中小学学校建筑抗震性能新视点

1、 中小学学校建筑抗震性能新视点【摘要】2008年5月12日，四川省发生了举世震惊的汶川地震。这次地震中，中小学建筑物坍塌严重，造成了严重的人员伤亡和巨大的财产损失。为了减轻地震灾害，研究中小学一体化系统的结构抗震能力，采取措施改善其抗震性能是必要的。文中首先分析了以下结构地震破坏的原因：框架结构、楼梯间、庇护空间、区域道路状况。其次，比较国内外中小学校建筑研究，主要分析日本中小学建筑的抗震能力。最后，提出了框架结构的抗震能力的改进措施，给出了学校建筑规划的一些建议。【关键词】汶川地震；中小学建筑；建筑破坏；抗震性能1 汶川地震与中小学建筑灾害的教训与启示2008年5月12日，我国四川省汶川县发

2、生里氏8.0级强烈地震，其释放的巨大能量波及数千公里。这次地震，无论是在震级还是在破坏程度上，都超过了1976年唐山大地震，给汶川及周边的绵竹、绵阳、都江堰等市县造成了重大人员伤亡和财产损失。据四川省建设厅的数据显示，在此次地震中，重灾区学校倒塌面积为199.7228万m2，倒塌房屋总面积为14889.3万m2，倒塌学校面积占倒塌房屋总面积的1.3。震害调查表明，90年代后，有严格按抗震规范进行设计的，且施工质量好的学校建筑，基本可做到大震不倒。特别是经过正规设计院专门进行抗震设计、并达到抗震要求的房屋，破坏较轻。采用抗震性能较好的结构体系的房屋，破坏也较轻。除个别位于断裂带上的建筑物外,绝大

3、多数建筑受到中等至严重破坏，但不倒塌，达到了“小震不坏，中震可修，大震不倒”三个水准的抗震设防目标；而没有按照设防要求进行设计和施工的教学用房，多数遭到破坏，甚至倒塌。此次地震中，中小学校由于空间大、横墙少、层高较高、构造柱不足、门窗洞多、窗间墙小、预制板建筑、整体性差等原因导致破坏严重。图1、图2为实际地震烈度基本与设防烈度相符合的甘肃成县灾区的小学校破坏状况以及灾后的学生在临时帐篷内授课情况(图3)。学校的防灾问题已成为今后我国城乡建设与规划的重要问题。图1震害后校园关闭图2教室结构破坏图3灾后学生在临时帐篷内上课2 中小学建筑震害原因新视点2.1 对校舍建筑重视不够，抗震设防过低。在我国

4、的抗震设计规范中，将建筑划分为甲、乙、丙、丁四类，前两类为标志性建筑或指挥性建筑，抗震设防要求较高，而中小学校舍多按普通建筑划分为丙类建筑，只能基本满足当地抗震设防烈度，一旦遇到类似此次汶川8.0级的偶遇地震时，抗震性能明显不足。中小学校舍作为少年儿童的聚集场所，其安全与否关系到千家万户的幸福，在国外多是按照避难所标准修建的。因此，我国的校舍抗震设防明显过低。2.2 校舍选址不科学。建筑的走向与地裂带的走向是否一致，在地震时受破坏的程度是不尽相同的。以同在震中的聚源中学为例，其南北向的教学楼与地裂带大致平行，地震来临时受力最大倒塌，而东西向的实验楼由于与地震带垂直，虽已破坏，但未倒塌。2.3

5、楼梯间破坏严重。楼梯间既是人们上下的通道，又是突发事件发生时人们逃生的要道。楼梯间是房屋的薄弱部位，开间小，刚度大，吸收的地震能量多，墙体容易出现裂缝而破坏；楼梯间梯段和休息平台与楼层未在同一水平面上，水平地震力在此部位发生了转折，地震时容易使休息平台部位的墙体发生破坏，尤其是底层。楼梯间顶层，休息平台部位的横墙一层半高，没有横向支撑，此部位横墙也容易发生破坏。楼梯间在房屋端部时，楼梯对山墙的支撑作用较弱，地震时山墙转角处容易发生扭转破坏，这次地震发现楼梯间在端部的房屋底下两层山墙转角处发生严重的扭转破坏。建筑抗震设计规范局部修订根据这次地震的调查情况增加了“楼梯段上下端对应的墙体处应设置构造

6、柱”的条文，加强楼梯间横墙的抗震能力，使楼梯间形成应急疏散安全岛，在地震发生时人们能够迅速逃生。2.4 结构选型不合理。中小学校舍作为特殊建筑，具有内部空间跨度大；荷载高，且长期处于动、静荷载的反复作用之下；人员密集，疏散时间长等特点。这就要求校舍建筑必须满足耐久度高、柔性佳、抗倒塌能力强的要求。而目前我国校舍所大量采用的砖混承重墙加预制楼板的结构形式，明显不符合上述要求。这些隐患在平时单纯竖向荷载作用下尚不明显，一旦遇到地震、风暴等外界破坏力，极易诱发瞬间整体垮塌。3 中小学建筑设计建议3.1 加大对地震地质灾害普查力度,合理制订各地区的抗震设防烈度。这次的512汶川地震震中烈度达到11度,

7、而当地的抗震设防烈度才7度;唐山大地震地震烈度达到11度,而当时唐山是不设防的6度区,显然抗震设防烈度定低了。因此建议在全国范围内根据我们经历过的地震或者根据地下的地质构造,加大对地震地质灾害普查力度,合理制订各地区的抗震设防烈度,重新修订全国地震烈度区划图。3.2 提高新建校舍的抗震设防类别按照日本的防震规划,学校建筑防震级别最高,各级政府都把学校辟为临时避难所。地震发生时,政府会组织居民搬出自己的房子,到附近的学校集中避难。结合国外经验建议,我国在新规范的修订中规定:“教育建筑中,人数较多的幼儿园、中小学的低层教学楼抗震设防类别应划为甲类。地震作用应比本地区抗震设防烈度提高1度,当为9度时

8、,应符合比9度抗震设防更高的要求,抗震级别列为当地建筑最高级。处于地震设防地区的中小学教学楼强制采用现浇框架或框架-剪力墙结构,不允许再采用砖混结构。3.3 重视校址选择。新建教学楼校址必须经过详细的地震安全性评价,只有这样才能保证建造出“震不垮的学校”,才能使学校在突发自然灾害时真正成为避难所,人民群众的生命财产安全才能得到保证。3.4 建立中小学教学楼定期检验制度。目前基础工程的设计寿命一般为100年,房屋建筑的合理使用年限一般为50年,但许多建筑达不到设计合理使用年限。建议在新的设计规范中注明要对中小学教学楼定期进行检查(可为每3年一次)并在设计图纸中注明,费用由施工单位负责”。以便随时

9、掌握情况,保证它们的安全服役。4 中小学建筑规划建议4.1 规划选址时进行地震安全评价。在规划选址时，条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩石的陡坡、河岸和边坡边缘基岩外露的地段，高坡上的建筑震害比较明显，应尽量选择地势开阔平坦，土层坚硬厚实，地质均匀等地质条件。同时注意避开对地震不利地段。4.2 中小学建筑在校园规划中应将安全疏散作为首选考虑因素。校园的整体规划，应特别注意充分利用学校操场作为防灾疏散的主要场所。就像城市规划中将城市公园、绿地、体育场作为防灾场所一样。当灾难(火灾、地震)发生时，学生应能从教室通过较短的空旷的安全通道，迅速地疏散到大操场这一安全地带。校园规划中教学楼建筑的空间组

10、成与操场位置关系的确定，其首要原则是确保有利于师生安全疏散。4.3 根据学生心理特点设计疏散方案。根椐中小学生的避难心理，选择切实有效的楼梯走道设计方案和疏散方案。首先，由于中小学生的思维还不成熟，在短时间内很难做出理智的分析和判断，所以灾害发生时他们会下意识地向自己最熟悉的出入口跑；其次，当灾难来临时，学生们往往会向着有光亮的地方跑，无论是自然光和人工光，这就是通常所说的“向光性”。此外，中小学生的避难行为还有从众性和排他性的特点。因此，楼梯间应具有良好的采光；尽量不要把楼梯间布置在建筑平面的尽端，而最好是在中间；内廊式教学楼在满足建筑功能和规范要求的前提下应适当增加楼梯间的数量，如从两部楼

11、梯增加到3部，这样就可以提高疏散速度，减少疏散时间。另外，转折处是最容易产生拥堵的地方，所以应适当加宽休息平台，走道的宽度也应该在不影响功能和结构安全的前提下适当加宽，相应地，出入口的宽度也可以适当增加，从而达到迅速疏散人群的目的。4.4 提高抗震设防标准等级。中小学建筑的抗震构造没防标准从目前的7度设防标准提高到8度。通过提高圈梁、构造柱的截面尺寸及配筋标准以提高中小学建筑的抗震能力。根椐各种建筑结构形式的特点及我国经济发展现状，最适宜的结构形式仍然旨选砖混结构(砌体结构)。严格按照抗震规范的设防要求进行没计与施工，砖混结构的抗震能力完全能满足要求。而在经济较发达的地区，也可以考虑采用框架结

12、构的类型。避免采用全部预制装配式的钢筋混凝土楼板结构，若采用钢筋混凝土框架结构或者砖混结构，其中的钢筋混凝土楼板结构应采用全现浇的方式施工建造。4.5 可考虑将学校建成紧急避难场所。由于强烈地震是小概率事件，提高抗震设防标准需要增加基建投入，抗震烈度每增加一度，结构的成本可能要增加510左右。怎么样才能不花钱又抗震，是长久以来工程师力图攻克的难题。但是目前看来还做不到。我们的努力目标是研究和开发经济高效的抗震措施。为了保护人的生命安全。对学校、医院等人口密集、人群自救能力差的地方要提高标准，进一步加强其抗震能力，特别是像学校这样的公共建筑还可以赋予其作为紧急避难场所的功能。这样，在发生地震和其

13、他突发灾害的时候，不仅能确保师生的安全，在灾难发生期间，学校可以放假，腾出地方来，作为避难场所和防灾据点。5 提高中小学建筑防灾力的新视点结合对近年来灾害现场的考察研究，和对国内外的城区改建重建状况分析，提高中小学建筑防灾力的视点和提案概括为以下几个方面：5.1 逐步建立以区域防灾梯级公园、小学防灾据点、社区防灾据点为主体的防灾网状新体系。在新城区建设与旧城区改造过程中，根据所在区域的自然特性，过去的灾害历史，区域防灾计划的内容，区域的状况，区域及辖区人口数，避难设施的分布，关联设施的分布，危险性分析，道路及生命线分布，地形地质条件合理的进行规划，充分考虑防灾的需要。规划设置以区域防灾梯级公园

14、、小学防灾据点、社区防灾据点为主体的防灾网状体系，如图4所示。以1983年完成的江东改造计划中的东京都墨田区防灾规划的布局为例（图5），从场地条件上看，建设避开了近邻川边的软弱土层、硬软不均的土层，将两岸的大部地区设计成为防灾绿地（公园）。图4防灾规划图图5综合机能防灾公园与绿地5.2 加强防灾减灾教育的宣传，提高公民防灾意识，完善区域防灾体系。在完善区域规划的同时，应加强防灾减灾教育的宣传，提高公民防灾意识。开展专门的综合防灾教育，加大专业人才的培养力度；做好城市公众的安全文化宣传教育，传授灾害的知识，最大限度地提高城市公众防灾的自觉行为；加强对低年龄层灾害教育的重视；传授应对、处理灾害问题

15、的实际技能，定期进行防灾演练，提高公众的自救与互救能力；通过各种媒体手段开展减灾宣传教育（图6、图7）。从软硬件几个方面为提高城市的综合防灾力奠定基础。图6地震体验台图7 防灾体验馆鸟瞰图6 结论本文基于对汶川地震对中小学建筑的震害调查，研究分析了中小学建筑灾害的原因与规律，结合对目前我国防灾规划的发展与应用状况，在防灾规划、防灾避难公园、学校避难防灾据点、社区防灾据点的建设方面进行了相对具体的提案：6.1 提高中小学建筑抗震设防等级，合理选择学校地址，限制使用预制板，并重视非结构构件的结构设计。6.2 在新城区建设与旧城区改造过程中，根据所在区域的自然特性，过去的灾害历史，区域防灾计划的内容，区域的状况，区域及辖区人口数，避难设施的分布，关联设施的分布，危险性分析，道路及生命线分布，地形地质条件合理的进行规划，充分考虑防灾的需要。规划设置以区域防灾梯级公园、小学防灾据点、社区防灾据点为主体的防灾网状新体系。6.3 实施中小学建筑防灾梯级公园新体系，建设多功能防灾避难场所。此外，今后围绕构建与重大突发性灾害发生、发展、结束整个过程相适应的，多灾种、多物资、动态的应急资源配置研究及基于城市发展的防灾减灾规划理论，把中小学建筑纳入城市防灾减灾规