美國建筑抗震設計規(guī)范的歷史和今天

周健

前言

地震是各種自然現(xiàn)象中最具破壞性的，也是最難以預測的。破壞性地震發(fā)生在人口密集地區(qū)，往往會造成人員傷亡和大量的財產(chǎn)損失。截至2015年，大約有一半美國民眾要面對潛在地震引發(fā)地震動所帶來的損失（USGS， 2015）。在地震危險區(qū)居住的人口逐年增加，這意味著地震事件帶來的潛在損失越來越高。據(jù)聯(lián)邦應急管理署（簡稱FEMA）的估算，美國每年的估計地震損失額（也稱為“年均地震損失”AEL）已達到61億美元。在這其中，55個美國大都市圈的AEL要占到85%（FEMA，2017）。圖1展示了美國各個地區(qū)所面臨的地震危險。

圖1 美國的地震危險性資料來源：International Code Council （2018）

雖然地震的襲擊無法阻止，但人們可以采取應對措施來減少地震造成的生命財產(chǎn)損失，這其中最重要的就是應用最新的建筑設計規(guī)范。就像抗震專家們反復強調(diào)的：“地震本身不會傷人，但倒塌的建筑卻要人性命。”

通過建筑抗震設計規(guī)范提高抵御地震災害的能力

在美國，建筑設計規(guī)范規(guī)定了應如何設計、建造、改造和維護建筑物。這些規(guī)定是保障建筑居住者健康與安全的最低要求。聯(lián)邦政府不負責這些建筑設計規(guī)范的適用范圍，而是由州和各地方的行政當局決定是否采用并推動執(zhí)行。事實證明，對于一個社區(qū)來說，采用并強制實施最新的建筑設計規(guī)范是最有效的地震減災策略之一。在過去的一個世紀里，建筑設計規(guī)范中的地震條款幾經(jīng)更新，大幅演進。1927年的《統(tǒng)一建筑規(guī)范》（Uniform Building Code，UBC）中首次給出了抗震設計的條款。1949年版的《統(tǒng)一建筑規(guī)范》包含了第一張美國地震危險性地圖。1976年版《統(tǒng)一建筑規(guī)范》中加入的新條款是根據(jù)1971年發(fā)生的圣費爾南多地震的經(jīng)驗教訓總結而成的。當時新建的Olive View酒店在地震中發(fā)生了嚴重破壞（圖2）。酒店在震后被拆除并按照更加抗震的結構形式重建，重建的酒店在1994年北嶺地震中僅受到了輕微的結構損傷（圖3）。圣費爾南多地震暴露出了當時的抗震設計規(guī)范條款所存在的不足，并最終促成了“美國國家地震減災計劃”（National Earthquake Hazards Reduction Program，NEHRP）的啟動。

圖2 圣費爾南多地震造成新建的Olive View酒店嚴重破壞（資料來源：USGS，2003）

圖3 重建的Olive View酒店在1994年北嶺地震中僅受到了輕微的結構損傷（資料來源：USGS，2003）

到了20世紀90年代，地震條款的使用變得更加普遍。其中有3個建筑設計標準規(guī)范被廣泛應用。這三個規(guī)范均包含抗震條款，分別是：

1.國家建筑官員會議（The International Conference of Building Officials，ICBO）發(fā)布的《統(tǒng)一建筑規(guī)范》（即UBC），主要為西部各州所采用。

2.國際建筑官員與規(guī)范管理人員聯(lián)合會（The Building Officials and Code Administrators International， Inc.，BOCA）發(fā)布的《BOCA國家建筑規(guī)范》（BOCA National Building Code，BOCA/NBC），主要為東北部和中部各州所采用。

3.南方建筑規(guī)范國際委員會（The Southern Building Code Congress International， Inc.，SBCCI）發(fā)布的《標準建筑規(guī)范》（Standard Building Code，SBC），主要為東南部各州所采用。

1994年，這三個地區(qū)性標準規(guī)范的發(fā)布機構組織成立了“國際規(guī)范委員會”（International Code Council，ICC），為全美制定了一套統(tǒng)一的國家級建筑設計規(guī)范以降低建筑設計建造的成本和復雜性。2000年，ICC發(fā)布了首個國際通用的建筑設計規(guī)范——《I-Codes規(guī)范》，并每3年對規(guī)范進行一次修訂?！禝-Codes規(guī)范》包括《國際建筑規(guī)范》（International Building Code，IBC）、《國際住宅規(guī)范》（International Residential Code，IRC）、《國際既存建筑物規(guī)范》（International Existing Building Code，IEBC）和 其他標準規(guī)范。其中2015年和2018年版《國際住宅規(guī)范》是針對獨立式單層和兩層民居以及聯(lián)排民居的，2015年和2018年版的《國際建筑規(guī)范》針對的是更大型更復雜的民居以及其他住宅和非住宅類房屋。這兩款規(guī)范均包含最新的抗震設計條款和參考性標準。

今天，美國大多數(shù)的州和社區(qū)都應用了囊括建筑設計、檢驗以及抗震參考性標準的《I-Codes規(guī)范》（FEMA， 2019）?！禝-Codes規(guī)范》不斷地將最新的技術標準收錄其中，如美國土木工程師學會（American Society of Civil Engineers，ASCE）結構工程研究所（Structural Engineering Institute，SEI）的第7號標準《建筑和其他結構物的最小設計荷載和相關準則》（Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures，ASCE/SEI 7）提供了建筑和其他構筑物的地震工程設計需求以及其他防災和設計荷載方面的規(guī)定。

美國每年有大量的住宅和其他建筑在地震高危險區(qū)和極高危險區(qū)建設。根據(jù)美國統(tǒng)計局建筑許可調(diào)查的數(shù)據(jù)，這些地區(qū)的住宅開工許可數(shù)量從2010年的每年約17000件增長到了2018年的每年約25000件。采用并強制實施最新的國家級建筑抗震設計規(guī)范條款是降低社區(qū)地震風險的最重要措施。相對于沒有按照規(guī)范、采用過時的規(guī)范或沒有完全按照規(guī)范進行抗震設計的建筑，按照最新版本的抗震設計規(guī)范進行抗震設計的新建建筑具有更好地抵御地震災害的能力，而這也意味著社區(qū)地震韌性的提升。民眾可以聯(lián)系州或地方行政當局的建設部門以確認所在的社區(qū)是否采用了最新的抗震設計規(guī)范。

旨在減輕地震風險的聯(lián)邦級合作計劃“美國國家地震減災計劃”

地震無法避免，但人們可以減輕地震造成的人員傷亡和經(jīng)濟財產(chǎn)損失。美國國會于1977年批準的第95-124號法案啟動了“美國國家地震減災計劃”（National Earthquake Hazards Reduction Program，NEHRP）。該計劃旨在通過建立并實施減輕地震災害的有效措施，來降低未來地震事件造成生命和財產(chǎn)損失的風險。2018年，美國國會批準了第115-307號法案，對NEHRP計劃進行了最新一次的重新授權。

NEHRP計劃由四個聯(lián)邦機構共同參與完成，旨在提高對地震危險性和地震風險的認識，降低國家在地震災害中的脆弱性。NEHRP主要包括地震相關的監(jiān)測和研究、建筑規(guī)范和標準、技術導則、防震意識、防震教育以及國家的地震撥款計劃。參與NEHRP的四個聯(lián)邦機構為：聯(lián)邦應急管理署（Federal Emergency Management Agency，F(xiàn)EMA）、美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST，該院是NEHRP計劃的領導機構）、美國國家科學基金會（National Science Foundation，NSF）、美國地質調(diào)查局（U.S. Geological Survey，USGS）。這四個機構在NEHRP計劃內(nèi)制定合作基礎上的工作進程，以提高美國的地震韌性。得益于這個進程，美國制定出了有效的抗震建筑規(guī)范和標準使社區(qū)更加安全。這個進程包括開展地震研究、開發(fā)新的抗震設計施工技術和工具、將科研成果納入建筑規(guī)范和標準，以及鼓勵社區(qū)采用并強制執(zhí)行最新的建筑規(guī)范和標準。

NEHRP發(fā)布的《對新建建筑和結構物的推薦地震條款》（以下簡稱NEHRP推薦條款）基于最新的抗震科技成果，為美國建筑規(guī)范和標準的制定提供支持。該條款主要包括以下幾方面內(nèi)容：提高建筑物的抗震性能、更新設計地震動地圖、評估新的抗震結構體系、更新地震規(guī)范條款、評估新型建造技術和材料的抗震設計需求。自1985年首次發(fā)布以來，NEHRP推薦條款每三到六年更新一次，最近一次更新是在2020年9月。推薦條款對于NEHRP計劃來說，是其實現(xiàn)減輕未來地震對新建建筑風險至關重要的組成部分。現(xiàn)如今，推薦條款中的絕大多數(shù)更新均被ASCE/SEI 7標準采用，從而被納入國家標準建筑設計規(guī)范之中。圖4展示了一些重要的地震災害以及對NEHRP推薦條款的修訂產(chǎn)生重大影響的節(jié)點性事件。

如用種子重量0.3%～0.4%的70%的敵克松粉劑拌種，可防治番茄、茄子、辣椒、黃瓜的立枯病；用種子重量的0.3%～0.4%的氧化亞銅拌種，可防治黃瓜猝倒??；用種子重量0.3%的50%的福美雙拌種，可防治菜豆葉燒病。

圖4 重要的地震災害以及對NEHRP推薦條款的修訂產(chǎn)生重大影響的一些節(jié)點性事件

2020年版NEHRP推薦條款開展和提供了以下重要的更新完善、修訂新的概念以及背景信息：

1.基于2018年USGS的國家地震危險性模型（National Seismic Hazard Model）的新的設計地震運動值和地圖，其中包括美國中部和東部的新的地震動模型，洛杉磯、西雅圖、舊金山和鹽湖城地區(qū)的盆地效應模型，以及地震目錄的更新。

2.新的多周期的反應譜提高了抗震設計地震動的準確性，并修正了被低估的近斷層軟土場地對中高層建筑的地震動影響。

3.新的非結構構件設計荷載計算公式，以提高重要的非結構構件，如建筑裝飾物、設備和電氣設施的抗震性能。

4.新的替代設計方法以提高采用剛性墻體（如磚混結構或立墻平澆混凝土結構）和柔性屋頂（如木覆板或裸金屬鋪板）的大型單層商業(yè)或工業(yè)建筑的抗震性能。這類建筑通常用作倉庫或大型倉儲超市。

5.鋼板混凝土連肢組合剪力墻結構的新條款。這種結構形式已被證明用于地震高危險區(qū)的高層建筑上具備良好的抗震性能。

抗震設計規(guī)范持續(xù)提高社區(qū)的地震韌性

建筑抗震設計規(guī)范對建筑物提供保護以最大程度地減少建筑物在地震中發(fā)生倒塌的可能性（圖5）。然而，在大地震中，即使進行過合理的抗震設計的建筑依然有可能遭受破壞。為了進一步提高地震韌性，建筑抗震設計規(guī)范對于重要的基礎設施，如醫(yī)院、關鍵性公用設施、學校和存儲危險品的建筑給出了更高的保護級別。建筑抗震設計規(guī)范還限制或禁止在地震高危險區(qū)建設某些地震易損性高的建筑。

圖5 2010年智利地震中康塞普西翁市一棟倒塌的5層公寓（資料來源：USGS，2011）

目前美國的建筑設計規(guī)范和標準中，有以下幾個值得關注的要求：

1.公共設施以及人員密集的中小學校和高等院校的抗震設計所采用的地震荷載應比一般建筑提高至少25%。

2.具有應急功能的醫(yī)院、消防用水儲存和泵送設施、高危物品儲存設施、應急指揮中心、避難場所的抗震設計所采用的地震荷載應比一般建筑提高至少50%。

3.普通的素磚混房屋（即沒有鋼材加強的房屋）不能建設在中等危險區(qū)或更高的危險區(qū)內(nèi)。

地震事件 · NEHRP推薦條款·規(guī)范修訂

4.延性抗震體系、特殊的施工技術以及對應的檢查應在高危險區(qū)和極高危險區(qū)的新建建筑中實施。

5.重要的機械、電氣、管道（EMP）和建筑構件等非結構物應緊系和/或錨固于主體結構以抵御地震作用力和地震運動。

建筑抗震設計規(guī)范是地震韌性的基石。因此，F(xiàn)EMA鼓勵所有的州和地方行政當局采用并強制實施最新版本的建筑抗震設計規(guī)范。采用最新的建筑抗震設計規(guī)范，即IBC和IRC，意味著將最新的抗震規(guī)范要求納入后續(xù)所有的新建建筑施工中。

建筑抗震設計規(guī)范一般來說不具有追溯的效力，即現(xiàn)存建筑僅符合它們新建時生效的建筑規(guī)范。因此，老舊建筑將不符合現(xiàn)有的規(guī)范要求。有時即存建筑進行重大的改建、維修、擴建或改變使用用途時，則會違背現(xiàn)行規(guī)范從而可能需要進行抗震加固。

如果一個社區(qū)擁有大量抗震性能不良的既有建筑，可以針對當?shù)亻_展地震的減災計劃來應對這個問題。地方行政當局可以出臺相應的抗震法令，要求對抗震性能不良的建筑類型或重要的公共建筑如學校和醫(yī)院等進行評估和改造。業(yè)主也可以自愿地按照建筑規(guī)范的要求對建筑進行抗震翻修以降低地震易損性?！秶H既存建筑物規(guī)范》（IEBC）和國家參考標準《既有建筑物的抗震評估和改造》（Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings，ASCE/SEI 41）通常用于此類抗震翻修工程。FEMA一直支持IEBC和ASCE/SEI 41規(guī)范的修編，研發(fā)了多類技術資料用于無鋼筋加固的砌體結構、無延性的混凝土結構以及首層薄弱的木框架結構等地震易損性高的即存建筑的加固改造。近期完成并收錄于FEMA P-58系列的基于性能的設計（Performance-Based Seismic Design，PBSD）方法、評估和導則為管理者和建筑工程師設計良好抗震性能的新建筑以及舊建筑的抗震改造工程提供了寶貴的工具。

為防御地震災害并保持防災韌性，社區(qū)還應加強其核心基礎設施、生命線工程和關鍵設施的抗震能力，但完全符合最新抗震設計規(guī)范的建筑是處于地震風險區(qū)社區(qū)的最佳防震投入（圖6）。

圖6 最新版本的建筑抗震設計規(guī)范在美國地震高危險區(qū)和地震極高危險區(qū)各縣中的使用情況

美國減災項目和政策的最新動態(tài)

FEMA的NEHRP州援助撥款計劃（NEHRP State Assistance Grant Program）支持地震減災工作，如建筑規(guī)范的使用、地震脆弱性評估、風險意識宣貫，以及州和地方社區(qū)的減災活動。根據(jù)各州和地方社區(qū)的地震危險程度，該計劃通過非營利組織、高校之間的競標加上與有地震危險的州的單獨合作項目撥付資金。

近期的立法對FEMA如何支持震前和震后的減災的方式做出了重大調(diào)整。例如2018年的《災后恢復和重建法案》（Disaster Recovery and Reform Act，DRRA，公共法第115-254號）對1988年的《羅伯特斯坦福減災與應急援助法案》（也稱《斯坦福法案》，Robert T. Stafford Disaster Relief and Emergency Assistance Act，公共法第100-707號）的修訂。《災后恢復和重建法案》的第1234節(jié)修訂了《斯坦福法案》的第203節(jié)，即通過更新州和地方的建筑規(guī)范來實現(xiàn)更有效率的減災。通過各類投資措施，DRRA的第1234節(jié)構筑了一個鼓勵社區(qū)采用并強制執(zhí)行最新的建筑規(guī)范的激勵機制。它允許一些特定的減災資金根據(jù)一個社區(qū)采用最新版IBC和IRC抗震設計規(guī)范的情況決定增加撥款還是減少撥款。

DRRA第1234節(jié)還啟動了“國家公共基礎設施災前預防撥款計劃”（National Public Infrastructure Pre-Disaster Hazard Mitigation Grant Program），F(xiàn)EMA將其稱為“建設韌性基礎設施和社區(qū)”（Building Resilient Infrastructure and Communities，BRIC）。BRIC項目的資金來自于政府的災難援助資金。根據(jù)評估得出的災難援助資金總額中將留出6%作為“減災基金”（Disaster Relief Fund）用于資助BRIC項目。根據(jù)FEMA的設想，該計劃將激勵大型基礎設施項目的創(chuàng)新，并將依賴建筑設計規(guī)范作為韌性社區(qū)的基石。

另外，DRRA對《斯坦福法案》的第404節(jié)（a）建立的“減災撥款計劃”（Hazard Mitigation Grant Program，HMGP）進行了修改?！皽p災撥款計劃”建立了賑災基金，以在大災后恢復和提高社區(qū)的災害韌性。DRRA在第404節(jié)（a）中增加了表述，明確了提高韌性是HMGP的最終目的之一。

FEMA還修改了HMGP項目中的“5%”倡議。HMGP項目規(guī)定，賑災資金最多有5%可用于難以使用當前FEMA批準的成本效益方法進行評估，但可降低生命和財產(chǎn)損失風險的項目，而這些項目往往是與建筑規(guī)范相關的。這些資金可以被單獨留出以資助建筑規(guī)范相關的工作，包括采用最新的建筑規(guī)范，提高建筑抗災技術的認知，以及更新社區(qū)現(xiàn)有的規(guī)范條款。在2015年以前，F(xiàn)EMA的《減災援助導則》規(guī)定這5%的資金只能用于颶風和其他風災災種。FEMA現(xiàn)在將這5%的限額提高到10%，并將范圍擴大到所有災種。獲得此資金資助的減災項目必須將防災建筑技術納入災害韌性之中。