防恐建筑结构抗爆防护分类设防标准研究

所属栏目：建筑设计论文
发布时间：2022-02-16 10:47:17  更新时间：2022-02-16 10:47:17

　　当今世界，恐怖活动已成为国际社会安全的重大威胁，其中爆炸是最常见的恐怖袭击形式之一，给所在国家乃至全世界的政治经济环境和人民生命财产造成了巨大破坏和损失。据相关资料统计[1]，在 1968—1987 年 20 年间，爆炸袭击占全球恐怖活动的 57% 以 上; 1988 年，美 国 兰 德 公 司 的 研 究 报 告 指出[1]，当代国际恐怖主义最主要的几种活动方式中，爆炸 袭 击 约 占 50% ; 到 2002 年，这一比例已升至 65% 以上。近几年来，世界范围内各类恐怖爆炸袭击活动，特别是针对重要建筑结构的爆炸袭击更是愈演愈烈，对城市以及国家安全构成了重大威胁。

　　基于上述情况，建筑结构的抗爆防护已成为国际上的一个热点研究问题。众多国家的研究机构及学者在此领域开展了大量的研究工作，并制定了相关的抗爆设计导则。美国出版了多个用于建筑结构抗爆设计指导性文件( 技术手册等) ，即 TM5-855-1 [2]、结构抗核爆设计手册[3]、TM5-1300 [4]、工程防恐设计暂行规程[5]、新联邦办公楼防连续坍塌分析设计规程[6]和 FEMA 的 系 列 规 范( FEMA 426 [7]、FEMA 427 [8]、 FEMA 428 [9]、FEMA 452 [10] 和 FEMA 453 [11]) 等。除美国外，其他一些国家也开展了建筑结构防御恐怖爆炸袭击的工程技术研究，例如，澳大利亚安全研究网 ( RNSA) 和澳大利亚工程结构先进防护技术研究中心( APTES) 正在开展人为爆炸防护方面的研究[12]。

　　1 抗爆防护等级

　　在进行建筑结构抗爆防护设计时，需首先确定其应满足的防护等级。抗爆防护等级是根据建筑结构抗爆防护要求而进行的等级划分。建筑结构抗爆防护要求包括两个方面: 1) 抗爆设防烈度; 2) 抗爆设防烈度下的最低防护目标，即所允许的破坏程度。

　　1. 1 抗爆设防烈度抗爆设防烈度是指建筑结构在已有的防护距离下应抵御的爆炸规模，以 TNT 当量为度量。据统计，目前国际上恐怖爆炸袭击方式主要有直接炸弹/药、汽车炸弹、人体炸弹、邮件( 包) 炸弹和固定箱包炸弹，其爆炸方式和爆炸特点见表 1 [17]。本文对 20 世纪 80 年代以来世界上发生的部分典型或有重大影响的以建筑结构为目标的( 系列) 恐怖爆炸袭击事件进行了统计分析，表 2 给出了不同爆炸袭击方式的发生次数。由表 2 可知，在所有的恐怖爆炸袭击方式中，建筑结构最易遭受汽车炸弹的袭击，其对建筑结构的破坏最为严重。因此，本文主要考虑以汽车炸弹为袭击方式，研究建筑结构可能遭受爆炸袭击的 TNT 当量值，从而确定其抗爆设防烈度。

　　1. 2 抗爆防护目标根据建筑结构在爆炸作用下的破坏程度及其等级划分[14-17]和UFC 4-010-01 [13]、FEMA 453 [11]等规范的建议，将爆炸作用下的建筑结构破坏程度进行等级划分，见表 6。基于建筑结构的爆炸破坏等级，并主要考虑: 1) 恐怖爆炸袭击引起的建筑结构倒塌是造成巨大人员伤亡和财产损失的最主要因素，所以爆炸防护的最低目标应是保证结构不发生倒塌; 2) 爆炸作用是偶然荷载，要求结构在爆炸中基本无损并不影响使用，过于严格，也不经济。因此，本文提出的抗爆防护目标分三个层次，见表 7。

　　1. 3 抗爆防护等级结合表 5 的抗爆设防烈度和表 7 的抗爆防护目标，本文提出了建筑结构的抗爆防护等级，防护等级与基本抗爆设防烈度相对应，并要求建筑结构: 1) 在基本抗爆设防烈度的爆炸作用下达到第 2 层次的防护目标。建筑结构遭受高烈度爆炸的概率较小，考虑抗爆设计的经济性，可适当降低建筑结构在高抗爆设防烈度下的防护目标，故基本抗爆设防烈度为 5 度时，防护目标调整为第 1 层次; 建筑结构遭受低烈度爆炸作用的概率较大，为确保爆炸作用下人民群众的生命和财产安全，可适当提高建筑结构在低抗爆设防烈度下的设防目标，故基本抗爆设防烈度为 1 度时，防护目标调整为第 3 层次。 2) 在基本抗爆设防烈度提高 1 度的设防烈度下达到第 1 层次的防护目标。 3) 在基本抗爆设防烈度降低 1 度的设防烈度下达到第 3 层次的防护目标。综上，本文提出的抗爆防护等级如表 8 所示。

　　2 爆炸风险等级

　　本文采用风险分析的方法，比较不同类别建筑结构遭受爆炸作用的风险大小，得到典型建筑结构的爆炸风险等级划分。

　　2. 1 爆炸风险分析风险的概念源于 19 世纪末西方经济学领域，现已被广泛应用于环境科学、经济学、社会学、建筑工程等领域。直至今日，学术界对风险的定义仍未完全统一，不同研究领域的学者对风险有不同的定义[20]。但是，大多学者认为，风险包含三方面的含义: 风险事件、事件发生的概率及其可能发生的后果，即定义为: R = PfCf ( 1) 式中: R 为风险; Pf 为风险事件发生的概率; Cf 为风险事件发生后的损失。

　　2. 1. 1 抗爆重要性等级不同的建筑在社会生活中的地位以及对国家、省市的意义不同，遭受恐怖爆炸袭击所造成的影响程度也不尽相同，因此遭受爆炸袭击的概率也不同，所以应将建筑结构进行抗爆重要性等级划分。本文主要依据建筑结构核心功能在社会生活中的地位(因素1)、对国防战略和军事部署的意义(因素2) 、高峰使用时人员的数量( 因素 3) 和一旦遭受爆炸袭击所产生的次生灾害、社会恐慌等负面影响( 因素 4) ，将建筑结构抗爆重要性等级划分为四级，见表 9。

　　2. 1. 2 爆炸易损性影响建筑结构爆炸易损性的因素很多，本文仅考虑主要影响因素，包括建筑结构有无危险材料堆放、人口容量、可能造成的间接伤害、类型和高度等。引入易损度概念度量建筑结构的爆炸易损性，其表达式为:式中: L 为建筑结构的爆炸易损度; W 为建筑人口容量; P 为爆炸可能造成的间接伤害; S 为存在危险材料的等级; K 为结构类型; R 为结构的高度。

　　2. 2 爆炸风险等级基于建筑结构的抗爆重要性和爆炸易损性，其爆炸风险等级可分为极高、高、中、低、极低五个等级，见表 18。

　　3 抗爆设防标准

　　综合考虑建筑结构的抗爆防护等级和爆炸风险等级，建立建筑结构的抗爆设防标准，见表 19。

　　4 抗爆设防分类标准

　　恐怖爆炸袭击虽然会造成严重的建筑结构破坏和人员财产损失，但由于爆炸作用的偶然性，如果对所有建筑结构按照相同的标准进行抗爆设计，必然造成资源的浪费。因此，应根据我国现有技术与经济条件，在建筑结构抗爆防护设计中，划分不同的抗爆设防分类。本文依据建筑结构的重要性等级，将建筑结构划分为重点设防、标准设防、适度设防和不设防四类，见表 20。

　　建筑结构进行抗爆设计时，需根据其设防分类，对表 19 给出的抗爆防护等级进行调整，具体如下: 1) 标准设防是指重要性为二级的建筑，仅需依据建筑结构的爆炸风险等级，按表 19 给出的抗爆防护等级进行设防。 2) 重点设防针对重要性为一级的建筑，相同的爆炸风险等级下，建筑结构抗爆防护等级提高 1 级进行设防，防护等级已经为 1 级时，可将防护目标提高 1 个层次。 3) 适度设防针对重要性为三级的建筑，相同的爆炸风险等级下，建筑结构抗爆防护等级降低 1 级进行设防，防护等级已经为 5 级时，可将防护目标降低 1 个层次。 4) 不设防针对重要性为四级的建筑，设计时不需考虑抗爆防护。

　　5 结语

　　本文初步建立了一套适合我国国情的建筑结构抗爆分类设防标准，建立过程如下:

　　1) 统计分析已发生的典型爆炸袭击事件的规模，确定了建筑结构抗爆设防烈度。总结建筑结构在爆炸作用下的破坏特点，提出了抗爆防护目标。基于抗爆设防烈度和抗爆防护目标，提出了建筑结构抗爆防护等级。

　　2) 确定了不同类别建筑结构的抗爆重要性等级。考虑主要影响因素，确定了建筑结构的爆炸易损性等级。采用风险分析的方法提出了建筑结构的爆炸风险等级。

　　3) 依据建筑结构的抗爆防护等级和爆炸风险等级，建立了建筑结构的抗爆设防标准。

　　4) 依据建筑结构抗爆重要性等级，提出了建筑结构的抗爆设防类别，进而建立了建筑结构的抗爆分类设防标准。

　　参 考 文 献

　　[1] 孔新立，金丰年，蒋美容 . 恐怖爆炸袭击方式及规模分 析[J]. 爆 破，2007，24 ( 3 ) : 88-92. ( Kong Xingli，Jin Fengnian，Jiang Meirong. Analysis of way and scale of terroristic raid[J]. Blasting，2007，24 ( 3) : 88-92. ( in Chinese) )

　　[2] TM5-855-1 Fundamental of protective design for conventional weapons[S]. Washington DC， USA: Waterway Experimental Station， Department of the Army，1986.

　　《防恐建筑结构抗爆防护分类设防标准研究》来源：《建筑结构学报》，作者：丁 阳，方 磊，李忠献，师燕超