防災(zāi)博覽丨當(dāng)?shù)卣饋硪u，我們的房子還在“硬碰硬”嗎？——探秘建筑的“以柔克剛”術(shù)

文/四川省地震局 中國地震局成都青藏高原地震研究所

張賢 楊力 胡斌 羅勇

建筑物遭遇 地震倒 塌示意圖

當(dāng)?shù)卣鹜蝗粊硪u，你家的房子會(huì)如何應(yīng)對(duì)？是咬緊牙關(guān)“硬扛”，還是像太極高手一樣“以柔克剛”？這個(gè)問題的答案，直接關(guān)系到千萬生命的安危。

地震災(zāi)害與建筑抗震的核心命題

2008年，汶川8.0級(jí)大地震讓近7萬人遇難，80%的建筑物倒塌，整座城市淪為廢墟。僅僅五年后，同處龍門山斷裂帶的蘆山再遭7.0級(jí)地震襲擊，超過75%的房屋受損或倒塌。觸目驚心的數(shù)字背后，是無數(shù)家庭的破碎，也揭示了一個(gè)殘酷現(xiàn)實(shí)：如果建筑抗震理念不革新，悲劇或?qū)⒅匮荨?/p>

這些慘痛教訓(xùn)催生了變革。2018年5月12日汶川地震十周年之際，中國地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場（China Seismic Experimental Site,CSES）正式啟動(dòng)。這個(gè)建設(shè)在四川-云南地區(qū)的“國字號(hào)”自然實(shí)驗(yàn)室，就像一個(gè)巨大的地震解碼器，旨在通過密集的觀測網(wǎng)絡(luò)，揭開大陸強(qiáng)震的奧秘，并為抗震減災(zāi)技術(shù)提供關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

在中國地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場的四大研究內(nèi)容“韌性城鄉(xiāng)”研究的最終落腳點(diǎn)，都指向了我們最熟悉的“家”——建筑。在地震中，建筑扮演著雙重角色：它本是生命的庇護(hù)所，卻可能因設(shè)計(jì)不當(dāng)，瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅某袨?zāi)體。于是，一個(gè)核心命題浮出水面：我們能否讓建筑像擁有“免疫力”一樣，在地震沖擊后不僅不倒，還能快速“恢復(fù)元?dú)狻保S持功能？

這一愿景推動(dòng)了“建筑抗震韌性”概念的興起。2020年，我國發(fā)布《建筑抗震韌性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 38591-2020），標(biāo)志著建筑抗震設(shè)計(jì)正式從保障“生存能力”邁向追求“功能可恢復(fù)性”的“韌性時(shí)代”。這背后的理念，正是讓建筑從靜態(tài)的“硬扛”防御，轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)的、可恢復(fù)的韌性應(yīng)對(duì)。

那么，建筑是如何一步步獲得這種“韌性”的呢？這就要從抗震設(shè)計(jì)理論一場持續(xù)百年的“五次進(jìn)化”說起。

抗震設(shè)計(jì)理論的五次進(jìn)化：從靜態(tài)防御到動(dòng)態(tài)韌性

靜力理論階段（20世紀(jì)初）：“硬抗”時(shí)代的樸素探索

核心思想：20世紀(jì)初期，日本學(xué)者率先提出了抗震設(shè)計(jì)的雛形理論。他們認(rèn)為，建筑設(shè)計(jì)只需將建筑物總重量乘以一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性的地震系數(shù)，將其轉(zhuǎn)化為靜態(tài)水平荷載施加于結(jié)構(gòu)上，只要結(jié)構(gòu)的承載力能夠承受規(guī)范規(guī)定的荷載組合值，即認(rèn)為滿足抗震要求。

技術(shù)局限：靜力理論最大的缺陷在于忽略了結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)力特性——如自振周期、阻尼比等關(guān)鍵參數(shù)。這導(dǎo)致理論計(jì)算與實(shí)際地震破壞現(xiàn)象常常不符：部分按靜力理論設(shè)計(jì)的建筑，能經(jīng)受比設(shè)計(jì)荷載大數(shù)倍的強(qiáng)烈地震而不倒塌；而另一些建筑卻在遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)荷載的地震中發(fā)生破壞。這種矛盾暴露了靜態(tài)思維在動(dòng)態(tài)地震作用前的局限性。

形象類比：該階段的抗震理念如同讓一個(gè)人站在原地硬扛沖擊，強(qiáng)調(diào)“硬碰硬”的對(duì)抗，卻不懂得通過靈活運(yùn)動(dòng)來卸力，缺乏對(duì)地震動(dòng)態(tài)特性的認(rèn)知。

反應(yīng)譜理論階段（20世紀(jì)中期）：“看天吃飯”的動(dòng)力啟蒙

核心思想：隨著地震觀測數(shù)據(jù)的積累，學(xué)者們逐漸發(fā)現(xiàn)，建筑結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下會(huì)進(jìn)入彈塑性變形階段，其剛度和自振特性會(huì)發(fā)生顯著變化，且地震中的往復(fù)作用會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多次非線性反應(yīng)。基于此，美國學(xué)者提出了反應(yīng)譜理論，首次采用動(dòng)力分析方法，建立了與結(jié)構(gòu)自振周期相關(guān)的速度、加速度和位移反應(yīng)譜。設(shè)計(jì)時(shí)，先根據(jù)加速度反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)構(gòu)地震作用，再按彈性方法計(jì)算內(nèi)力，最后進(jìn)行截面承載力設(shè)計(jì)。這一理論突破了靜態(tài)思維的束縛，將結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性納入設(shè)計(jì)體系。

技術(shù)局限：反應(yīng)譜理論的基礎(chǔ)是建筑彈性動(dòng)力反應(yīng)分析，它能夠描述結(jié)構(gòu)在彈性階段的地震響應(yīng)，卻無法準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段后的損傷過程和破壞形態(tài)。當(dāng)?shù)卣饛?qiáng)度超過彈性極限時(shí)，該理論的計(jì)算精度會(huì)大幅下降。

形象類比：從“硬扛”升級(jí)為“看天氣預(yù)報(bào)調(diào)整策略”，即根據(jù)不同的地震“氣候”（震級(jí)、場地條件）來調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，但這種“天氣預(yù)報(bào)”仍停留在宏觀層面，無法精準(zhǔn)到每個(gè)建筑的具體“體質(zhì)”。

動(dòng)力理論階段（20世紀(jì)后期）：“計(jì)算機(jī)模擬”的精準(zhǔn)革命

核心思想：20世紀(jì)70年代后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和對(duì)結(jié)構(gòu)彈塑性恢復(fù)力模型的深入研究，時(shí)程分析方法成為結(jié)構(gòu)抗震分析的主流手段。該方法直接向結(jié)構(gòu)模型輸入實(shí)際強(qiáng)震加速度記錄，選擇合適的結(jié)構(gòu)恢復(fù)力模型，通過數(shù)值積分求解動(dòng)力方程，從而得到結(jié)構(gòu)在大震作用下的彈塑性反應(yīng)全過程。

技術(shù)局限：動(dòng)力理論雖然在理論上更為精確，但實(shí)際應(yīng)用中面臨諸多挑戰(zhàn)：地震波的選取需要考慮場地特性和震源機(jī)制，具有較強(qiáng)的主觀性；計(jì)算過程工作量巨大，對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求高，導(dǎo)致其難以在常規(guī)工程中推廣應(yīng)用。

形象類比：從“天氣預(yù)報(bào)”升級(jí)為“虛擬現(xiàn)實(shí)地震模擬”，通過計(jì)算機(jī)構(gòu)建虛擬地震場景，讓建筑在虛擬環(huán)境中“經(jīng)歷”地震，從而預(yù)測其響應(yīng)。這種方法如同在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行地震試驗(yàn)，精度大幅提升，但成本也隨之增加。

基于性態(tài)的抗震設(shè)計(jì)階段（21世紀(jì)初）：“量力而行”的性能導(dǎo)向

核心思想：美國學(xué)者在20世紀(jì)90年代提出了基于性態(tài)的抗震設(shè)計(jì)理論，該理論以建筑結(jié)構(gòu)抗震性能分析為基礎(chǔ)，針對(duì)不同的抗震設(shè)防水準(zhǔn)，劃分結(jié)構(gòu)的抗震性能。建筑設(shè)計(jì)者可根據(jù)業(yè)主的要求，選擇合理的性能目標(biāo)并采取相應(yīng)抗震措施，使建筑結(jié)構(gòu)在不同水準(zhǔn)地震作用下的破壞損失在業(yè)主可承受范圍內(nèi)。這一理論不再只關(guān)注建筑“是否倒塌”的最低安全線，而是關(guān)注不同地震強(qiáng)度下的損傷程度，實(shí)現(xiàn)安全與經(jīng)濟(jì)的平衡。

技術(shù)局限：盡管該理論考慮了不同地震水準(zhǔn)的影響，實(shí)現(xiàn)了抗震設(shè)計(jì)的“個(gè)性化”，但它主要聚焦于地震發(fā)生時(shí)的結(jié)構(gòu)性能，并未明確提出震后建筑如何快速修復(fù)的方案，缺乏對(duì)建筑“災(zāi)后恢復(fù)力”的考量。

形象類比：進(jìn)入“量力而行”的時(shí)代，建筑抗震設(shè)防目標(biāo)從“確保不死”升級(jí)為“確保受傷后能恢復(fù)”。如同一個(gè)人根據(jù)自身身體條件制定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，既能應(yīng)對(duì)日常活動(dòng)，也能在遭遇意外時(shí)減少傷害并逐步康復(fù)，但康復(fù)的速度和效率尚未成為核心指標(biāo)。

基于韌性的抗震設(shè)計(jì)階段（至今）：“快速恢復(fù)”的功能革命

核心思想：21世紀(jì)初，美國聯(lián)邦應(yīng)急管理局（FEMA）首次提出基于韌性的抗震設(shè)計(jì)理念，要求建筑在滿足性態(tài)設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，必須考慮震后結(jié)構(gòu)的修復(fù)及功能恢復(fù)能力。這一理念的核心在于：不僅要保證建筑在地震中不倒，更要確保其在震后能快速恢復(fù)關(guān)鍵功能（如醫(yī)院和生命線工程等），從而維持城市的基本運(yùn)轉(zhuǎn)。我國于2020年首次發(fā)布《建筑抗震韌性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 38591-2020），將抗震韌性納入建筑設(shè)計(jì)規(guī)范，標(biāo)志著我國抗震設(shè)計(jì)理念與國際前沿接軌。這是至今最新的抗震設(shè)計(jì)理念，已在重大工程中逐漸推廣應(yīng)用。

形象類比：從“受傷后能恢復(fù)”升級(jí)為“受傷后能快速滿血復(fù)活”。如同一個(gè)運(yùn)動(dòng)員不僅要有抗打擊能力，還要具備快速恢復(fù)體能的“自愈力”，在遭遇沖擊后能迅速重返賽場，不影響整體團(tuán)隊(duì)的運(yùn)作。

主要技術(shù)

隔震技術(shù)：給建筑裝上“溜冰鞋”

技術(shù)原理：通過給建筑設(shè)置隔震支座（如疊層橡膠支座、鉛芯橡膠支座、摩擦擺支座等），形成柔性隔震層，使建筑在地震時(shí)如同穿上“溜冰鞋”，通過支座的水平滑動(dòng)來耗散地震能量。

典型案例：2013年蘆山地震中，采用疊層橡膠隔震技術(shù)的蘆山縣人民醫(yī)院新門診樓表現(xiàn)優(yōu)異——結(jié)構(gòu)與內(nèi)部設(shè)備完好無損，震后立即作為救援中心投入使用，救治了數(shù)千名傷者。與之形成鮮明對(duì)比的是，附近兩棟未采用隔震技術(shù)的醫(yī)院建筑，結(jié)構(gòu)、墻壁、天花板和醫(yī)療設(shè)備均遭到嚴(yán)重破壞，喪失了醫(yī)療功能。

隔震支座

消能減震：建筑的“減震器”系統(tǒng)

技術(shù)原理：在建筑結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能減震裝置（如軟鋼阻尼器、鉛阻尼器、黏滯阻尼器等），如同給建筑裝上“減震器”。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，這些裝置先于主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入耗能狀態(tài)，減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，具體可使結(jié)構(gòu)響應(yīng)降低50%-70%。

典型案例：臺(tái)北101大樓的“巨型擺錘”（調(diào)質(zhì)阻尼器）是消能減震技術(shù)的經(jīng)典應(yīng)用。該阻尼器通過擺錘的左右擺動(dòng)產(chǎn)生與建筑振動(dòng)方向相反的慣性力，從而降低大樓因地震或強(qiáng)風(fēng)引起搖擺的幅度和加速度，確保高樓在臺(tái)風(fēng)和地震中保持相對(duì)穩(wěn)定。

阻尼器

混合控制裝置：精準(zhǔn)對(duì)抗多維荷載

技術(shù)原理：將被動(dòng)控制（如調(diào)諧質(zhì)量阻尼器TMD）與主動(dòng)控制（如主動(dòng)質(zhì)量調(diào)諧阻尼器AMD）相結(jié)合，形成混合控制系統(tǒng)，可同時(shí)應(yīng)對(duì)地震和強(qiáng)風(fēng)作用下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題。這種技術(shù)通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)構(gòu)響應(yīng)，再通過計(jì)算機(jī)算法控制主動(dòng)裝置產(chǎn)生反力，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的精準(zhǔn)調(diào)控。

典型案例：2010年建成的廣州塔高600米，對(duì)長周期地震動(dòng)和強(qiáng)風(fēng)作用非常敏感，且由于其橢圓形平面，地震和風(fēng)荷載下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著。為滿足舒適性與安全性要求，廣州塔采用了TMD和AMD組成的混合控制系統(tǒng)——由2個(gè)水箱組成，相當(dāng)于1個(gè)TMD和2個(gè)AMD，通過水的晃動(dòng)和主動(dòng)泵送調(diào)節(jié)，有效控制了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。

智能監(jiān)測：建筑的“健康管理系統(tǒng)”

技術(shù)原理：在建筑結(jié)構(gòu)中安裝加速度傳感器、應(yīng)變傳感器等監(jiān)測設(shè)備，建立長期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，如同給建筑戴上“健康手環(huán)”。這些傳感器實(shí)時(shí)采集結(jié)構(gòu)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，通過無線傳輸至數(shù)據(jù)中心，利用算法分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑損傷的早期預(yù)警和狀態(tài)評(píng)估。

典型案例：甘肅省嘉峪關(guān)市酒鋼三中1號(hào)教學(xué)樓安裝了隔震結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，采用加速度傳感器對(duì)教學(xué)樓的動(dòng)力特性進(jìn)行長期監(jiān)測。2017年門源地震發(fā)生時(shí)，該系統(tǒng)成功記錄了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)數(shù)據(jù)（如時(shí)頻分布特征），為研究隔震結(jié)構(gòu)在實(shí)際地震中的性能提供了寶貴資料，也為震后結(jié)構(gòu)安全評(píng)估提供了科學(xué)依據(jù)。

從靜力理論到基于韌性的抗震設(shè)計(jì)，人類與地震的對(duì)話從未停止。每一次認(rèn)知的突破，都讓我們在面對(duì)自然之力時(shí)多了一份從容。汶川與蘆山等地震帶來的傷痛，催生了中國地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場（CSES）的誕生——這個(gè)坐落于川滇交界處的“國家實(shí)驗(yàn)室”，正通過“透明地殼”“解剖地震”“韌性城鄉(xiāng)”和“智慧服務(wù)”四大研究方向，系統(tǒng)推進(jìn)著抗震科技的革新。

作為“韌性城鄉(xiāng)”研究的最終載體，建筑正經(jīng)歷一場從“硬扛”到“以柔克剛”的深刻變革。我們已不再滿足于讓建筑僅僅“屹立不倒”，更希望它們能像擁有生命般，在地震來襲時(shí)化解沖擊，在震動(dòng)過后快速恢復(fù)功能。這正是“韌性城鄉(xiāng)”理念的核心——讓建筑成為城市真正的“免疫系統(tǒng)”。

展望未來，隨著新材料、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，基于韌性的設(shè)計(jì)理念將日益完善。建筑將更加智能、更安全，也更具恢復(fù)力。我們期待，在科學(xué)之光的照耀下，未來的家園能夠真正與地震風(fēng)險(xiǎn)共存，讓地震不再成為文明之殤，而人類也將在一次次與自然的對(duì)話中，建造出更具韌性的未來。

來源丨《防災(zāi)博覽》2026年4月第2期 總第148期

編輯丨詹碧華

Hua說震防