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抗震建筑：为生命撑起保护伞

吕哲 //m.auribault.com 2014-08-13 来源：北京日报

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　　木结构抗震“墙倒屋不塌”

　　事实上，真正的“神仙”是中国古代勤劳智慧的劳动人民。正是他们在千百年的劳动实践中总结出了一整套实用有效的建筑技巧，才让这众多的古代建筑能够经受住大地震屡次的考验而屹立千年。

　　中国古代建筑多以木材为主要建筑材料。在古代，木材是一种较为理想的建筑材料。木材本身质轻、力学性能好，具有一定的柔性，在外力的作用下比较容易变形，但在一定程度内又有恢复原状的能力。这种力学特性对于抵御地震波的侵袭是非常重要的。

　　在金属冶炼技术尚不发达的上古时代，中国人发明了不用“一钉一铁”就能对木构件进行连接组合的榫卯技术。木结构榫卯由榫头和卯孔组成，将榫头插入卯孔内并使两者咬合牢固就能形成坚固的结构件。榫卯连接具有很好的弹性和较好的抵消水平推力的作用，榫头与卯孔间因摩擦滑移而具有耗能作用，不但可以承受较大的荷载，而且允许产生一定的变形，在地震荷载下通过变形吸收一定的地震能量，减小结构的地震响应。

　　通过榫卯等方法，各种木构件组成了一个完整的木构架结构。地震发生时，屋顶与柱之间的若干组内外檐斗拱像弹簧层一样起着变形消能的作用，在一定程度和范围内做到“墙倒屋不塌”。这也就是为什么很多古代寺观建筑在遭遇地震时，往往周边矮层建筑纷纷倒塌，而供奉佛像的高大正殿却岿然不动的真正原因。

　　客家土楼墙内竹条当“钢筋”

　　中国古人的建筑抗震智慧并不止于木建筑。在福建、江西、广东等地分布有为数众多的客家土楼。以福建永定的土楼为例，这些土楼外观大都成圆形，外墙主体以三合土为原料，以夹墙板夯筑而成墙体。由于永定位于亚欧板块与太平洋板块附近，地壳较不稳定，常有地震发生。而永定客家土楼却能屹立数百年、历经大震而不倒，这其中的奥秘有人传说，是因为这些土楼的墙体里掺了“红糖糯米”的缘故。其实不然，在几百年前，人们的生产力仅能维持温饱，用红糖糯米建造出如此庞大的土楼显然是不切实际的。事实是，客家先民从以往的地震中吸取经验教训，在夯墙时，把竹条当作如今的钢筋放到墙内，由于竹条坚硬且富有弹性，整体性能良好，所以地震发生时，墙内的竹条会被拉直，使得墙体不易倒塌，过后，竹条会受到圆楼回心力的作用，自然合回去，从而取得极好的抗震保固效果。

　　美国建立现代抗震建筑规范

　　20世纪初开始制订防震规范

　　李顺是一个生活在美国旧金山华埠的中国移民，平时靠裁缝手艺为生。1906年4月18日凌晨，为了给当地的一位富商赶制一件礼服，李顺又忙碌了一个通宵。就在时钟指向早晨5时12分的时候，李顺感觉自己脚下的大地突然抖动了起来。李顺的第一反应是想冲进内室救出自己的妻儿，但眼见墙体已经开裂，屋顶摇摇欲坠，他意识到一切都已经来不及了，只得本能的冲出屋外。就在他刚冲出门外的那一刻，身后的房屋轰然倒塌。周围的建筑也无一幸免。

　　1906年美国加州旧金山大地震和1926年圣巴巴拉大地震，促使美国人开始认真思考建立抗震建筑规范的问题。于是，在1927年出台的“统一建筑规范”第一版的附录出现了关于抗震的规定。这使得建筑的抗震性要求成为了建筑行业规范。

　　1933年3月10日，长滩地区发生里氏6.3级地震，地震使当地的建筑，特别是学校建筑遭到严重破坏。所幸地震发生在凌晨6点，校舍内无人上课，否则将造成难以想象的重大人员伤亡。此后，加州立法机关通过赖利法和菲尔德法，以立法形式对建筑物的抗震性进行了强制规范，并授权加州公共工程局建筑处进行行政监管。

　　区别设防概念被各国普遍接受

　　1972年春，美国国家标准局及国家科学基金会共同发起组织“应用技术委员会”。该委员会于转年12月发起编制“综合抗震设计规定”，尽管出台的一些文件并没有法律强制力，但却为美国乃至世界各国的抗震建筑设计提供了重要的理论依据。尤其是其中提出的区别设防的概念，即把房屋按地震可能造成的后果分成几大类，加以区别对待。具体来说，就是根据“地震活动指数”及地震可能造成的后果，将房屋抗震性能分为四类，分别提出设防要求。这种做法已经被世界各国普遍接受。

　　建成于1973年的美国纽约世贸中心，虽然在设计时没有受到上述文件的直接影响，但同样应用了众多在当时认为最有效的抗震设计。据称其坚固程度超过同在纽约的帝国大厦，可抗击8级以上强震。但谁也没想到，最终让双子大厦毁于一旦的力量并不是来自地下，而是来自天空中的恐怖袭击。后来人们在检讨大楼设计时，认为双子大厦最大的设计失误就是两座同态建筑之间距离太近，只要其中之一遭到致命破坏，另一座幸免的可能性几乎为零。

　　日本在不断改善中完善的抗震建筑

　　关东大地震带来抗震建筑意识

　　日本列岛位于亚欧板块与太平洋板块的碰撞处，自古以来就是地震的多发地区。进入20世纪，日本更是接连遭受大地震的侵袭。

　　1923年9月1日，日本关东地区发生里氏8.1级强烈地震。地震灾区包括东京、神奈川、千叶、静冈、山梨等地，地震造成15万人丧生，200多万人无家可归，财产损失65亿日元。这是日本自明治维新建立现代国家体制以来，首次遭受如此严重的自然灾害侵袭。

　　痛定思痛，日本政府于1924年修正了四年前颁布的《市街地建筑物法》，列入了抗震设计的条文。不过，由于当时及其后的几十年间正是日本军国主义推行扩军备战，对外进行侵略扩张的时期，大量经济资源投入到军事领域，民生建设开支被大幅压缩。所以，日本建筑的整体抗震性能并没有得到根本性的改善，尤其是民用建筑的抗震性能普遍较差。

　　战后制订了严苛抗震规定

　　1950年，尚在盟军最高司令官总司令部监管下的日本政府颁布《建筑基准法》，对建筑物地基、结构、设备等方面的标准作了具体的规定，其中对建筑物的定义为“其结构强度必须能够承载自重、荷重、积雪、风压、土压、水压，以及对地震及其他的震动、冲击同样具有安全性能的构筑物”，像这样把抗震性能作为建筑物存在的必要条件列入法律明文之中，要求所有的建筑都是抗震建筑，在全世界来看也不多见。同时，为了保证其能有效实施，还于同年颁布了与之配套的《建筑师法》。后来，随着技术进步和抗震实践，《建筑基准法》又于1959年、1971年、1981年逐步修改完善。

　　然而，1995年1月17日，日本关西地区发生里氏7.2级的“阪神大地震”时，当地仍然出现了大面积房屋倒塌，造成超过6000人伤亡的沉重损失。为什么如此重视建筑抗震性的日本，仍然遭遇了如此严重的震灾呢？

　　首先，阪神大地震是由地壳断层剧烈运动引发的典型垂直地下型地震，震源深度浅，震级高，烈度大，且震中靠近人口稠密的神户市，而当地地质结构松软，这些都在客观上放大了地震的杀伤力。

　　而在20世纪70年代及80年代初，日本经济高速增长时期，当地修建的许多高层楼房也发生了严重破坏和倒塌。有的墙体严重开裂破坏；有的上下楼层叠堆倒塌，像“三明治”一样；有的像推倒的积木，散作一团；有的整个房屋严重倾斜，呈比萨斜塔状。

　　“311”地震检验了抗震建筑有效性

　　在1981年日本《建筑基准法》修订前，建筑的结构抗震体系布置和梁柱的抗震强度及变形能力上，都抗御不了大幅度的水平和竖向地震作用对建筑结构的强烈冲击。事实上，在1981年之后修建的建筑，大都经受住了阪神大地震的考验。

　　在总结了上述经验教训后，日本进一步强化了其在抗震建筑方面的技术要求。到2011年，“311东日本大地震”时，当地几乎没有一座受损的房屋建筑是被地震本身损毁，而大都毁于地震次生灾害及后来的大海啸。这也在一定程度上说明了日本抗震建筑的卓有成效。

　　不可不知

　　地震如何破坏建筑

　　地震是地球局部发生震动或颤动的一种自然现象。就目前的人类科学认知来说，认为造成地震的主要原因是地球上板块与板块之间相互挤压碰撞，造成板块边沿及板块内部产生错动和破裂，由此形成的巨大动能引发了地面震动。据资料显示，地球上每年约发生500多万次地震，其中绝大多数因为震级较低或远离人口聚居区而没有对人类生活产生直接影响，真正能对人类造成严重危害的地震每年平均在十次左右，能造成特别严重灾害的地震每年大约有一两次。

　　与同样属于自然灾害的台风、洪水、泥石流等不同，地震本身直接造成人员伤亡的事例极其罕见，绝大多数因地震产生的伤亡情况都是由于其对建筑物造成破坏，建筑物倒塌损毁所致。因而，在当前人类科技尚无法像预报天气一样预报地震发生的准确时间和区域的情况下，加强建筑物尤其是在地震高发区域的建筑物的抗震性能，就成为了减少可能由地震造成的人员伤亡的最有效途径。而要做到这一点，首先就要搞清楚地震是如何破坏建筑物的。

　　地震的能量是以地震波的形式传播的。地震波的传播有纵波、横波、面波等不同形式。纵波传播速度最快，它使建筑物上下颠簸，建筑物的应力结构来不及跟着运动，会造成底层立柱和墙的动荷载突然增大，叠加建筑物上部的自重压力，若超出底层柱、墙的承载能力，底层就会垮掉，上面几层也会跟着垮塌，整个建筑就“瘫坐”下来。横波的破坏力比纵波更大，它使建筑物水平摇摆，若底层柱、墙的强度或变形能力不够，整栋建筑物就会向同一方向歪斜或倾倒。而面波是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波，它的传播速度最慢，但破坏力最大，在传播过程中会出现像激流中“漩涡”一样的情形，仿佛是打着“漩儿”过来的，会导致建筑物的扭动。而建筑物一般抗扭能力都是比较差的。汶川地震中，一些房子的角部坍塌，多属这种情况。一旦碰到上下颠、左右摇、扭转等多种地震波共同发生，破坏力就更可怕。

　　奇思妙想

　　抗震建筑的未来

　　由于地震本身成因的复杂性以及人类科技水平的限制，在可预见的相当长的一段时间内，有现实意义的即时地震预报还很难实现，因此人们还需要用抗震建筑这种消极的方式来对抗不知何时会发生的地震。事实上，很多令人意想不到的抗震建筑已经或将要诞生。

　　智能减震屋

　　希腊科学家和工程师正在研究一种“智能减震屋”。据研究人员介绍，“智能屋”的最大特色就是能够进行“自我保护和修复”。“智能屋”里安装了多种传感设备，即便是对最轻微的震动也会有所察觉，并可借助屋内设备减少甚至抵消地震带来的震动。“智能屋”采用的材料具有自动修复功能，一旦墙体在地震中出现裂缝，液态修补材料可以像胶水一样，粘住裂缝并迅速固化，从而防止房屋倒塌。室内传感器还能迅速感知到温度的变化。当室温瞬间升高到一定程度，传感器就会通过互联网或卫星信号，自动通知附近居民并向消防部门报警，从而降低地震引发火灾给人们带来的伤害。

　　滚珠大楼

　　美国人正在建造一种可以防震的“滚珠大楼”，如硅谷最近兴建的一座电子工厂大厦，在建筑物每根柱子或墙体下安装不锈钢滚珠，由滚珠支撑整个建筑，纵横交错的钢梁把建筑物同地基紧紧地固定起来。发生地震时，富有弹性的钢梁会自动伸缩，于是大楼在滚珠上会轻微地前后滑动，可以大大减弱地震的破坏力。

　　弹性大厦

　　抗震经验最丰富的日本人则正在建设“弹性大厦”。这种弹性建筑物建在隔离体上，隔离体由分层钢板组和阻尼器组成，建筑结构不直接与地面接触。阻尼器由螺旋钢板组成，以减缓上下的颠簸。这种弹性大厦已经经历过里氏6.6级地震的“实战检验”，被证明抗震效果非常理想。

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编辑：尹盼秋