美國建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的歷史和今天

周健

前言

地震是各種自然現(xiàn)象中最具破壞性的，也是最難以預(yù)測的。破壞性地震發(fā)生在人口密集地區(qū)，往往會(huì)造成人員傷亡和大量的財(cái)產(chǎn)損失。截至2015年，大約有一半美國民眾要面對(duì)潛在地震引發(fā)地震動(dòng)所帶來的損失（USGS， 2015）。在地震危險(xiǎn)區(qū)居住的人口逐年增加，這意味著地震事件帶來的潛在損失越來越高。據(jù)聯(lián)邦應(yīng)急管理署（簡稱FEMA）的估算，美國每年的估計(jì)地震損失額（也稱為“年均地震損失”AEL）已達(dá)到61億美元。在這其中，55個(gè)美國大都市圈的AEL要占到85%（FEMA，2017）。圖1展示了美國各個(gè)地區(qū)所面臨的地震危險(xiǎn)。

圖1 美國的地震危險(xiǎn)性資料來源：International Code Council （2018）

雖然地震的襲擊無法阻止，但人們可以采取應(yīng)對(duì)措施來減少地震造成的生命財(cái)產(chǎn)損失，這其中最重要的就是應(yīng)用最新的建筑設(shè)計(jì)規(guī)范。就像抗震專家們反復(fù)強(qiáng)調(diào)的：“地震本身不會(huì)傷人，但倒塌的建筑卻要人性命?！?/p>

通過建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范提高抵御地震災(zāi)害的能力

在美國，建筑設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定了應(yīng)如何設(shè)計(jì)、建造、改造和維護(hù)建筑物。這些規(guī)定是保障建筑居住者健康與安全的最低要求。聯(lián)邦政府不負(fù)責(zé)這些建筑設(shè)計(jì)規(guī)范的適用范圍，而是由州和各地方的行政當(dāng)局決定是否采用并推動(dòng)執(zhí)行。事實(shí)證明，對(duì)于一個(gè)社區(qū)來說，采用并強(qiáng)制實(shí)施最新的建筑設(shè)計(jì)規(guī)范是最有效的地震減災(zāi)策略之一。在過去的一個(gè)世紀(jì)里，建筑設(shè)計(jì)規(guī)范中的地震條款幾經(jīng)更新，大幅演進(jìn)。1927年的《統(tǒng)一建筑規(guī)范》（Uniform Building Code，UBC）中首次給出了抗震設(shè)計(jì)的條款。1949年版的《統(tǒng)一建筑規(guī)范》包含了第一張美國地震危險(xiǎn)性地圖。1976年版《統(tǒng)一建筑規(guī)范》中加入的新條款是根據(jù)1971年發(fā)生的圣費(fèi)爾南多地震的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)總結(jié)而成的。當(dāng)時(shí)新建的Olive View酒店在地震中發(fā)生了嚴(yán)重破壞（圖2）。酒店在震后被拆除并按照更加抗震的結(jié)構(gòu)形式重建，重建的酒店在1994年北嶺地震中僅受到了輕微的結(jié)構(gòu)損傷（圖3）。圣費(fèi)爾南多地震暴露出了當(dāng)時(shí)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范條款所存在的不足，并最終促成了“美國國家地震減災(zāi)計(jì)劃”（National Earthquake Hazards Reduction Program，NEHRP）的啟動(dòng)。

圖2 圣費(fèi)爾南多地震造成新建的Olive View酒店嚴(yán)重破壞（資料來源：USGS，2003）

圖3 重建的Olive View酒店在1994年北嶺地震中僅受到了輕微的結(jié)構(gòu)損傷（資料來源：USGS，2003）

到了20世紀(jì)90年代，地震條款的使用變得更加普遍。其中有3個(gè)建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范被廣泛應(yīng)用。這三個(gè)規(guī)范均包含抗震條款，分別是：

1.國家建筑官員會(huì)議（The International Conference of Building Officials，ICBO）發(fā)布的《統(tǒng)一建筑規(guī)范》（即UBC），主要為西部各州所采用。

2.國際建筑官員與規(guī)范管理人員聯(lián)合會(huì)（The Building Officials and Code Administrators International， Inc.，BOCA）發(fā)布的《BOCA國家建筑規(guī)范》（BOCA National Building Code，BOCA/NBC），主要為東北部和中部各州所采用。

3.南方建筑規(guī)范國際委員會(huì)（The Southern Building Code Congress International， Inc.，SBCCI）發(fā)布的《標(biāo)準(zhǔn)建筑規(guī)范》（Standard Building Code，SBC），主要為東南部各州所采用。

1994年，這三個(gè)地區(qū)性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的發(fā)布機(jī)構(gòu)組織成立了“國際規(guī)范委員會(huì)”（International Code Council，ICC），為全美制定了一套統(tǒng)一的國家級(jí)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范以降低建筑設(shè)計(jì)建造的成本和復(fù)雜性。2000年，ICC發(fā)布了首個(gè)國際通用的建筑設(shè)計(jì)規(guī)范——《I-Codes規(guī)范》，并每3年對(duì)規(guī)范進(jìn)行一次修訂?！禝-Codes規(guī)范》包括《國際建筑規(guī)范》（International Building Code，IBC）、《國際住宅規(guī)范》（International Residential Code，IRC）、《國際既存建筑物規(guī)范》（International Existing Building Code，IEBC）和 其他標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。其中2015年和2018年版《國際住宅規(guī)范》是針對(duì)獨(dú)立式單層和兩層民居以及聯(lián)排民居的，2015年和2018年版的《國際建筑規(guī)范》針對(duì)的是更大型更復(fù)雜的民居以及其他住宅和非住宅類房屋。這兩款規(guī)范均包含最新的抗震設(shè)計(jì)條款和參考性標(biāo)準(zhǔn)。

今天，美國大多數(shù)的州和社區(qū)都應(yīng)用了囊括建筑設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)以及抗震參考性標(biāo)準(zhǔn)的《I-Codes規(guī)范》（FEMA， 2019）?！禝-Codes規(guī)范》不斷地將最新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)收錄其中，如美國土木工程師學(xué)會(huì)（American Society of Civil Engineers，ASCE）結(jié)構(gòu)工程研究所（Structural Engineering Institute，SEI）的第7號(hào)標(biāo)準(zhǔn)《建筑和其他結(jié)構(gòu)物的最小設(shè)計(jì)荷載和相關(guān)準(zhǔn)則》（Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures，ASCE/SEI 7）提供了建筑和其他構(gòu)筑物的地震工程設(shè)計(jì)需求以及其他防災(zāi)和設(shè)計(jì)荷載方面的規(guī)定。

美國每年有大量的住宅和其他建筑在地震高危險(xiǎn)區(qū)和極高危險(xiǎn)區(qū)建設(shè)。根據(jù)美國統(tǒng)計(jì)局建筑許可調(diào)查的數(shù)據(jù)，這些地區(qū)的住宅開工許可數(shù)量從2010年的每年約17000件增長到了2018年的每年約25000件。采用并強(qiáng)制實(shí)施最新的國家級(jí)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范條款是降低社區(qū)地震風(fēng)險(xiǎn)的最重要措施。相對(duì)于沒有按照規(guī)范、采用過時(shí)的規(guī)范或沒有完全按照規(guī)范進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的建筑，按照最新版本的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的新建建筑具有更好地抵御地震災(zāi)害的能力，而這也意味著社區(qū)地震韌性的提升。民眾可以聯(lián)系州或地方行政當(dāng)局的建設(shè)部門以確認(rèn)所在的社區(qū)是否采用了最新的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。

旨在減輕地震風(fēng)險(xiǎn)的聯(lián)邦級(jí)合作計(jì)劃“美國國家地震減災(zāi)計(jì)劃”

地震無法避免，但人們可以減輕地震造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。美國國會(huì)于1977年批準(zhǔn)的第95-124號(hào)法案啟動(dòng)了“美國國家地震減災(zāi)計(jì)劃”（National Earthquake Hazards Reduction Program，NEHRP）。該計(jì)劃旨在通過建立并實(shí)施減輕地震災(zāi)害的有效措施，來降低未來地震事件造成生命和財(cái)產(chǎn)損失的風(fēng)險(xiǎn)。2018年，美國國會(huì)批準(zhǔn)了第115-307號(hào)法案，對(duì)NEHRP計(jì)劃進(jìn)行了最新一次的重新授權(quán)。

NEHRP計(jì)劃由四個(gè)聯(lián)邦機(jī)構(gòu)共同參與完成，旨在提高對(duì)地震危險(xiǎn)性和地震風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)，降低國家在地震災(zāi)害中的脆弱性。NEHRP主要包括地震相關(guān)的監(jiān)測和研究、建筑規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)導(dǎo)則、防震意識(shí)、防震教育以及國家的地震撥款計(jì)劃。參與NEHRP的四個(gè)聯(lián)邦機(jī)構(gòu)為：聯(lián)邦應(yīng)急管理署（Federal Emergency Management Agency，F(xiàn)EMA）、美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST，該院是NEHRP計(jì)劃的領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)）、美國國家科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation，NSF）、美國地質(zhì)調(diào)查局（U.S. Geological Survey，USGS）。這四個(gè)機(jī)構(gòu)在NEHRP計(jì)劃內(nèi)制定合作基礎(chǔ)上的工作進(jìn)程，以提高美國的地震韌性。得益于這個(gè)進(jìn)程，美國制定出了有效的抗震建筑規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)使社區(qū)更加安全。這個(gè)進(jìn)程包括開展地震研究、開發(fā)新的抗震設(shè)計(jì)施工技術(shù)和工具、將科研成果納入建筑規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以及鼓勵(lì)社區(qū)采用并強(qiáng)制執(zhí)行最新的建筑規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

NEHRP發(fā)布的《對(duì)新建建筑和結(jié)構(gòu)物的推薦地震條款》（以下簡稱NEHRP推薦條款）基于最新的抗震科技成果，為美國建筑規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定提供支持。該條款主要包括以下幾方面內(nèi)容：提高建筑物的抗震性能、更新設(shè)計(jì)地震動(dòng)地圖、評(píng)估新的抗震結(jié)構(gòu)體系、更新地震規(guī)范條款、評(píng)估新型建造技術(shù)和材料的抗震設(shè)計(jì)需求。自1985年首次發(fā)布以來，NEHRP推薦條款每三到六年更新一次，最近一次更新是在2020年9月。推薦條款對(duì)于NEHRP計(jì)劃來說，是其實(shí)現(xiàn)減輕未來地震對(duì)新建建筑風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要的組成部分。現(xiàn)如今，推薦條款中的絕大多數(shù)更新均被ASCE/SEI 7標(biāo)準(zhǔn)采用，從而被納入國家標(biāo)準(zhǔn)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范之中。圖4展示了一些重要的地震災(zāi)害以及對(duì)NEHRP推薦條款的修訂產(chǎn)生重大影響的節(jié)點(diǎn)性事件。

如用種子重量0.3%～0.4%的70%的敵克松粉劑拌種，可防治番茄、茄子、辣椒、黃瓜的立枯??；用種子重量的0.3%～0.4%的氧化亞銅拌種，可防治黃瓜猝倒病；用種子重量0.3%的50%的福美雙拌種，可防治菜豆葉燒病。

圖4 重要的地震災(zāi)害以及對(duì)NEHRP推薦條款的修訂產(chǎn)生重大影響的一些節(jié)點(diǎn)性事件

2020年版NEHRP推薦條款開展和提供了以下重要的更新完善、修訂新的概念以及背景信息：

1.基于2018年USGS的國家地震危險(xiǎn)性模型（National Seismic Hazard Model）的新的設(shè)計(jì)地震運(yùn)動(dòng)值和地圖，其中包括美國中部和東部的新的地震動(dòng)模型，洛杉磯、西雅圖、舊金山和鹽湖城地區(qū)的盆地效應(yīng)模型，以及地震目錄的更新。

2.新的多周期的反應(yīng)譜提高了抗震設(shè)計(jì)地震動(dòng)的準(zhǔn)確性，并修正了被低估的近斷層軟土場地對(duì)中高層建筑的地震動(dòng)影響。

3.新的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)荷載計(jì)算公式，以提高重要的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如建筑裝飾物、設(shè)備和電氣設(shè)施的抗震性能。

4.新的替代設(shè)計(jì)方法以提高采用剛性墻體（如磚混結(jié)構(gòu)或立墻平澆混凝土結(jié)構(gòu)）和柔性屋頂（如木覆板或裸金屬鋪板）的大型單層商業(yè)或工業(yè)建筑的抗震性能。這類建筑通常用作倉庫或大型倉儲(chǔ)超市。

5.鋼板混凝土連肢組合剪力墻結(jié)構(gòu)的新條款。這種結(jié)構(gòu)形式已被證明用于地震高危險(xiǎn)區(qū)的高層建筑上具備良好的抗震性能。

抗震設(shè)計(jì)規(guī)范持續(xù)提高社區(qū)的地震韌性

建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)建筑物提供保護(hù)以最大程度地減少建筑物在地震中發(fā)生倒塌的可能性（圖5）。然而，在大地震中，即使進(jìn)行過合理的抗震設(shè)計(jì)的建筑依然有可能遭受破壞。為了進(jìn)一步提高地震韌性，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于重要的基礎(chǔ)設(shè)施，如醫(yī)院、關(guān)鍵性公用設(shè)施、學(xué)校和存儲(chǔ)危險(xiǎn)品的建筑給出了更高的保護(hù)級(jí)別。建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范還限制或禁止在地震高危險(xiǎn)區(qū)建設(shè)某些地震易損性高的建筑。

圖5 2010年智利地震中康塞普西翁市一棟倒塌的5層公寓（資料來源：USGS，2011）

目前美國的建筑設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中，有以下幾個(gè)值得關(guān)注的要求：

1.公共設(shè)施以及人員密集的中小學(xué)校和高等院校的抗震設(shè)計(jì)所采用的地震荷載應(yīng)比一般建筑提高至少25%。

2.具有應(yīng)急功能的醫(yī)院、消防用水儲(chǔ)存和泵送設(shè)施、高危物品儲(chǔ)存設(shè)施、應(yīng)急指揮中心、避難場所的抗震設(shè)計(jì)所采用的地震荷載應(yīng)比一般建筑提高至少50%。

3.普通的素磚混房屋（即沒有鋼材加強(qiáng)的房屋）不能建設(shè)在中等危險(xiǎn)區(qū)或更高的危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)。

地震事件 · NEHRP推薦條款·規(guī)范修訂

4.延性抗震體系、特殊的施工技術(shù)以及對(duì)應(yīng)的檢查應(yīng)在高危險(xiǎn)區(qū)和極高危險(xiǎn)區(qū)的新建建筑中實(shí)施。

5.重要的機(jī)械、電氣、管道（EMP）和建筑構(gòu)件等非結(jié)構(gòu)物應(yīng)緊系和/或錨固于主體結(jié)構(gòu)以抵御地震作用力和地震運(yùn)動(dòng)。

建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范是地震韌性的基石。因此，F(xiàn)EMA鼓勵(lì)所有的州和地方行政當(dāng)局采用并強(qiáng)制實(shí)施最新版本的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。采用最新的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，即IBC和IRC，意味著將最新的抗震規(guī)范要求納入后續(xù)所有的新建建筑施工中。

建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范一般來說不具有追溯的效力，即現(xiàn)存建筑僅符合它們新建時(shí)生效的建筑規(guī)范。因此，老舊建筑將不符合現(xiàn)有的規(guī)范要求。有時(shí)即存建筑進(jìn)行重大的改建、維修、擴(kuò)建或改變使用用途時(shí)，則會(huì)違背現(xiàn)行規(guī)范從而可能需要進(jìn)行抗震加固。

如果一個(gè)社區(qū)擁有大量抗震性能不良的既有建筑，可以針對(duì)當(dāng)?shù)亻_展地震的減災(zāi)計(jì)劃來應(yīng)對(duì)這個(gè)問題。地方行政當(dāng)局可以出臺(tái)相應(yīng)的抗震法令，要求對(duì)抗震性能不良的建筑類型或重要的公共建筑如學(xué)校和醫(yī)院等進(jìn)行評(píng)估和改造。業(yè)主也可以自愿地按照建筑規(guī)范的要求對(duì)建筑進(jìn)行抗震翻修以降低地震易損性?！秶H既存建筑物規(guī)范》（IEBC）和國家參考標(biāo)準(zhǔn)《既有建筑物的抗震評(píng)估和改造》（Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings，ASCE/SEI 41）通常用于此類抗震翻修工程。FEMA一直支持IEBC和ASCE/SEI 41規(guī)范的修編，研發(fā)了多類技術(shù)資料用于無鋼筋加固的砌體結(jié)構(gòu)、無延性的混凝土結(jié)構(gòu)以及首層薄弱的木框架結(jié)構(gòu)等地震易損性高的即存建筑的加固改造。近期完成并收錄于FEMA P-58系列的基于性能的設(shè)計(jì)（Performance-Based Seismic Design，PBSD）方法、評(píng)估和導(dǎo)則為管理者和建筑工程師設(shè)計(jì)良好抗震性能的新建筑以及舊建筑的抗震改造工程提供了寶貴的工具。

為防御地震災(zāi)害并保持防災(zāi)韌性，社區(qū)還應(yīng)加強(qiáng)其核心基礎(chǔ)設(shè)施、生命線工程和關(guān)鍵設(shè)施的抗震能力，但完全符合最新抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的建筑是處于地震風(fēng)險(xiǎn)區(qū)社區(qū)的最佳防震投入（圖6）。

圖6 最新版本的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范在美國地震高危險(xiǎn)區(qū)和地震極高危險(xiǎn)區(qū)各縣中的使用情況

美國減災(zāi)項(xiàng)目和政策的最新動(dòng)態(tài)

FEMA的NEHRP州援助撥款計(jì)劃（NEHRP State Assistance Grant Program）支持地震減災(zāi)工作，如建筑規(guī)范的使用、地震脆弱性評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)宣貫，以及州和地方社區(qū)的減災(zāi)活動(dòng)。根據(jù)各州和地方社區(qū)的地震危險(xiǎn)程度，該計(jì)劃通過非營利組織、高校之間的競標(biāo)加上與有地震危險(xiǎn)的州的單獨(dú)合作項(xiàng)目撥付資金。

近期的立法對(duì)FEMA如何支持震前和震后的減災(zāi)的方式做出了重大調(diào)整。例如2018年的《災(zāi)后恢復(fù)和重建法案》（Disaster Recovery and Reform Act，DRRA，公共法第115-254號(hào)）對(duì)1988年的《羅伯特斯坦福減災(zāi)與應(yīng)急援助法案》（也稱《斯坦福法案》，Robert T. Stafford Disaster Relief and Emergency Assistance Act，公共法第100-707號(hào)）的修訂?！稙?zāi)后恢復(fù)和重建法案》的第1234節(jié)修訂了《斯坦福法案》的第203節(jié)，即通過更新州和地方的建筑規(guī)范來實(shí)現(xiàn)更有效率的減災(zāi)。通過各類投資措施，DRRA的第1234節(jié)構(gòu)筑了一個(gè)鼓勵(lì)社區(qū)采用并強(qiáng)制執(zhí)行最新的建筑規(guī)范的激勵(lì)機(jī)制。它允許一些特定的減災(zāi)資金根據(jù)一個(gè)社區(qū)采用最新版IBC和IRC抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的情況決定增加撥款還是減少撥款。

DRRA第1234節(jié)還啟動(dòng)了“國家公共基礎(chǔ)設(shè)施災(zāi)前預(yù)防撥款計(jì)劃”（National Public Infrastructure Pre-Disaster Hazard Mitigation Grant Program），F(xiàn)EMA將其稱為“建設(shè)韌性基礎(chǔ)設(shè)施和社區(qū)”（Building Resilient Infrastructure and Communities，BRIC）。BRIC項(xiàng)目的資金來自于政府的災(zāi)難援助資金。根據(jù)評(píng)估得出的災(zāi)難援助資金總額中將留出6%作為“減災(zāi)基金”（Disaster Relief Fund）用于資助BRIC項(xiàng)目。根據(jù)FEMA的設(shè)想，該計(jì)劃將激勵(lì)大型基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的創(chuàng)新，并將依賴建筑設(shè)計(jì)規(guī)范作為韌性社區(qū)的基石。

另外，DRRA對(duì)《斯坦福法案》的第404節(jié)（a）建立的“減災(zāi)撥款計(jì)劃”（Hazard Mitigation Grant Program，HMGP）進(jìn)行了修改?！皽p災(zāi)撥款計(jì)劃”建立了賑災(zāi)基金，以在大災(zāi)后恢復(fù)和提高社區(qū)的災(zāi)害韌性。DRRA在第404節(jié)（a）中增加了表述，明確了提高韌性是HMGP的最終目的之一。

FEMA還修改了HMGP項(xiàng)目中的“5%”倡議。HMGP項(xiàng)目規(guī)定，賑災(zāi)資金最多有5%可用于難以使用當(dāng)前FEMA批準(zhǔn)的成本效益方法進(jìn)行評(píng)估，但可降低生命和財(cái)產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)的項(xiàng)目，而這些項(xiàng)目往往是與建筑規(guī)范相關(guān)的。這些資金可以被單獨(dú)留出以資助建筑規(guī)范相關(guān)的工作，包括采用最新的建筑規(guī)范，提高建筑抗災(zāi)技術(shù)的認(rèn)知，以及更新社區(qū)現(xiàn)有的規(guī)范條款。在2015年以前，F(xiàn)EMA的《減災(zāi)援助導(dǎo)則》規(guī)定這5%的資金只能用于颶風(fēng)和其他風(fēng)災(zāi)災(zāi)種。FEMA現(xiàn)在將這5%的限額提高到10%，并將范圍擴(kuò)大到所有災(zāi)種。獲得此資金資助的減災(zāi)項(xiàng)目必須將防災(zāi)建筑技術(shù)納入災(zāi)害韌性之中。