基于建筑結構倒塌模擬的防倒塌設計

梁均盛

（廣東蓬江建筑設計院有限公司，廣東 江門 529000）

實際的建筑結構倒塌模擬與分析不僅要針對于倒塌前的狀態，而且要從建筑結構倒塌的整個過程入手，通過觀察建筑結構倒塌的整個過程來分析倒塌成因，對此則需要從建筑結構的主體構件，混凝土結構、砌體結構兩大方面出發來模擬其倒塌數值，并采用圖形仿真技術，對結構倒塌提供形象、逼真的圖形模擬，進而為抗倒塌設計提供科學的依據。

1 建筑結構倒塌模擬

1.1 混凝土結構倒塌模擬

（1） 結構部件的破壞原理

混凝土結構倒塌始于內部重要構件坍塌后帶來的關聯性塌陷。對此需要明確構件的破壞原理，建筑物爆炸受損的一霎，將帶來極大的沖擊荷載，以試驗方式分析了鋼混結構部件爆炸荷載沖擊下的破壞特點，通過試驗結果檢驗了構件受損、受破壞的相關數值，同時，模擬墻體、根柱的數值，采用能量法得出了墻構件、柱構件因為受到爆炸荷載影響后產生的破壞漸近線，如下圖1 所示。

當某一爆炸荷載點出現在紅色破壞漸近線的左上方時，意味著此結構部件將受損。

（2） 結構倒塌模擬

關鍵性的結構部件受損后，此結構則可能發生坍塌，具體可以從平面、空間兩個角度模擬分析。平面角度剖析鋼混框架構造坍塌時，可以把其梁柱結構離散為幾個剛體，從法向、切向與受彎幾大彈簧單元來分析不同剛體間的受力狀態。也就是當某一關鍵結構部件受損，則會從整個建筑結構中踢掉，具體則要分析此動作對余下的結構形成的動力效應。

1.2 地震力下的結構倒塌模擬

（1） 混凝土框架構造

根據離散結構圖，可以將三維拉、壓彈簧組設置于單元鏈接位置，同時，引進單軸混凝土彈簧滯回模型、鋼筋彈簧力滯回模型。同樣借助離散單元法來深入分析地震力對混凝土結構的破壞，模擬結構倒塌整個經過，經過試驗結構得出：數值模擬法能提供高精度的試驗結果。

（2） 砌體結構

不同于混凝土構造，砌體結構發生倒塌時，不僅無法保持連續，而且局部形狀會大變，而且砂漿強度通常較板材自身弱，從而使得砂漿灰縫內有大量的裂縫產生，對此應嘗試把砌體結構想成無法變形的砌塊合體，對應創建一個三維離散元模型，見圖2 所示。

不同塊體間憑借砂漿來彼此協調，彈簧的本構模型如下圖3。同樣選擇離散單元法能夠對結構倒塌的全過程加以模擬，試驗數據的結果證明模擬程度較好。

1.3 結構倒塌過程的圖形仿真

建筑結構倒塌整個過程中的相關數據、數值等可以通過圖形來仿真、呈現。要想達到對建筑工程結構的多維度地震力作用探究，則可以依賴于結構圖形建模技術，呈現出結構倒塌的清晰的三維結構圖。

（1） 三維結構圖建模

利用OpenGL 可以借助數據文件、交互圖形界面等形成一個三維結構圖，通過參照數據文件內部的相關數據、信息則能夠把對象根據其形狀大小等清晰地出現在虛擬空間坐標系，并根據現實的方向來轉動，最終根據形心坐標對應轉移至合適的部位。各個單元都采取相似的程序操作，而且要妥善處理消隱技術，最終就能獲得一個完整的以及細微環節的三維模型。

（2） 三維動畫呈現結構變形

建筑結構倒塌時要通過三維動畫來呈現，對此可以借助此軟件的雙緩沖功能，接連持續地呈現圖形，并動態地展示出來，這樣就能全面、真實地結實數據計算結果，也能達到對建筑工程結構崩潰的三維展示，為建筑工程結構的防倒塌設計提供依據。

2 建筑結構防倒塌設計

建筑工程結構倒塌主要包括兩大形式：整體破壞導致的全盤倒塌以及局部破壞造成的連續性倒塌。其中前者的預防倒塌設計只是從理論上本著大震不倒的方向，然而，卻缺少科學的依據和計算。后者的防倒塌設計則選擇兩大方法：第一，以明確的突發性災害所帶來的偶然荷載，對應的結構反應加以設計，屬于常規性設計。第二，忽略災難的荷載與外力，關注自身結構是否牢固、結實而形成的結構設計。如果是混凝土構造，通常選擇替代荷載路徑法，也就是人為地除掉混凝土結構中的核心結構部件，并分析余下的構造有無連續倒塌的可能。具體的防倒塌設計流程大致為：

第一，常規設計，創建結構模型，明確承重構件去除工況，對各個去除工況添加荷載組合。

第二，檢查構件有效與否。當構件有效則要完成加載，相反，若構件無效則要排除那些無效構件，而且要將此構件的自重添入下層對應部位。

第三，完成加載，并檢查結構破壞范圍超限與否，如果超限則意味著未達到抗倒塌設計的標準，則要再次設計結構，相反，如果結構破壞范圍未超限，則此防倒塌設計正常通過。

第四，最后還要檢查有無未驗算的工況，沒有未驗算工況則可以結束設計，相反，存在未驗算的工況，則要除掉此工程施加的荷載組合。

替代荷載路徑的設計法有效克服了不同作用力之下所帶來的不定性與復雜性，屬于現階段建筑工程抗連續倒塌設計最常見的方法之一。

3 結語

離散單元法應用于建筑結構倒塌模擬具有一定的科學性、準確性，通過空間結構倒塌的相關數據、數值模擬，能夠得出建筑結構倒塌不同構件的斷裂先后，從而明確不同構造的倒塌原理。建筑結構防倒塌設計依然處于探索時期，要不斷地更新發展，才能為建筑結構防倒塌設計提供更優參考。