地震及建筑倒塌废墟模拟训练设施功能设计与实例分析_魏捍东

灭火指挥与救援地震及建筑倒塌废墟模拟训练设施功能设计与实例分析魏捍东1,何宁1,2,陈永胜3(1.公安部消防局,北京100054;2.北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083;3.上海市消防总队,上海200127)摘要:分析汶川和玉树地震中受损建筑物的震害特征,从实战救援的角度总结归纳砖(土)木结构、砖混结构、框架结构和轻钢结构等四类不同结构类型建筑物的破坏形态和倒塌模式。

介绍模拟训练设施设计原则与实战需求。

对俄罗斯紧急状态部179救援训练基地的搜救综合训练场、搜救单项训练设施(4号训练场)、石化场所建筑倒塌综合训练楼进行重点分析。

关键词:地震;建筑倒塌;搜救;模拟训练设施中图分类号:X913.4,T U998.1文献标志码:A文章编号:1009-0029(2010)09-0817-06我国属地震灾害较严重的国家之一,所发生的地震具有频度高、强度大、震源浅、分布广的特点。

据统计,我国的陆地地震约占全球陆地地震的1/3,因地震死亡的人数是全球地震死亡人数的1/2以上,地震中约95%的人员伤亡和财产损失是因建筑物倒塌、破坏所导致的。

近年来,我国各级人民政府依托当地特勤消防部队组建了26支省级地震救援队,配备了大量的专业化地震救援车辆装备,在汶川和玉树地震抢险救援中发挥了重要作用。

但是,随着地震及建筑倒塌救援工作的开展,相应的训练工作显得越来越重要。

目前,能够提供这方面专业训练的模拟设施尚处于起步阶段,许多省市虽建有建筑废墟训练场,但大多过于简单,功能不够完善,模式较为单一,无法开展有针对性、高难度的实战训练。

如何建设高仿真、动态化的模拟训练设施,已成为公安消防部队面临的一个重要课题。

笔者对汶川和玉树地震中大量受损建筑物的震害特征进行了分析,总结归纳了不同结构类型建筑物的破坏形态和倒塌模式,结合俄罗斯紧急状态部179救援训练基地设施情况,从实战救援的角度,提出了地震及建筑倒塌废墟搜救的功能设计思路和实战需求。

1常见建筑物结构类型与震害特征不同类型的建筑结构在不同的烈度区域受到的地震破坏程度不同,其震害表现也较为多样。

一方面缘于建筑物在强震作用下经历了复杂的受力过程;另一方面,缘于建筑物本身的结构类型、建筑质量、使用期限、抗震设防能力等情况的差异。

整体倒塌或部分倒塌的建筑废墟往往是救援队伍利用搜救犬和生命探测设备进行人员搜寻的重要区域对象,而倒塌建筑的构件和建筑内的障碍物则是救援队伍利用装备开展破拆、顶撑、起吊等作业的主要单体对象。

掌握不同结构建筑的倒塌特征和构件的损毁特点,对于进行人员生命迹象搜索、被困人员定位、现场安全评估以及构建救生通道具有十分重要的作用。

笔者重点对汶川和玉树地震中砖(土)木结构、砖混结构、框架结构和轻钢结构等四类建筑的震害特征进行分析,归纳上述四类建筑的主要损毁构件及其特点,以此为构建模拟训练设施提供设计思路和技术支撑。

1.1砖(土)木结构砖(土)木结构建筑主要包括砖木结构、土木结构等建筑,多为农村自建房屋,一般为单层建筑,结构形式比较多样,未经抗震设防,抗震能力较弱。

该类建筑在汶川、玉树地震重灾区震害十分严重,倒塌现象普遍,如图1、2所示。

砖(木)结构建筑主要受损位置为墙体和屋顶。

常见的损毁构件是横墙、纵墙、挑檐、梁与檩等。

主要震害表现为:墙体产生交叉裂缝,门窗过梁上部砌体开裂,窗间墙折断;纵墙和横墙连接部位开裂、倒塌,造成屋架塌落;檩条从墙体拔出,造成屋顶倾斜、塌落;屋顶过重,屋顶与墙体连结处折断,梁与檩滑脱,屋顶塌落、梭瓦。

1.2 砖混结构砖混结构建筑物在我国较为普遍,多为城镇的住宅楼、教学楼、办公楼以及小型厂房等建筑。

在砖混结构中,以大开间、大开窗、外走廊等建筑形式的震害最为严重,这些结构形式的建筑在重灾区普遍发生了严重破坏或整体倒塌,如图3、4所示。

砖混结构建筑的主要受损位置为墙体及墙体与其他构件的连接部位。

常见的损毁构件是横墙、纵墙、楼板、楼梯和屋顶等。

主要震害表现为:横墙、纵墙出现斜向或交叉/X 0裂缝、倒塌;外墙出现严重酥裂、外鼓、倒塌;楼梯间、楼板和墙体之间出现裂缝、塌落;出现局部倒塌或整体倒塌的情况。

1.3 框架结构框架结构建筑形式多样,主要包括框架-砌体混合结构、框架-剪力墙结构等建筑。

由于框架结构本身具有较好的抗震性,因此,大多数框架结构的主体结构震害较轻,一般在低烈度区内受到的破坏较小,在烈度X 度区以下也很少见到框架结构倒塌的情况。

但在重灾区的极震区,如汶川8.0级特大地震中,北川县城等XI 度高烈度区框架结构严重破坏和倒塌比例较高,如图5、6所示。

框架结构建筑的主要受损位置为门窗洞口斜角,填充墙与框架之间,柱头、柱脚、梁柱交接处,楼板间、楼梯间等。

常见的损毁构件是填充墙、梁、柱、楼板、楼梯横梁等。

主要震害表现为:门窗洞口斜角部砌体粉碎;填充墙与框架之间墙体裂缝、倒塌;框架弯曲变形、剪切裂缝;梁、柱混凝土破碎、掉块,钢筋外露、压曲;梁、柱破坏严重、倾斜、酥裂、倒塌;楼梯与主框架因变形不协调在连接部位裂开、拉断;在强震区因地基失效或设计施工中明显差错,导致框架房屋倒塌。

1.4 轻钢结构轻钢结构建筑自重较轻且强度较大,抗震能力相对较强,震害较轻。

该类建筑多为仓储用房、大跨度厂房以及体育馆等建筑。

在汶川地震中,由于灾区的不少厂房及仓储用房的跨度较大、屋架较重、柱间连接较弱,加上年久失修等原因,所以垮塌也相对较多,如图7所示。

图7 汶川地震中倒塌的东方汽轮机厂厂房轻钢结构主要受损构件为主体支座、柱间支撑连接节点和钢梁。

震害主要表现为:柱间支撑连接被拉断,屋架或组合楼板变形坍塌;节点连接破坏,钢梁、柱扭曲变形倒塌;地脚螺栓拔出破坏;围护墙倒塌破碎等。

此外,城市供气、供水、供油、供电等生命线工程以及石油化工企业中输送危险物料管道、装置在震后也极易造成损坏,甚至导致火灾、爆炸、危险化学品泄漏等次生灾害发生。

如:1923年日本关东地震和1995年阪神大地震就是地震导致的火灾发生。

由于该类场所和设施不具有建筑结构的共有特性,所以笔者未进行分析和讨论。

建议该类场所和设施的人员搜救模拟训练设施建设可参照管道及狭小空间训练设施建设模式,次生灾害的模拟训练设施建设可参照火灾扑救、排爆、危险化学品堵漏、潜水等专业性训练设施建设模式,如火幕墙训练设施、危险化学品堵漏训练设施、烟热训练室、潜水训练池等。

2模拟训练设施设计原则与实战需求2.1设计原则根据震后不同结构建筑的倒塌特征和构件的损毁特点,设计震后建筑倒塌的废墟形态和被困人员的生存空间,还原地震灾害模拟救援现场环境,是地震及建筑物倒塌模拟训练设施建设的最终目标。

地震及建筑物倒塌模拟训练设施可根据不同结构建筑分类建设砖(土)木结构、砖混结构、框架结构和轻钢结构等一定数量和规模的建筑废墟,根据实战训练科目要求设置钢筋混凝土、梁、架、柱、楼板、砖石等一定数量和种类的障碍物,以及监控摄像头、观测孔和报警装置等确保训练安全的控制设施。

一般建筑倒塌事故模拟训练场所的面积不应小于300m2,建筑残垣不宜低于3层普通建筑物,具备层叠式倒塌、倾斜倒塌、/A0形倒塌、/V0形倒塌、90b倒塌等局部倒塌或完全倒塌模式,并且在非承重部位设置楼板、柱、梁、墙体等各种类型的障碍物,在人员被困空间填充废旧家具、家电、管道、灯具等室内常见物品,形成各种受损建筑构件及室内障碍物杂乱、缠绕和相互挤压的形式,以增加搜救和破拆难度。

此外,训练场前沿应设置足够宽度的消防车道或空地,以停靠重型抢险救援车辆以及举高车辆。

建设中还应结合本地需求,统筹考虑建设规模、经济性、复杂性、逼真度、层次感,既可以设计成区域性的综合性训练场区,也可以建设为具有特定功能的单个训练设施;既可以是地上单层建筑废墟或多层建筑废墟,也可以是地下、水窖以及石油化工厂区等特殊场所废墟。

地震及建筑物倒塌模拟训练设施建设的前提是安全性,关键是仿真,灵魂是便于训练,只有将三者紧密结合,才能设计真实、完美的模拟训练设施,真正体现从难、从严和科学施救的内涵。

同时,设计和建设中还要确保模拟训练设施的可维护性、训练的可重复性。

譬如,在不改变建筑设施结构的前提下,可以对楼板、钢筋混凝土块、横梁、木柱、铁丝网、门窗等震后建筑物主要易损毁构件重复更换,并根据不同层次受训人员和不同训练阶段的要求,随机设置障碍物种类及建筑废墟空间大小,以调整搜救难度。

此外,模拟训练设施建设还要处理好临时性与永久性的关系(如临时搭建的构筑物与永久性固定训练设施)、单一性与多样性的关系(如专门的搜索训练和搜救一体化综合训练)、单体设施和区域设施的关系等。

2.2训练科目需求地震及建筑倒塌搜救的常见训练科目可分为体能训练、技战术训练和综合实战演练三类。

体能训练包括基础体能训练和专项体能训练。

基础体能训练重点是训练消防员的速度、力量、柔韧等基本运动素质,提高其各个器官的机能,并使其身体得到均衡发展,以适应地震灾区现场生存和实战救援等多方面需要;专项体能训练重在提高消防官兵在地震救援现场某一特定的运动技能,如攀岩训练、高空绳索救援训练等。

技战术训练主要是针对地震及建筑倒塌废墟中人员搜救的相关技术、战术训练。

包括人工搜索训练、仪器搜索训练、搜救犬搜索训练等,以及建筑废墟安全性评估训练、楼板或墙体等障碍物的顶撑、开凿、切割训练,烟雾或火灾环境下救援训练,有毒有害环境下救援训练,夜间照明状态下救援训练,管道、坑道以及狭小空间的救援训练,废墟上行走及伤病员输送训练,大型救援和清障车辆操作及应用训练,等等。

综合实战演练是模拟特大地震发生后,建筑倒塌、火灾、爆炸、危险化学品泄漏、交通事故、空难、水难等多种灾害交叉发生情况下,需要多种力量联动作战、协同救援等综合性的演练,是对地震搜救中救援人员的体能训练、技战术训练等受训内容的综合反映。

3地震及建筑倒塌模拟训练设施建设实例分析目前,美国、俄罗斯、日本、瑞士、德国、法国、韩国、新加坡等国家建立了具有一定规模的地震救援训练基地。

我国地震系统也在北京建立了国家地震救援训练基地。

2009年3月和5月,笔者曾先后两次赴俄罗斯参加上海合作组织救灾部门专家会议和/2009上合组织-博戈罗茨克0联合救灾演习,实地考察了俄罗斯紧急状态部179救援训练基地。

该基地建有空难救援、水难救援、列车事故救援、高层建筑火灾扑救、石油化工火灾扑救、森林火灾扑救、地震及建筑倒塌废墟搜救等多种灾害事故的模拟训练设施,是目前世界上规模较大、训练设施种类较齐全的基地。

其中,仅地震及建筑倒塌废墟模拟训练设施就有近20座,笔者仅对具有代表性的搜救综合训练场(1号训练场)、搜救单项训练设施(4号训练场)、石化场所建筑倒塌综合训练楼进行重点分析。

3.1搜救综合训练场(1号训练场)搜救综合训练场由钢筋混凝土梁、柱、楼板、砖石等搭建而成,模拟钢砼多层建筑倒塌、房梁楼梯断裂、墙体开裂等各种整体、局部破坏形式和因建筑倒塌造成的人员被困、埋压现场。