農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)背景下甘孜州白藏房抗震設(shè)防應(yīng)用

李秋燕 曾麗云 倪文俊 胡地強(qiáng) 文祥 舒楠 朱月 羅夢(mèng)嬌

為對(duì)四川甘孜州地區(qū)白藏房進(jìn)行抗震加固研究，介紹了甘孜州房屋受地震作用的現(xiàn)狀，分析了傳統(tǒng)土木結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞形式，論述了土木結(jié)構(gòu)民居建筑的抗震加固措施，通過在加固、重建過程中加入BIM技術(shù)，降低試錯(cuò)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

［作者簡介］李秋燕（2001—），女，在讀本科，研究方向?yàn)锽IM施工管理及抗震設(shè)防。

四川甘孜藏族自治州位于四川省地震最多、地震等級(jí)最高的鮮水河地震帶，其強(qiáng)度、破壞烈度堪稱全川之最［1］。自1630年以來，在這條地震帶上發(fā)生7級(jí)以上地震達(dá)9次［2］，2020年甘孜州發(fā)生2級(jí)以上地震共計(jì)379次。2020年4月1日甘孜州發(fā)生5.6級(jí)地震，造成15個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)、場）、84個(gè)村、790戶房屋不同程度受損［3］。甘孜州鄉(xiāng)城縣的傳統(tǒng)白藏房木結(jié)構(gòu)民居抗震性差且耗費(fèi)木材量極高，既不能滿足基本的安全，也對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境破壞巨大。為了響應(yīng)中央一號(hào)文件《關(guān)于全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)村農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的意見》，全面貫徹十九大提出的“實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略”，提升甘孜州民居的抗震性及安全宜居性。本文根據(jù)GB 50011-2010（2016年版）《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ 116-2009《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》提出針對(duì)甘孜州白藏房的加固改造方案。

1 文獻(xiàn)綜述

1.1 抗震加固

20世紀(jì)以來，國內(nèi)共發(fā)生6級(jí)以上地震近800次［4］，土木結(jié)構(gòu)的建筑受損情況最為嚴(yán)重，引起了政府和學(xué)者們的高度重視。因此，如何對(duì)土木結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固的研究逐步深入。2009年6月18日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布了JGJ 116-2009《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》，其中詳細(xì)編寫了不同結(jié)構(gòu)房屋的加固方法、加固設(shè)計(jì)及施工辦法，為抗震加固技術(shù)提供了標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的加固方法包括：增加構(gòu)件使局部加固、加大建筑截面整體加固、加固結(jié)構(gòu)、隔震加固和減震加固等。鄧明科、張思海等［5］學(xué)者提出了高延性材料加固法、斜撐加固法、剪力墻加固法。越來越多的抗震加固構(gòu)件采用新材料、新技術(shù)，例如碳纖維加固法，高強(qiáng)不銹鋼絞線加高強(qiáng)聚合物砂漿加固法等［6］，這些方法推動(dòng)了我國抗震加固研究的歷程。

1.2 BIM技術(shù)

BIM技術(shù)是通過創(chuàng)建建筑信息模型實(shí)現(xiàn)信息共享和傳遞的一種技術(shù)，其最大的特點(diǎn)就是可視化和可協(xié)調(diào)性［7］。從建筑的設(shè)計(jì)階段到施工階段再到信息化管理，BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了科學(xué)化、數(shù)據(jù)化管理，提高了工作效率、節(jié)約了成本。山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院應(yīng)用BIM技術(shù)建立抗震支吊架構(gòu)件庫，通過二次開發(fā)技術(shù)對(duì)抗震支吊架進(jìn)行智能布置與編碼，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成二維碼、導(dǎo)出物料清單等功能［8］。浙江省溫州市文成縣人民醫(yī)院運(yùn)用BIM技術(shù)，得出最佳管道綜合及抗震支吊架的布置方案，達(dá)到管線排布整齊、檢修空間充足、抗震支吊架布置合理的效果［9］。在未來的發(fā)展中，BIM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)張，運(yùn)用模式不斷創(chuàng)新，并與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、激光掃描等技術(shù)融合，推動(dòng)建筑行業(yè)數(shù)字化發(fā)展。

2 白藏房抗震問題分析

2.1 建筑選址存在安全隱患

在建筑依托的地形方面，甘孜州境內(nèi)地勢(shì)高亢，居民建房很少考慮場地地基的穩(wěn)定性，對(duì)建房的選址沒有專業(yè)的考量，依山修建房屋常常會(huì)面臨滑坡、泥石流等地址災(zāi)害。白藏房主要分布在鄉(xiāng)城西南面，大部分建在河邊和臺(tái)地上，海拔在2 800 m左右。

2.2 建筑設(shè)計(jì)缺乏專業(yè)知識(shí)

白藏房是甘孜州鄉(xiāng)城縣的“三絕”之一，是當(dāng)?shù)靥厣窬咏ㄖ?0］。在設(shè)計(jì)方面，建筑高度一般為3～5層，平面有方形、矩形、回字形等。房屋整體為梯形，墻體平整光滑［11］。雖然白藏房外觀設(shè)計(jì)具有獨(dú)特的民族特色，但建造幾乎不考慮房屋場地的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的抗震性能，危險(xiǎn)性較高。建造人員基本上為當(dāng)?shù)責(zé)o任何專業(yè)資質(zhì)證書的“施工隊(duì)伍”，幾乎不具備專業(yè)的建筑設(shè)計(jì)知識(shí)，僅憑經(jīng)驗(yàn)來建造房屋。

2.3 建筑結(jié)構(gòu)和材料缺少抗震考慮

在建筑材料方面，白藏房多采用石木或土木混合結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)白藏房的建造需要大量樹木，墻體是用濕度適宜的普通泥土通過夯筑而成，室內(nèi)木樁密架。夯土墻體向上傾斜且厚重，內(nèi)部采用梁柱框架結(jié)構(gòu)，屋頂采用平屋頂［12］。其內(nèi)部所有隔墻（非承重墻）墻材料使用的是泥土實(shí)心磚，重量大，藏民只是簡單把其用于填充隔墻，完全沒有拉結(jié)、構(gòu)造柱等構(gòu)造措施，構(gòu)造方式?jīng)]有專業(yè)技術(shù)指導(dǎo)，抗震構(gòu)造措施缺乏，抗震能力非常弱，大多數(shù)房屋面臨倒塌的危險(xiǎn)。一旦發(fā)生地震，極易造成生命財(cái)產(chǎn)損失［13］。

因此，在對(duì)白藏房的抗震加固過程中，需要采用BIM技術(shù)模擬工程設(shè)計(jì)對(duì)其進(jìn)行建模和結(jié)構(gòu)分析，模擬結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的情況。還應(yīng)重視民族民間文化遺產(chǎn)的傳承保護(hù)工作，因此需要在改造過程中避免破壞其傳統(tǒng)外觀。

3 甘孜州白藏房的抗震設(shè)防技術(shù)分析

甘孜州抗震設(shè)防烈度為8度。既有砌體抗震鑒定加固以GB50023-2009《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)，即在遭遇相當(dāng)于抗震設(shè)防烈度的地震影響時(shí)，一般不致倒塌傷人或砸壞重要生產(chǎn)設(shè)備，經(jīng)修理后仍可繼續(xù)使用［14］。

3.1 場地選擇

選擇場地至關(guān)重要，建造房屋時(shí)就避開危險(xiǎn)地段，可以降低遭受地震災(zāi)害的概率。結(jié)合《房屋建筑工程抗震設(shè)防管理規(guī)定》白藏房選址重點(diǎn)考察和避開幾種不利場地（表1）。

除了考慮上述因素外，還應(yīng)當(dāng)注意一些容易被忽視的問題。例如遠(yuǎn)離枯萎的高大樹木；房屋間的距離不應(yīng)太近，兩房之間的距離至少要等于房屋的高度；應(yīng)盡量避開高壓電線鐵塔、水塔、通訊塔等高大的建筑和塔架。

3.2 基礎(chǔ)選擇

基礎(chǔ)是房屋埋在地下的部分，在房屋主體結(jié)構(gòu)之下，地基之上，起到傳遞建筑物重量的作用。地基材料常為土或基巖，能直接承受建筑物荷載，其作用是將建筑物荷載安全地傳遞到支撐地層，并使荷載分散到足夠大的地層面積上。一幢房屋的地基除了承受房屋全部重量以外，地震時(shí)房屋所受的地震力也會(huì)全部傳到地基上［15］。如果地基承載能力不足，基礎(chǔ)整體性不好，房屋結(jié)構(gòu)就會(huì)遭到破壞。對(duì)甘孜州鄉(xiāng)城的房屋改造以毛石基礎(chǔ)、磚基礎(chǔ)最為適用（表2）。

3.3 地基加固

甘孜州的土壤主要是紅壤，而且酸性較強(qiáng)，此外酸性土壤質(zhì)地松軟，土壤黏性強(qiáng)。甘孜州溫度較低，干旱和濕潤程度較為適宜，屬于青藏高原氣候。當(dāng)?shù)卣鹱饔脗鬟f至建筑范圍內(nèi)時(shí)，首先是作用于地基土體之中，因此需要對(duì)甘孜州民居的住宅房屋地基土體進(jìn)行加強(qiáng)。針對(duì)甘孜州的情況，選擇的是樁基礎(chǔ)處理法。CFG樁（CEMENT FLY - ASH GRAVEL PILE）復(fù)合地基是一種人工處理地基，將用一些強(qiáng)度和模量均較高的材料作為增強(qiáng)體嵌入天然地基中，上部建筑物結(jié)構(gòu)的荷載通過基礎(chǔ)傳至地基中，原土體及增強(qiáng)體共同承擔(dān)由上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載［16］。CFG樁復(fù)合地基作為軟土處理的一種手段，加固作用更加突出，主要優(yōu)點(diǎn)包括：承載力高、產(chǎn)生沉降量小、可快速穩(wěn)定，在一定程度大大縮短施工周期，同時(shí)兼具減小地基不均勻變形的作用，適應(yīng)性強(qiáng)。

3.4 房屋結(jié)構(gòu)加固

甘孜州的鄉(xiāng)城白藏房建筑群落是目前已知全國最大的夯土建筑群。白藏房屬于土木結(jié)構(gòu)，藏房墻體是用濕度適宜的普通泥土通過夯筑而成，也稱夯土墻。在響應(yīng)國家關(guān)于綠色發(fā)展理念以及保護(hù)當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居特色的情況下，選擇了能最大程度保留白藏房傳統(tǒng)外觀和材料的結(jié)構(gòu)——新型生土復(fù)合墻結(jié)構(gòu)，既改善了民居建筑結(jié)構(gòu)，也建造具有新型設(shè)計(jì)理念并符合當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)文化的民居。新型生土復(fù)合墻結(jié)構(gòu)是由生土復(fù)合墻板，隱形框架和樓板裝配而成的一種住宅結(jié)構(gòu)體系。生土復(fù)合墻板從內(nèi)部對(duì)隱形框架提供承載力支撐，對(duì)其變形起到反約束作用，兩者相互結(jié)合工作時(shí)，可抵抗水平荷載，充分發(fā)揮各自的性能，保證結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。在生土復(fù)合墻板內(nèi)，填充的砌塊和框架共同受力，砌塊受力產(chǎn)生的裂縫被限制到一定范圍之內(nèi)，在反復(fù)荷載作用下，之前產(chǎn)生的裂縫又將在反向作用力下趨于閉合，繼續(xù)承受荷載，因此墻板的承載力不會(huì)明顯下降［17］。其次，當(dāng)受到地震荷載時(shí)，砌塊產(chǎn)生的裂縫和變形，將吸收和耗散大量能量，起到消能減震的作用［18］。

3.5 其他加固方法

在中國農(nóng)村地區(qū)，大多數(shù)農(nóng)村房屋采用的抗震設(shè)防構(gòu)造措施較為簡單，抗震能力相對(duì)較差，在地震中受損嚴(yán)重。比如在白藏房的建造和維修中，添加阻尼器和聚氨酯保溫板，經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)和加工，以提高農(nóng)村民居建筑的抗震保溫功能。

目前大多數(shù)的建筑結(jié)構(gòu)依靠建筑物自身吸收地震產(chǎn)生的能量來減少地震破壞，建筑的梁和柱等受到的力無法被迅速消耗。一旦地震強(qiáng)度超過一定值，結(jié)構(gòu)會(huì)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)可能造成構(gòu)件屈服和破壞。阻尼器是指安裝在房屋建筑體系中的一種特殊裝置，能夠吸收地震產(chǎn)生的力，使地震力在極短的時(shí)間內(nèi)消耗殆盡［19］。比如軟鋼阻尼器是一種實(shí)用的抗震阻尼器，應(yīng)用范圍一般不受建筑形式、樓高以及平面范圍等影響。

傳統(tǒng)房屋結(jié)構(gòu)的墻板大多使用磚混結(jié)構(gòu)，自重大，保溫隔熱差。聚氨酯材料的保溫隔熱效果好，價(jià)格低，同時(shí)聚氨酯材料的密度很低，耐水，不易溶解，使用壽命長的特點(diǎn)［20］。通過改性后的聚氨酯材料的各種化學(xué)與物理特性會(huì)更加優(yōu)良，應(yīng)用方面會(huì)更加廣泛，是建筑通用的主要保溫材料［21］。

4 BIM技術(shù)在抗震設(shè)防中的運(yùn)用

傳統(tǒng)的山區(qū)居民用房，無工程結(jié)構(gòu)抗震和加固的檢測，一旦發(fā)生，修復(fù)難度較大，耗費(fèi)時(shí)間較長，因此可通過BIM技術(shù)對(duì)工程設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬（圖1）。

4.1 設(shè)計(jì)施工

BIM技術(shù)為建筑模型信息化提供了載體［22］。BIM技術(shù)應(yīng)用于已有建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，工程師通過BIM模擬工程設(shè)計(jì)與建造過程，并模擬結(jié)構(gòu)在后續(xù)項(xiàng)目實(shí)施中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤與問題。以此減少資源浪費(fèi)并節(jié)約試錯(cuò)成本，縮短項(xiàng)目的周期，降低成本，在一定程度上提高了整個(gè)項(xiàng)目的工作效率。

在白藏房設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，前期對(duì)施工現(xiàn)場的勘查，便可運(yùn)用BIM技術(shù)獲取場地信息并對(duì)其進(jìn)行分析，更準(zhǔn)確地確認(rèn)建筑周圍的環(huán)境情況、建后的交通流量以及建筑物的空間位置等，有效解決大量數(shù)據(jù)處理遲緩而出現(xiàn)弊端的諸多問題［23］。

BIM技術(shù)在項(xiàng)目建設(shè)階段起到重要的管理作用?？赏ㄟ^相關(guān)流程模板或一些相關(guān)的編輯器，劃分出不同的施工階段，從而提高項(xiàng)目的施工速度。

4.2 抗震檢測

4.2.1 建筑抗震監(jiān)測

現(xiàn)階段的設(shè)備難以實(shí)時(shí)對(duì)地震其進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)建筑使用BIM技術(shù)之后，便可獲得大量持續(xù)監(jiān)測的建筑數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行建筑健康狀況分析和抗震監(jiān)測研究?，F(xiàn)階段國內(nèi)已有多家企業(yè)可以做到實(shí)時(shí)監(jiān)測建筑的信息。對(duì)裂縫寬度與深度、建筑的側(cè)移、建筑的震動(dòng)頻率、建筑傾斜度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測與整合，形成統(tǒng)一的測量標(biāo)準(zhǔn)［24］。例如北京大興國際機(jī)場航站樓核心區(qū)工程信息化管理應(yīng)用BIM5D管理平臺(tái)，研究將各專業(yè)軟件創(chuàng)建的模型在BIM平臺(tái)中轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，依托BIM模型和平臺(tái)，將發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量安全問題應(yīng)用平臺(tái)，在BIM模型上直接定位截圖，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端實(shí)時(shí)管理，通過移動(dòng)采集信息，實(shí)時(shí)記錄問題［25］。

4.2.2 建筑結(jié)構(gòu)的檢測

BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)實(shí)施抗震加固的方案過程實(shí)施時(shí)，能夠通過系統(tǒng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)評(píng)估與檢測，從而篩選工程中可能存在的一些不足之處，智能化解決建筑結(jié)構(gòu)抗震加固中出現(xiàn)的問題，減少復(fù)雜的檢測流程。

5 結(jié)束語

對(duì)甘孜州白藏房進(jìn)行抗震加固和分析，得到結(jié)論：

（1）將在危險(xiǎn)地區(qū)的房屋轉(zhuǎn)移至安全地區(qū)，選擇毛石基礎(chǔ)或磚基礎(chǔ)加固原有的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，采用CFG樁復(fù)合地基加固地基。

（2）在原有夯土墻的基礎(chǔ)上，采用新型生土復(fù)合墻結(jié)構(gòu)對(duì)房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。既能保留原有白藏房的傳統(tǒng)外觀，又能提高抗震性能。

（3）在局部加固上，采用軟鋼阻尼器和聚氨酯保溫板，提高抗震性的同時(shí)也提高了房屋的保溫性能。

（4）針對(duì)既有建筑的加固，采用BIM技術(shù)可以避免設(shè)計(jì)沖突，降低試錯(cuò)成本；在施工階段提高工作效率。通過實(shí)時(shí)檢測建筑情況，做到抗震監(jiān)測。

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