施工技术｜如何科学地炸倒一栋楼？

在2017年11月中旬的空间结构会议开幕式上，蓝天教授发表了演讲，分享了他近期在美国和加拿大游历期间的见闻和思考。其中，谈到具有历史意义的Georgia穹顶，于2017年11月20日爆破拆除，大家深感惋惜。

▲Georgia穹顶旧照

1992年建成的Georgia穹顶由Levy等人设计，作为1996年亚特兰大奥运会的主场馆。由于体系创新，该类型穹顶被称为Levy穹顶。

▲新旧两个体育馆合影

如此具有历史意义的建筑为什么要拆除? 小编 在网上查了一下。 Georgia体育场南侧新建了一个带有可开合屋顶的新体育场，离得非常近。 有团体向州长办公室申请保留Georgia穹顶，但政府认为保留一个7万人的体育场，在经济上是不可行的。 所以，最终决定爆破拆除Georgia穹顶。

▲Georgia Dome爆破过程

Georgia穹顶距离新建的体育馆只有25m，如何保证建筑爆破的碎片不影响新建的体育馆？小编不是这方面的专家，查阅了相关资料，发现建筑爆破与自己之前的想像相差很多。下面，小编简单向大家介绍一下自己的学习笔记，主要是相关的基础知识、一个高层和一个大跨混凝土穹顶的拆除案例。

对于爆破拆除，很多人的第一印象可能是这样的。

但实际上，这是爆炸，不是爆破。爆破拆除的核心理念并不是把整个建筑炸的灰飞烟灭，而是只破坏关键的承重结构，以让建筑可控制地倒塌，在重力的作用下尽可能地破碎成小块儿。

并且尽可能地降低对周围环境的影响。比如周围有房子，周围有地铁线路，都将对爆破拆除提出更高的要求。

如今主流的爆破拆除主要由三种方式：定向倾倒法、原地垂直塌落法和内爆法。

- 三种 爆破的 方法 -

01.定向 倾倒法

定向倾倒法是在建筑下部炸出一个三角形的切口，让建筑朝着切口方向倾倒，冲击地面而解体。通常要预留出大于建筑高度 2/3 ~ 3/4 的倒塌场地。

这种方法施工简单，成功率高，是国内最常用的方法。也叫定向爆破。

切口高度如果过小，有可能造成爆破后倾而不倒的尴尬局面，过大则可能酿成上层建筑倾覆翻滚的危险情况。

对于较高的建筑，还可以安排多个切口，形成折叠倾倒，缩短倒塌距离。 

1999年2月28日，上海长征医院16层病房大楼，朝同一个方向开设多个切口，按照设计方向准确倒塌在预定范围内。

主楼高56m，最高点（电梯动力房）68.4m。爆破后，主楼向南倾出17.1m，其中电梯动力房倾出30.6m。爆堆高度11.6m。周围建筑及设施安然无恙。

02.原地垂直塌落法

原地垂直塌落法是让建筑物底部一定高度的承重结构瞬时全部爆破，使其垂直塌落冲击地面而解体。通常只需预留 1/3 ~ 1/4 建筑高度的塌落场地即可。

主要适用于砖砌楼房、单层排架厂房等结构强度本身就低的建筑物。

但是如果楼本身强度比较高，也有可能出现炸了下面几层，上面的完整坐下来的情况。

03.内爆法

内爆法则是依次破坏建筑内部的承重结构，让外围的构件向内倾倒，互相撞击碎裂从而塌落。可以让建筑几乎全塌落在自身区域内。

内爆法非常适合拥挤的城市空间，在美国应用广泛，但方法非常复杂，国内案例较少。

严格来说，内爆（implosion）是一种内部坍塌的事件，因为外部大气压力大于内部压力。例如，如果您从玻璃管中抽出空气，它可能会内爆。

建筑物内爆并非真正的内爆，大气压力不会拉动或推动结构向内，是重力使其坍塌。但是，内爆这个词通常用于描述这种拆除。我们就理解为这是一个约定俗成的命名。

对不同的材料使用不同的爆炸物，并根据材料的厚度确定所需的炸药数量。对于混凝土柱，使用传统的乳化炸药即可。炸药只是浸泡在高度易燃的化学品或化学品混合物中的吸收性填料。当化学品被点燃时，它会迅速燃烧，在短时间内产生大量的热气体。这种气体迅速膨胀，对周围的任何物质施加巨大的向外压力（约10GPa）。

- 两种炸药使用 -

01.乳化炸药

乳化炸药的主要成分为硝酸铵，爆速一般在4000m/s 左右，价格低廉，应用广泛。

将这种爆炸性材料塞入狭窄的钻孔中。当爆炸物被点燃时，突然向外的压力会发出强大的冲击波，以超音速破坏柱子，将混凝土粉碎成微小的块状物。

02.塑 胶炸药

主要成分是环三次甲基三硝胺，爆速可超过 8000 m/s，能直接切断钢材，非常适合钢混结构建筑的爆破。

由于钢材比混凝土强度更高，对于具有钢支撑结构的建筑物，通常使用专门的爆炸性材料环三次甲基三硝胺，简称为RDX。基于RDX的爆炸性化合物以非常高的速度膨胀，高达每秒8,230米。

实际上，也不是将整个钢柱粉碎，而是利用爆炸形成的切片直接穿过钢板，将其切成两半。或是将燃炸药在柱的一侧引爆，以将其推向特定方向。

-两个 建筑的爆破案例 -

01.高层建筑爆破

小编查了国外一家的网站，典型的高层建筑爆破方式是这样的：

▲拆除前全景

▲爆破设计，确定倾倒方向

▲确定爆破楼层

▲确定爆破构件

确定哪些构件是事先破除的，哪些是要被爆破拆除，哪些位置要先切断钢筋等等。并且设定好爆破时间，0.3s延迟~1.75s延迟。靠近倾倒方向的构件延迟少，远离倾倒方向的构件延迟多。

▲爆破前准备工作

移除软装，预先削弱隔墙。隔墙并不承重，但是也会阻碍结构的倒塌。

▲试验爆破

使用多少炸药是可以根据原结构的图纸计算出来的。但大多数时候，爆破时不会仅仅依赖这些数据。为了确保柱子不会过载或欠载，爆破前会对一些柱子进行试验爆破，

爆破工程师根据试爆的情况，确定拆除柱子所需的最小爆炸装药量。通过尽可能地减少炸药的用量，最大限度地减少飞溅碎片，减少损坏附近建筑的可能性。

▲围栏和织物保护

为了进一步减少飞行碎片，在每根柱子周围缠绕围栏和土工织物。围栏使大块混凝土不会飞出，织物则捕获大部分较小的碎片。

▲引爆装置，延迟装置。

▲爆破实施

▲平整场地

02.大跨空间结构的爆破

对于大跨空间结构，爆破拆除的案例并不多，Georgia穹顶可能由于爆破实施时间不长，网上没有相关资料。下面以西雅图国王穹顶（Kingdome）为例，介绍大跨空间结构的爆破拆除方式。

Kingkome是第一个在美国被拆除的大型圆顶体育场，为混凝土薄壳结构。1976年3月27日建成，2000年3月26日，爆破拆除。

Controlled Demolition Inc. 负责此项目的拆除，经过一年半的结构分析，并考虑周围环境的影响，最终内爆方案被采用，爆破Kingdome的两个重要挑战在于：1. 穹顶的拱肋为向外的推力，若把柱底爆破成铰，柱子很有可能向外倾倒。而在柱子的倾倒半径内有房屋和铁路轨道。2. 爆破将产生125000吨混凝土碎片，这些碎片从高处坠落的能量，将对埋设在地下的管线、周围的铁轨和建筑产生非常不利的影响。

为了控制震动，CDI设计了一个程序，可以引爆小型炸药，以解体屋面结构，使其在空中解体，而不是整个地坠落到地面。同时，预先压碎混凝土看台和座椅，作为混凝土屋面落下的缓冲装置，以进一步控制屋面下落产生的震动。为了，达到预期的爆破效果，爆破单位共钻了5905个孔，分布在柱、环梁、屋盖梁上。共装填了2.1t炸药。并且，将爆炸顺序共分为900次延迟，以精确控制结构的坠落，并减少因空气超压而形成的碎片。

分步解读一下kingdome爆破的实施步骤

第1步。分析结构，结构柱、环梁、屋顶混凝土拱肋。显然，这些是结构的传力构件。

第2步。在关键位置处布置炸药。

第3步，爆破节点处包裹防护织物。

第4步。第一阶段，引爆三个等分的扇形区域。每个扇形的区域，引爆柱脚和拱肋的1/3高度位置。这样形成一个机构，使柱子外内倾斜倒塌，

第5步。由于环梁仍保持完整，第一阶段引爆后，其余未爆破的柱子被环梁带着往内倾斜。因此，几秒钟后，其余区域也引爆柱脚和拱肋1/3高的位置，这样，支撑柱均往内倾斜倒塌。

第6步。最后，一些小的炸药在空中引爆，使得穹顶解体更加彻底。约20s后，整个结构倒塌。呈现完美地向内倒塌的形状。对周围的影响做到了最小。

Kingdome爆破视频如下

小结 .

爆破可以认为是结构工程的逆向工程。结构上强调的是防连续倒塌，而爆破其实注重的就是连续倒塌。倒塌过程的控制是爆破的关键，但实际倒塌的过程是强非线性的过程，一般很难预测，所以经验性很重要。

正是因为其强非线性，所以很难被预先在计算机里面模拟。在Georga穹顶爆破前，业主委托原设计方TT进行了爆破的计算机模拟分析，模型分析的结果很好，但是实际上仍有部分结构在当天的爆破中未被解体，后面通过又一次爆破实现解体。

▲Georgia爆破后剩余的结构