新科技成果在現代拆除爆破中的應用

王熙鵬

(天津市工程爆破協會 天津300384)

工程爆破就是利用炸藥的爆炸能量對介質做功，以達到預定工程目標的作業。隨著國民經濟的發展，工程爆破在工程建設中的作用越來越重要。我國城鎮化的快速推進使得城市的改建、擴建需求急速增長，大量原有建(構)筑物迫切需要盡快拆除。拆除爆破工程(以下簡稱“拆爆”)作為工程爆破的一個重要分支迅速崛起，并得以快速發展。

1 現代拆爆應運而生

拆除爆破作為一種特殊的工程爆破，不同于一般的爆破項目。它是利用炸藥爆炸釋放的能量，破壞被拆除建(構)筑物的主受力構件，使其喪失系統的承載能力或使其失效，在整個受力體系遭到破壞的情況下塌落、解體。綜合而言，拆除爆破具有如下4個特點：

①拆除對象的種類繁多，各種建筑物、構筑物，其體積大小各異、結構復雜，且各種材料并存，超高拆除對象及保護性拆除占比增加。

②拆除爆破的起爆網路愈加復雜，如圖 1所示。爆炸的延時精度往往要求很高。

圖1 國內某拆除爆破工程的起爆網路圖Fig.1 Initiation network of a demolition blasting project in China

③工期緊迫。由于工程建設速度的加快，拆除爆破的設計與施工必須在盡可能短的時間內完成。

④作業環境復雜，必須保障施工安全。由于爆區往往地處城市中央或城區繁華地帶，拆除爆破時必須確保爆區周邊人員、設備、設施及其他建(構)筑物的安全。

我國的拆除爆破始于20世紀50年代，隨著爆破器材和鉆孔機具的發展以及計算機技術的廣泛應用，拆除爆破技術得到了迅速發展，技術水平也得到了提高，但對于爆破有害效應的控制一直沒有明確要求。

自20世紀80年代以來，隨著拆除對象逐漸趨向高層化，拆除方法在呈現多樣化的同時對安全問題愈加重視，這就使得拆爆難度不斷增大。拆爆要在拆除對象的倒塌方式、倒塌方向、介質破碎程度、爆破堆積范圍與高度等“爆破效果”，以及空氣沖擊波、爆破震動、個別飛濺物、粉塵等“爆破有害效應的控制”兩個方面進行嚴格控制。拆爆時不僅要解決爆破控制上的技術難題，而且還必須深入研究爆破工程與環境的關系。現代拆爆工程的特征初現端倪，即要求對設計、施工、安全及環境進行全面把控。

2 控制爆破的不斷完善

控制爆破是對“爆破效果”和“有害效應”兩者同時實現可控的爆破理論和技術。現代拆除爆破工程對控制爆破的研究提出了新的課題：①方案的優化。為了適應現代拆爆的發展，需要對拆爆的設計方案進行論證、比較，通過優化設計精選爆破參數，使其更加貼近工程實際、適應爆區當地的特點。保證爆破方案安全、可靠、合理且經濟。②施工組織設計與方案(施工圖)設計等相互關聯、一體化。③強化對從業人員的培訓和指導。以控制爆破為基礎，對施工及從業人員的培訓提供理論和實踐上的支持。

當今，控制爆破的設計內容已不單單是方案設計，還包括技術設計、施工圖設計、施工組織設計、環境設計、安全設計、培訓設計等各種相關內容。爆破設計對細節的把握不斷深入和具體。從傳統的爆破參數確定與裝藥設計，到設計方案的論證和優化，再到對爆破作業環境的把控、全面的安全防護設計，都要精益求精。

傳統的控制爆破理論，大多依賴經驗參數的選擇而非函數表達，這對爆破效果及有害效應的預測造成極大障礙，導致無法實現對環境進行有效模擬和把控。隨著新科技革命的到來，一批現代科技成果陸續應用到工程實踐中。以精細化、數字化和智能化為主要特征的新科技成果，為控制爆破技術提供了科學預測和有效控制的基礎理論和工具。

3 新科技成果的應用

3.1 三維計算機輔助設計平臺

拆除爆破專用的計算機輔助設計(CAD)是利用計算機及輔助設備對拆除爆破工程進行系統設計工作。

當前在拆除爆破領域，大量的設計應用在二維空間內，借助二維 CAD軟件，可以很方便地利用已有建(構)筑物的二維資料。其設計手段基本停留在計算機“輔助繪圖”的階段。施工要點多采用放大視圖(節點圖)的方式來表達。由于與爆區、爆破對象缺乏實際的“有效關聯”，很容易造成施工中的疏漏或誤讀。對于施工成本的預計、工程費用的計算等都需要人工去單獨計算；并且很容易為爆破施工帶來隱患，難以切實保證預期爆破效果的實現和有害效應的控制要求。另外，對于拆除對象的倒塌方向與爆堆范圍的控制需要專門的設計計算，無法在二維圖像上形象、直觀地表達。

隨著新技術在工程設計領域的應用，三維設計漸成趨勢。許多建(構)筑物的資料，包括總圖(環境)資料都是三維數據。因此，三維的拆除爆破計算機輔助設計應用得越來越廣泛。

在三維 CAD設計中，利用已有的三維資料建立爆區、爆破對象的三維實體模型，對爆破工程進行系統化設計，建立單一數據源，各種要素相互關聯。構建結構化數據體系、一體化應用模型，這樣既避免了二維設計時易出現的疏漏和誤讀，又方便對設計方案進行修改和調整，加上建立在云平臺的社區式協同特點，變“文件共享”的串行工作為“同步、一體化”的并行工作模式；改變當前的“文件交付”方式為“數據交付”方式，從而大幅提高設計工作的效率和工程質量。

三維 CAD在設計完成后即可進行工藝設計，馬上對爆破作業的施工工序進行分解，進而完成施工組織設計、施工計劃及工程預算編制等相關內容；同時與各施工環節密切相關的施工組織、計劃、預算等設計、統計等工作都可以更方便地展開，實現了現代拆爆系統的一體化設計。

使用三維 CAD更便于進行優化。在完成主要設計內容、確定爆破方案后，可與數值模擬相對接。通過數值模擬對爆破結果進行預測、仿真、優化設計，進而制定出更合理、可靠的爆破施工及項目管理方案。同時還可以確保實際爆破中存在的問題在早期就被發現和解決。

3.2 高速圖像分析技術

采用高速攝影的方法拍攝實體的變化過程，運用光學測量技術把空間信息和時間信息完整地記錄下來。利用與這種高速攝影技術相匹配的高速圖像分析軟件，對高速攝影記錄的信息(如：運動規律、飛行軌跡、姿態變化以及力學彈性等)進行分析。

對于現代拆除爆破工程，減少爆破產生的粉塵污染是控制爆破有害效應中必不可少的環節。當前，雖然降塵方法層出不窮，但實際效果卻仍有待增強。為了更有效地降塵，就需要深入研究粉塵的形成、擴散機理，以采取直接、有效的降塵措施。采用高速圖像分析技術對建(構)筑物材料在爆轟載荷下解體、擴散的過程進行記錄，通過這些數據對粉塵的形成過程進行解析，進而制定合理的技術方案及措施，對粉塵這一有害效應實施有效的控制。

3.3 無人機技術

無人機是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛行器，由于其體積小、造價低、攜帶方便、對環境要求低，近年來被大量應用于工程實踐，如圖2所示。

圖2 工作人員正在操縱無人機進行航拍Fig.2 A technology manipulates a drone for erial photography

在爆破設計初期，設計人員需要對爆破作業環境的實時狀況進行詳細、全面的掌握。目前普遍使用衛星地圖來實際了解爆區及周邊環境，但由于衛星地圖更新周期比較長、更新頻率偏低，因此難以實時掌握爆區及周邊環境的狀況，時常要派駐人員進行現場勘查。借助無人機技術，在工程現場對整個爆區及周邊環境進行詳實的查勘、記錄，可以大幅降低項目成本，同時為后續工序的實施如鉆孔、裝藥、敷設網路等建立統一的參照依據。

3.4 虛擬現實(VR)技術

虛擬現實依靠計算機系統生成具有臨場感覺的環境，讓人借由各種特殊裝置(專用頭盔、眼鏡等)將自己“投射”到這個環境中，模擬真實操作，以實現某些特定的目的。虛擬現實是一種可視化操作的嶄新方式，是一種實現人與環境互動的高級模擬系統。圖3展示了一種虛擬現實的成套裝備。

圖3外國某公司研制的成套 VR裝備，使用者穿戴后可以感受打擊、高溫與爆炸Fig.3 A foreign company developed complete set of VR equipment that make people feel the blow，heat and explosion after wearing it

虛擬現實技術的人機交互遠比一般計算機的人機交互要形象和具體，其多感知性和沉浸性可以更便于向他人展示設計結果。利用這一技術就可以將紙面上的爆破方案直觀地展現在觀眾眼前，使觀眾可以對即將發生的爆破過程進行更真切的了解、觀察和體驗。這在投標述標、介紹方案、技術研討等場合都將發揮重要作用。

當前，在施工作業前對操作要點的說明過分依賴圖紙和說明書，施工要求難以全面、形象地表達。通過虛擬現實技術就可以讓作業人員“身臨其境”、實際操作、正確掌握，糾正錯誤的操作方式，可以切身體會到個人學習需求的滿足感。這遠比現場面授的效果要好得多。這對于保證施工質量，提高工作效率會起到相當大的作用。

在安全培訓、爆破作業人員的培訓中，虛擬現實技術也可以完全取代現有的面授培訓。在面授培訓中，對于爆破作業的具體操作方法、爆破作業的鉆孔與裝藥的具體做法，由于沒有實際設施而很難使學員正確把握操作細節。利用虛擬現實技術可以輕而易舉地做到這一點。

圖4 國內某公司利用VR套件進行的安全培訓Fig.4 Security training for a company in China using VR

對于爆破作業環境潛在的安全隱患，在施工準備階段與面授培訓中，通過圖像和語言來解說很難讓人切身體會到人身的傷害苦痛。引入虛擬現實技術則可以使作業人員真切體驗到安全的重要性。圖 4展示的是采用虛擬現實技術進行安全培訓的實景。

4 現代拆爆的發展愿景

我們正生活在第4次科技革命的浪潮中，數字技術的發展使各個行業紛紛轉型。新興的現代拆除爆破行業同樣不會例外。隨著新科技成果的不斷涌現，控制爆破技術在新科技成果的帶動下必將不斷完善。而現代拆爆對新技術手段的應用，對完善爆破設計理論、提高設計水平和施工水平定會有所助益。現代拆爆將在控制爆破技術的推動下不斷創新，數字化、系統化、智能化的現代拆爆離我們已經越來越近，一個個巨大的飛躍即將展現在我們面前。■

［1］汪旭光. 爆破設計與施工[M]. 北京：冶金工業出版社，2011.

［2］東兆星，邵鵬. 爆破工程[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2004.

［3］韋愛勇，王玉杰，高文學. 控制爆破技術[M]. 成都：電子科技大學出版社，2009.

［4］汪旭光，于亞倫. 拆除爆破理論與工程實例[M]. 北京：人民交通出版社，2008.

［5］池恩安，羅德丕，魏興，等. 爆破拆除工程案例分析[M]. 北京：冶金工業出版社，2015.

［6］國家質量監督檢驗檢疫總局. 爆破安全規程：GB,6722—2014[S]. 北京：中國標準出版社，2015.

［7］李曉旭. 淺談 CAD繪圖軟件在服裝、建筑、機械、電子四個工作領域中的應用[J]. 中國校外教育，2017(25)：65-71.

［8］曹麗娜，田曉霞. 三維 CAD 技術在機械設計中的應用研究[J]. 裝備制造技術，2014(6)：97-99.

［9］劉華寧，鄭宇，李文彬，等. 基于高速攝影技術的速度測量方法[J]. 兵工自動化，2014，33(11)：71-74.

［10］孫祥一，胡建，王鯤鵬，等. 高速攝像三維圖像分析技術與應用[J]. 宇航計測技術，2010，30(6)：30-34，44.

［11］劉德建，劉曉琳，張琰，等. 虛擬現實技術教育應用的潛力、進展與挑戰[J]. 開放教育研究，2016，22(4)：25-31.

［12］丁楠，汪亞珉. 虛擬現實在教育中的應用：優勢與挑戰[J]. 現代教育技術，2017，27(2)：19-25.

［13］姜濤. 虛擬現實技術在復雜建筑施工中的應用[J]. 科技創新導報，2017，14(5)：46-48.