建筑该如何发展呢?正如我们现在例行公事地设计建筑抵御地震、飓风这样的自然灾害一样,我们可以更好地进行设计以承受人为破坏。

从文艺复兴时期出现外观弯曲的堡垒开始,建筑设计就在向着防爆趋势不断发展。
最近安全方面凸显的一个重要问题就是人们实际采用的保护方法就是在重重保护的混凝土建筑里,而且远离街道。然而,建筑师应该避免回到过去,又设计一个防御式的城堡,这和现在人们渴望自由的想法完全对立。设计时最初应该考虑到的就是结构上的设计和改进,在达到必需的保护效果以后,使保护功能成为设计本身的一部分。建筑师和工程师的难题就是了解和爆炸、反恐有关的设计参数,在结构设计方面富有创意,不影响美观的情况下将额外的承受力考虑在内。
爆炸物质内发生快速化学反应就会产生爆炸力。爆炸声传播速度为22,000-28,000英尺/秒(25,000千米/小时),它会产生一种密集的热高压气体,这就是空气中强烈爆炸波的来源。这种高强度震动从爆炸物表面开始扩散到周围的空气中,随着时间增加和速度减弱逐渐衰退。迅速爆炸物外部产生的爆炸力就是强烈的空气压力,它会作用在建筑物中有抵抗力的部分,例如墙壁、门窗和屋顶。
建筑物的爆炸承受力比一般建筑的正常抵抗设计要求高。例如,建筑物墙壁的飓风承受力可达50lb/ft(0.35psi,2.39kPa),而其前面墙壁的爆炸承受力可能要多于4,000 psi-11,500次。不过,这一小块地方承受这么大力的时间非常短,几乎以毫秒计算,所以没有充足的时间应对。然而,正如1995年俄克拉荷马州联邦大楼的爆炸事件一样,可能会引起逐渐倒塌。当人们反应过来时,爆炸力已经移动到建筑周围了,无力回天了。
仅仅几毫秒的爆炸力就能对建筑物产生巨大的压力。首先无法承受这种巨大压力的就是窗户。俄克拉荷马州联邦大楼毁坏事件中,玻璃距离爆炸地点0.75英里。外部爆炸时飞起来的玻璃产生的伤害是最严重的。随后的研究极大地提高了玻璃装配系统(墙壁上的玻璃、框架、框架紧固及墙壁承受力向楼层和抵抗框架的转移)能力,可承受巨大的爆炸力。

左图:区域的标准设计就是保持爆炸物和大楼正面的距离尽量远 右图:建筑物墙壁高度和宽度上的爆炸力强度分布
除了建筑物外观可以设计来承受爆炸力以外,第二个重要方面就是构造的稳定性。俄克拉荷马州的爆炸非常强大,外部的一根圆柱都倒塌了。因为那根圆柱倒塌了,不能再支撑横梁和楼板,所以大楼就逐渐全部倒塌。这种连续倒塌毁灭了大楼的主要部分。
现在美国联邦政府颁布了建筑设计指导,强调了安全标准,要在爆炸事件中尽量保证公众安全。建筑师和工程师都遵循这些标准设计联邦大楼,满足一些生存要求,至少要保证不能出现连续坍塌。
设计工具

位于德国波茨坦附近,尤里奇·门德尔松设计的爱因斯坦天文台
为了减轻爆炸影响,设计师使用得最重要的设计工具使任何爆炸物都和人群进出的大楼之间的距离尽量远。正如我们所知道的,爆炸力随着距离的增加迅速衰退。图1表明区域设置标准应是保持爆炸物和大楼正面的远距离。图ABC606-1502
保护大楼的另一种方法就是建得很高,非常厚,有一堵坚固的墙,设置障碍阻挡爆炸力。不幸的是,爆炸力通常是直接穿透墙壁,而且厚厚的墙体对于增加公众大楼的美观毫无益处。除此之外,坚固的墙体并不是唯一的方法。装饰性圆柱,锚固植物,和一些护墙也可以用来保持爆炸物远离大楼,并且已经成为了我们安全审美的一部分。

震动波从爆炸物开始向外扩散,其威力随着距离而减小。所以距离爆炸物越远,大楼正面受压就越小。然而,面对扩展的震动波,大楼本身就是一个障碍物,限制其传播,并且从大楼表面反射回去。如果墙壁和爆炸力传播的方向垂直,那么它就会承受压力的集合,而如果是相互平行,就不会出现这样的情况。墙壁和迎面而来的冲击波如产生角度,将会承受力的累积,如要还是取决于和震动波的迎角。
在很多设置中,大都考虑的是爆炸力来自一个方向。这种情况下,设计师就可以设计建筑方向,减少反射的压力。在图3中,(A)图中建筑有一面墙正对爆炸物质,接受的反射压力最大,而其他三面墙壁则不受压力影响;(B)图中正对爆炸的墙承受的是减弱的压力累积;(C)图中的墙是弯曲的,由于角度不断变化,其承受的压力也是不断变化的。图ABC606-1503
图3显示的是爆炸力在墙壁的高度和宽度上的分布,显示和爆炸物最近的墙的低矮部分承受的力最大。设计师可以根据爆炸力随距离减弱的原理进行设计。距离爆炸物最近的区域应避免使用玻璃,尽量加固墙壁。爆炸力垂直减弱,可以在能承受的情况下多安装玻璃。低矮墙壁可以设计得尽量坚固,但是最好安上窗帘加以装。这样的话,尽管下面被重重保护,但是还能有一个不错的外观。
还有一些比较重要需要注意的就是,即使是屋顶,内部大厅和大楼后面也要考虑进去。虽然爆炸力随着时间和距离大大减弱,但是这些也应该算在设计之内。如果远离爆炸的地方装配了很多玻璃,其正面也要能承受较小的力。
最弱环节
玻璃通常是承受力最小的一种,近来,在加强玻璃材料,安全地把玻璃紧扣在框架里方面,人们已经做了很大努力,而且有了更好的方法把框架镶嵌在建筑结构中。不同强度的玻璃积压和聚碳酸酯夹层使玻璃比正常承受能力强100倍。强度玻璃意味着框架可以承受更大的力。现在的框架和附加装置也设计得特别坚固,可以横跨更长的距离把增加的力转移到墙壁,楼板和其他抵抗物质。拿最小的方面来说,现有玻璃可以使用塑料膜包含玻璃碎片,这些碎片有可能飞到房间里,对人造成伤害。
其他的方法也正在考察之中。因为爆炸危险是世界范围内持续关注的话题,建筑师,工程师和制造商正在研究新的方案,寻求可以吸收破坏能量,满足审美要求,从而避免混凝土式碉堡的保护性建筑。
还有一个新办法就是弯曲玻璃系统,在把爆炸力转移到其他抵抗物质之前就先转移并吸收一部分。图5显示的就是弯曲的玻璃系统,开始吸收了一些爆炸能量,然后将少量的力转移到相邻的楼板和墙壁。ABC606-1505
图6显示的是多层面板的草图,它可以弯曲,可以在建筑内移动。通过把能量转化为流动压力和热,支撑建筑承受的力就极大减少了。这只是众多已开发的方法中的一个。
想要阅读全文?请马上订阅


