木結(jié)構(gòu)抗震“墻倒屋不塌”

　　事實上，真正的“神仙”是中國古代勤勞智慧的勞動人民。正是他們在千百年的勞動實踐中總結(jié)出了一整套實用有效的建筑技巧，才讓這眾多的古代建筑能夠經(jīng)受住大地震屢次的考驗而屹立千年。

　　中國古代建筑多以木材為主要建筑材料。在古代，木材是一種較為理想的建筑材料。木材本身質(zhì)輕、力學(xué)性能好，具有一定的柔性，在外力的作用下比較容易變形，但在一定程度內(nèi)又有恢復(fù)原狀的能力。這種力學(xué)特性對于抵御地震波的侵襲是非常重要的。

　　在金屬冶煉技術(shù)尚不發(fā)達的上古時代，中國人發(fā)明了不用“一釘一鐵”就能對木構(gòu)件進行連接組合的榫卯技術(shù)。木結(jié)構(gòu)榫卯由榫頭和卯孔組成，將榫頭插入卯孔內(nèi)并使兩者咬合牢固就能形成堅固的結(jié)構(gòu)件。榫卯連接具有很好的彈性和較好的抵消水平推力的作用，榫頭與卯孔間因摩擦滑移而具有耗能作用，不但可以承受較大的荷載，而且允許產(chǎn)生一定的變形，在地震荷載下通過變形吸收一定的地震能量，減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

　　通過榫卯等方法，各種木構(gòu)件組成了一個完整的木構(gòu)架結(jié)構(gòu)。地震發(fā)生時，屋頂與柱之間的若干組內(nèi)外檐斗拱像彈簧層一樣起著變形消能的作用，在一定程度和范圍內(nèi)做到“墻倒屋不塌”。這也就是為什么很多古代寺觀建筑在遭遇地震時，往往周邊矮層建筑紛紛倒塌，而供奉佛像的高大正殿卻巋然不動的真正原因。

　　客家土樓墻內(nèi)竹條當(dāng)“鋼筋”

　　中國古人的建筑抗震智慧并不止于木建筑。在福建、江西、廣東等地分布有為數(shù)眾多的客家土樓。以福建永定的土樓為例，這些土樓外觀大都成圓形，外墻主體以三合土為原料，以夾墻板夯筑而成墻體。由于永定位于亞歐板塊與太平洋板塊附近，地殼較不穩(wěn)定，常有地震發(fā)生。而永定客家土樓卻能屹立數(shù)百年、歷經(jīng)大震而不倒，這其中的奧秘有人傳說，是因為這些土樓的墻體里摻了“紅糖糯米”的緣故。其實不然，在幾百年前，人們的生產(chǎn)力僅能維持溫飽，用紅糖糯米建造出如此龐大的土樓顯然是不切實際的。事實是，客家先民從以往的地震中吸取經(jīng)驗教訓(xùn)，在夯墻時，把竹條當(dāng)作如今的鋼筋放到墻內(nèi)，由于竹條堅硬且富有彈性，整體性能良好，所以地震發(fā)生時，墻內(nèi)的竹條會被拉直，使得墻體不易倒塌，過后，竹條會受到圓樓回心力的作用，自然合回去，從而取得極好的抗震保固效果。

　　美國 建立現(xiàn)代抗震建筑規(guī)范

　　20世紀(jì)初開始制訂防震規(guī)范

　　李順是一個生活在美國舊金山華埠的中國移民，平時靠裁縫手藝為生。1906年4月18日凌晨，為了給當(dāng)?shù)氐囊晃桓簧腾s制一件禮服，李順又忙碌了一個通宵。就在時鐘指向早晨5時12分的時候，李順感覺自己腳下的大地突然抖動了起來。李順的第一反應(yīng)是想沖進內(nèi)室救出自己的妻兒，但眼見墻體已經(jīng)開裂，屋頂搖搖欲墜，他意識到一切都已經(jīng)來不及了，只得本能的沖出屋外。就在他剛沖出門外的那一刻，身后的房屋轟然倒塌。周圍的建筑也無一幸免。

　　1906年美國加州舊金山大地震和1926年圣巴巴拉大地震，促使美國人開始認(rèn)真思考建立抗震建筑規(guī)范的問題。于是，在1927年出臺的“統(tǒng)一建筑規(guī)范”第一版的附錄出現(xiàn)了關(guān)于抗震的規(guī)定。這使得建筑的抗震性要求成為了建筑行業(yè)規(guī)范。

　　1933年3月10日，長灘地區(qū)發(fā)生里氏6.3級地震，地震使當(dāng)?shù)氐慕ㄖ�，特別是學(xué)校建筑遭到嚴(yán)重破壞。所幸地震發(fā)生在凌晨6點，校舍內(nèi)無人上課，否則將造成難以想象的重大人員傷亡。此后，加州立法機關(guān)通過賴?yán)ê头茽柕路ǎ粤⒎ㄐ问綄ㄖ锏目拐鹦赃M行了強制規(guī)范，并授權(quán)加州公共工程局建筑處進行行政監(jiān)管。

　　區(qū)別設(shè)防概念被各國普遍接受

　　1972年春，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局及國家科學(xué)基金會共同發(fā)起組織“應(yīng)用技術(shù)委員會”。該委員會于轉(zhuǎn)年12月發(fā)起編制“綜合抗震設(shè)計規(guī)定”，盡管出臺的一些文件并沒有法律強制力，但卻為美國乃至世界各國的抗震建筑設(shè)計提供了重要的理論依據(jù)。尤其是其中提出的區(qū)別設(shè)防的概念，即把房屋按地震可能造成的后果分成幾大類，加以區(qū)別對待。具體來說，就是根據(jù)“地震活動指數(shù)”及地震可能造成的后果，將房屋抗震性能分為四類，分別提出設(shè)防要求。這種做法已經(jīng)被世界各國普遍接受。

　　建成于1973年的美國紐約世貿(mào)中心，雖然在設(shè)計時沒有受到上述文件的直接影響，但同樣應(yīng)用了眾多在當(dāng)時認(rèn)為最有效的抗震設(shè)計。據(jù)稱其堅固程度超過同在紐約的帝國大廈，可抗擊8級以上強震。但誰也沒想到，最終讓雙子大廈毀于一旦的力量并不是來自地下，而是來自天空中的恐怖襲擊。后來人們在檢討大樓設(shè)計時，認(rèn)為雙子大廈最大的設(shè)計失誤就是兩座同態(tài)建筑之間距離太近，只要其中之一遭到致命破壞，另一座幸免的可能性幾乎為零。

　　日本 在不斷改善中完善的抗震建筑

　　關(guān)東大地震帶來抗震建筑意識

　　日本列島位于亞歐板塊與太平洋板塊的碰撞處，自古以來就是地震的多發(fā)地區(qū)。進入20世紀(jì)，日本更是接連遭受大地震的侵襲。

　　1923年9月1日，日本關(guān)東地區(qū)發(fā)生里氏8.1級強烈地震。地震災(zāi)區(qū)包括東京、神奈川、千葉、靜岡、山梨等地，地震造成15萬人喪生，200多萬人無家可歸，財產(chǎn)損失65億日元。這是日本自明治維新建立現(xiàn)代國家體制以來，首次遭受如此嚴(yán)重的自然災(zāi)害侵襲。

　　痛定思痛，日本政府于1924年修正了四年前頒布的《市街地建筑物法》，列入了抗震設(shè)計的條文。不過，由于當(dāng)時及其后的幾十年間正是日本軍國主義推行擴軍備戰(zhàn)，對外進行侵略擴張的時期，大量經(jīng)濟資源投入到軍事領(lǐng)域，民生建設(shè)開支被大幅壓縮。所以，日本建筑的整體抗震性能并沒有得到根本性的改善，尤其是民用建筑的抗震性能普遍較差。

　　戰(zhàn)后制訂了嚴(yán)苛抗震規(guī)定

　　1950年，尚在盟軍最高司令官總司令部監(jiān)管下的日本政府頒布《建筑基準(zhǔn)法》，對建筑物地基、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等方面的標(biāo)準(zhǔn)作了具體的規(guī)定，其中對建筑物的定義為“其結(jié)構(gòu)強度必須能夠承載自重、荷重、積雪、風(fēng)壓、土壓、水壓，以及對地震及其他的震動、沖擊同樣具有安全性能的構(gòu)筑物”，像這樣把抗震性能作為建筑物存在的必要條件列入法律明文之中，要求所有的建筑都是抗震建筑，在全世界來看也不多見。同時，為了保證其能有效實施，還于同年頒布了與之配套的《建筑師法》。后來，隨著技術(shù)進步和抗震實踐，《建筑基準(zhǔn)法》又于1959年、1971年、1981年逐步修改完善。

　　然而，1995年1月17日，日本關(guān)西地區(qū)發(fā)生里氏7.2級的“阪神大地震”時，當(dāng)?shù)厝匀怀霈F(xiàn)了大面積房屋倒塌，造成超過6000人傷亡的沉重損失。為什么如此重視建筑抗震性的日本，仍然遭遇了如此嚴(yán)重的震災(zāi)呢？

　　首先，阪神大地震是由地殼斷層劇烈運動引發(fā)的典型垂直地下型地震，震源深度淺，震級高，烈度大，且震中靠近人口稠密的神戶市，而當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)結(jié)構(gòu)松軟，這些都在客觀上放大了地震的殺傷力。

　　而在20世紀(jì)70年代及80年代初，日本經(jīng)濟高速增長時期，當(dāng)?shù)匦藿ǖ脑S多高層樓房也發(fā)生了嚴(yán)重破壞和倒塌。有的墻體嚴(yán)重開裂破壞；有的上下樓層疊堆倒塌，像“三明治”一樣；有的像推倒的積木，散作一團；有的整個房屋嚴(yán)重傾斜，呈比薩斜塔狀。

　　“311”地震檢驗了抗震建筑有效性

　　在1981年日本《建筑基準(zhǔn)法》修訂前，建筑的結(jié)構(gòu)抗震體系布置和梁柱的抗震強度及變形能力上，都抗御不了大幅度的水平和豎向地震作用對建筑結(jié)構(gòu)的強烈沖擊。事實上，在1981年之后修建的建筑，大都經(jīng)受住了阪神大地震的考驗。

　　在總結(jié)了上述經(jīng)驗教訓(xùn)后，日本進一步強化了其在抗震建筑方面的技術(shù)要求。到2011年，“311東日本大地震”時，當(dāng)?shù)貛缀鯖]有一座受損的房屋建筑是被地震本身損毀，而大都毀于地震次生災(zāi)害及后來的大海嘯。這也在一定程度上說明了日本抗震建筑的卓有成效。

　　不可不知

　　地震如何破壞建筑

　　地震是地球局部發(fā)生震動或顫動的一種自然現(xiàn)象。就目前的人類科學(xué)認(rèn)知來說，認(rèn)為造成地震的主要原因是地球上板塊與板塊之間相互擠壓碰撞，造成板塊邊沿及板塊內(nèi)部產(chǎn)生錯動和破裂，由此形成的巨大動能引發(fā)了地面震動。據(jù)資料顯示，地球上每年約發(fā)生500多萬次地震，其中絕大多數(shù)因為震級較低或遠離人口聚居區(qū)而沒有對人類生活產(chǎn)生直接影響，真正能對人類造成嚴(yán)重危害的地震每年平均在十次左右，能造成特別嚴(yán)重災(zāi)害的地震每年大約有一兩次。

　　與同樣屬于自然災(zāi)害的臺風(fēng)、洪水、泥石流等不同，地震本身直接造成人員傷亡的事例極其罕見，絕大多數(shù)因地震產(chǎn)生的傷亡情況都是由于其對建筑物造成破壞，建筑物倒塌損毀所致。因而，在當(dāng)前人類科技尚無法像預(yù)報天氣一樣預(yù)報地震發(fā)生的準(zhǔn)確時間和區(qū)域的情況下，加強建筑物尤其是在地震高發(fā)區(qū)域的建筑物的抗震性能，就成為了減少可能由地震造成的人員傷亡的最有效途徑。而要做到這一點，首先就要搞清楚地震是如何破壞建筑物的。

　　地震的能量是以地震波的形式傳播的。地震波的傳播有縱波、橫波、面波等不同形式�？v波傳播速度最快，它使建筑物上下顛簸，建筑物的應(yīng)力結(jié)構(gòu)來不及跟著運動，會造成底層立柱和墻的動荷載突然增大，疊加建筑物上部的自重壓力，若超出底層柱、墻的承載能力，底層就會垮掉，上面幾層也會跟著垮塌，整個建筑就“癱坐”下來。橫波的破壞力比縱波更大，它使建筑物水平搖擺，若底層柱、墻的強度或變形能力不夠，整棟建筑物就會向同一方向歪斜或傾倒。而面波是由縱波與橫波在地表相遇后激發(fā)產(chǎn)生的混合波，它的傳播速度最慢，但破壞力最大，在傳播過程中會出現(xiàn)像激流中“漩渦”一樣的情形，仿佛是打著“漩兒”過來的，會導(dǎo)致建筑物的扭動。而建筑物一般抗扭能力都是比較差的。汶川地震中，一些房子的角部坍塌，多屬這種情況。一旦碰到上下顛、左右搖、扭轉(zhuǎn)等多種地震波共同發(fā)生，破壞力就更可怕。

　　奇思妙想

　　抗震建筑的未來

　　由于地震本身成因的復(fù)雜性以及人類科技水平的限制，在可預(yù)見的相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，有現(xiàn)實意義的即時地震預(yù)報還很難實現(xiàn)，因此人們還需要用抗震建筑這種消極的方式來對抗不知何時會發(fā)生的地震。事實上，很多令人意想不到的抗震建筑已經(jīng)或?qū)⒁Q生。

　　智能減震屋

　　希臘科學(xué)家和工程師正在研究一種“智能減震屋”。據(jù)研究人員介紹，“智能屋”的最大特色就是能夠進行“自我保護和修復(fù)”。“智能屋”里安裝了多種傳感設(shè)備，即便是對最輕微的震動也會有所察覺，并可借助屋內(nèi)設(shè)備減少甚至抵消地震帶來的震動�！爸悄芪荨辈捎玫牟牧暇哂凶詣有迯�(fù)功能，一旦墻體在地震中出現(xiàn)裂縫，液態(tài)修補材料可以像膠水一樣，粘住裂縫并迅速固化，從而防止房屋倒塌。室內(nèi)傳感器還能迅速感知到溫度的變化。當(dāng)室溫瞬間升高到一定程度，傳感器就會通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星信號，自動通知附近居民并向消防部門報警，從而降低地震引發(fā)火災(zāi)給人們帶來的傷害。

　　滾珠大樓

　　美國人正在建造一種可以防震的“滾珠大樓”，如硅谷最近興建的一座電子工廠大廈，在建筑物每根柱子或墻體下安裝不銹鋼滾珠，由滾珠支撐整個建筑，縱橫交錯的鋼梁把建筑物同地基緊緊地固定起來。發(fā)生地震時，富有彈性的鋼梁會自動伸縮，于是大樓在滾珠上會輕微地前后滑動，可以大大減弱地震的破壞力。

　　彈性大廈

　　抗震經(jīng)驗最豐富的日本人則正在建設(shè)“彈性大廈”。這種彈性建筑物建在隔離體上，隔離體由分層鋼板組和阻尼器組成，建筑結(jié)構(gòu)不直接與地面接觸。阻尼器由螺旋鋼板組成，以減緩上下的顛簸。這種彈性大廈已經(jīng)經(jīng)歷過里氏6.6級地震的“實戰(zhàn)檢驗”，被證明抗震效果非常理想。