進(jìn)社區(qū)發(fā)展；

4）通過政府調(diào)節(jié)，保證居住政策上的公平。

木結(jié)構(gòu)在北美應(yīng)用較多，4層及4層以下的木結(jié)構(gòu)建筑在美國(guó)、加拿大很流行，多用于公寓、住宅等，有以下特點(diǎn)：

1）正交膠合木，膠合梁和柱，強(qiáng)度很大，可用于木桁架屋頂，實(shí)現(xiàn)大跨度；

2）鋼筋混凝土核心筒+木框架+木樓板，可建設(shè)高層建筑。

膠合木與成材相比，強(qiáng)度大，而且結(jié)構(gòu)均勻，內(nèi)應(yīng)力小，不易開裂和翹曲變形，還有較高的耐火性能，可解決部分大跨度、耐候防蛀問題。這種材料非常輕便和堅(jiān)固，而且由于抗剪能力提高，對(duì)抗震更有利，也更能支撐起大樓的重量。美國(guó)現(xiàn)代化的林業(yè)工程，采用疊合層技術(shù)，能夠幫助木材發(fā)揮更大的強(qiáng)度，更穩(wěn)定的性能。 

▲膠合木結(jié)構(gòu)建筑

無(wú)論是在美國(guó)的東部還是西部，均可見到大量的木結(jié)構(gòu)住宅。

在美國(guó)，住宅建設(shè)衍生出集設(shè)計(jì)、制作、安裝、裝修、整體廚衛(wèi)為一體的集成住宅產(chǎn)業(yè)，工廠化生產(chǎn)，工地現(xiàn)場(chǎng)安裝。原來(lái)量大面廣的是木結(jié)構(gòu)，但隨著木材價(jià)格的上漲，美國(guó)加大了鋼結(jié)構(gòu)住宅的推廣。目前，鋼結(jié)構(gòu)住宅，已經(jīng)成為集成住宅市場(chǎng)的主力。

美國(guó)對(duì)超高層住宅的建設(shè)一直很慎重。規(guī)劃建設(shè)之前，需綜合評(píng)估文、教、體、衛(wèi)、商業(yè)等配套要求，交通設(shè)施要求（道路、停車位等），以及市政設(shè)施要求。 

美國(guó)超高層住宅的建設(shè)主要集中在幾個(gè)大都市區(qū)，主要采用鋼結(jié)構(gòu)。

▲超高層住宅的規(guī)劃

借鑒美國(guó)住宅建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，可以引起我們的以下幾點(diǎn)思考：

1）發(fā)達(dá)國(guó)家的居民住宅以低層、多層為主，且大力推廣裝配式木結(jié)構(gòu)住宅、輕鋼結(jié)構(gòu)住宅，對(duì)增強(qiáng)房屋抗震能力，十分有利；

2）裝配式木結(jié)構(gòu)、輕鋼結(jié)構(gòu)，重量輕，吸收地震力小，地震時(shí)更不易垮塌；

3）結(jié)構(gòu)是由不同功能的基本構(gòu)件通過可靠連接組成的、能夠長(zhǎng)期安全可靠的承受各種荷載和作用的、合理的整體系統(tǒng)，裝配式木結(jié)構(gòu)、輕鋼結(jié)構(gòu)，只要連接節(jié)點(diǎn)可靠，就有很好的整體性；

中國(guó)人普遍不認(rèn)同木結(jié)構(gòu)作為住宅，不是因?yàn)槿鄙倌静?，而是因?yàn)闅v史上兵荒馬亂，燒殺搶掠，木制房屋不安全，這種觀念應(yīng)改變。

推廣裝配式+減隔震技術(shù)

▲（蘆山縣人民醫(yī)院門診綜合樓）

四川雅安地震，蘆山縣人民醫(yī)院門診綜合樓在地震中表現(xiàn)出良好的隔震效果，經(jīng)歷7.0級(jí)強(qiáng)震后，除了少許墻面乳膠漆層脫落，建筑內(nèi)部梁柱和墻構(gòu)件竟沒有出現(xiàn)任何裂紋，就連窗戶的玻璃沒有任何毀壞，成為震后地震區(qū)搶救傷員的主要醫(yī)院之一。

截至2014年，日本共有各類隔震建筑8,600幢，其中有不少是裝配式建筑。隔震建筑在日本的歷次地震中表現(xiàn)良好。臺(tái)灣的辦公建筑、居住建筑也應(yīng)用裝配式+ 減隔震技術(shù)（注：臺(tái)灣大學(xué)土木研究大樓是一幢全預(yù)制裝配鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)隔震大樓）。

▲（臺(tái)灣大學(xué)土木研究大樓）

綜上經(jīng)驗(yàn)，我們呼吁推廣裝配式+減隔震技術(shù)。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接存在薄弱環(huán)節(jié)，為了提升結(jié)構(gòu)的抗震能力，節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造的研究，應(yīng)與減隔震技術(shù)應(yīng)用結(jié)合起來(lái)。

裝配式減隔震抗震技術(shù)，在日本應(yīng)用很多。隔震，不讓地震力直接傳遞給建筑物，可減輕地震的搖晃約1/3左右，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)較為有利；減震，通過減震器對(duì)地震力產(chǎn)生阻尼，可減輕地震的搖晃約3/4左右，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)尤為適合。采用減隔震技術(shù)，可能會(huì)使裝配式建筑的節(jié)點(diǎn)連接變得相對(duì)簡(jiǎn)單。

▲裝配式+減隔震技術(shù)

我們?cè)趯W(xué)習(xí)國(guó)外裝配式技術(shù)的同時(shí)，也要把減隔震這樣的先進(jìn)技術(shù)結(jié)合進(jìn)來(lái)。把采用減隔震技術(shù)的裝配式結(jié)構(gòu)體系，作為裝配式建筑的創(chuàng)新技術(shù)。

在國(guó)內(nèi)，減隔震技術(shù)也已經(jīng)得到應(yīng)用，在一些常規(guī)的建造中，也積累了不少經(jīng)驗(yàn)，推廣應(yīng)用到裝配式建筑，會(huì)相對(duì)容易。廈門市已施工完成多個(gè)減隔震項(xiàng)目，并進(jìn)行了最大水平位移值的實(shí)際隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性試驗(yàn)，收到了良好的效果。

綜上所述，關(guān)于裝配式建筑抗震問題思考后可初步得出以下結(jié)論：

1）木結(jié)構(gòu)重量輕、抗震性能好，尤其適用于低層、多層住宅；

2）高層鋼結(jié)構(gòu)建筑，跨度大、斷面小、抗震優(yōu)，宜推廣；

3） 輕鋼結(jié)構(gòu)，抗震能力強(qiáng)，可借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)發(fā)展集設(shè)計(jì)、制作、安裝、裝修、整體廚衛(wèi)為一體的集成住宅；

4）預(yù)制裝配式砼結(jié)構(gòu)，應(yīng)重視節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、連接，加強(qiáng)整體性；

5）裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接存在薄弱環(huán)節(jié)，為了提升結(jié)構(gòu)的抗震能力，節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造的研究，可與減隔震技術(shù)結(jié)合考慮。