城市抗震規劃包括哪些內容（新型抗震技術可保護城市免遭破壞）

2023-06-23 20:19:36

(「科學美國人」中文版《環球科學》雜誌報導）什麼技術能讓建築物在地震中屹立不倒？來看看筆者給出的答案。

建築物需要保護。圖片來源： Narendra Shrestha/EPA

最近發生在尼泊爾、日本、海地和智利的地震再一次證明，保護城市免遭地震破壞仍然任重道遠。雖然人類在理解地震活動和建築技術開發方面已經取得了重大進步，但在大規模保護建築物方面，我們還沒有令人滿意的方法。

對新建築物來說，現在的抗震技術已經很先進了，我們已經可以建造能承受絕大多數有記錄地震的獨立結構。一些旨在減少由地震引發的晃動或損壞的裝置，例如隔離系統和減震器，已經成功地被運用在新建築物的設計中。

但地震區域現存的很多建築並不具備保護裝置，尤其在發展中國家，用新建築替代它們或引進更加嚴格也更加昂貴的建築規範也十分不切實際。在2015年4月尼泊爾地震中，有超過13萬間房屋遭到破壞。

此外，這些技術很少被用於保護現存建築，因為它們需要在原有結構上進行大量的改造。而對於古建築、重要的公共設施或城市住宅，尤其是發展中國家的住宅，一般的針對本建築的解決方案也許是行不通的。

這意味著我們需要有找出不同的解決方案來保護這些現存的建築物，而不是僅僅藉助單一的設備來改造它們。筆者所在的布林頓大學（University of Brighton）設計了一種新型的震動屏障（ViBa）來減少由地震波引發的周邊結構震動。該裝置需被埋入土壤，並與周圍建築分離，從而吸收地震期間的大部分動能，將地震響應減少40-80%。

這個裝置的設計理念是將建築物看做城市整體的一部分，而不是將它們看做獨立的結構，而在城市模型中，除了建築物，還包括城市下的土地和各個組成部分之間的相互影響。在地震中，每個ViBa裝置能保護一個或多個建築，並與其他處於關鍵位置的裝置共同組成一個網絡，達到保護整個城市的目的。

ViBa裝置的主體是一個盒子，盒子中間有一塊由彈簧固定的固態物質。這樣的結構使得固態物質能前後移動，從而吸收地震波引發的震動。整個結構經由土壤被連接在建築物的地基上，用於吸收地基上的震動。盒子在地下安裝的位置取決於周圍地基的深度，它甚至還能被放置在地表上。

由於ViBa裝置的設計目的是減少土壤中的震動，因此它還能把建築物與人類活動引起的地震波隔離開來，比如道路交通、高鐵、大型機械、巖石穿鑿與爆破等。從這個方面來說，這項技術比傳統的鐵路隔離手段，比如挖溝或者埋入板樁牆，吸收的能量更多。

ViBa裝置的問題在於它的尺寸，它的質量至少需要達到被保護建築平均質量的50%，另外還要考慮建造和安裝的成本。因此，較之目前保護單個建築物的技術，它的成本會高很多。但由於ViBa裝置能減少不止一個建築物的震動，並且能夠實現當前技術所辦不到的對重要歷史建築的保護，因此它還是能被視為一種可行的解決方案。

目前，我們僅能依靠實驗室的電腦和ViBa原型裝置進行模擬。如果要把它運用到現實世界中，我們還需要做更多的實驗才可以準確理解它的原理，並確保它不會對周邊建築產生任何破壞性的副作用。我們還需要與建築行業展開合作，探索如何能以最經濟的方式建造和安裝ViBa裝置。

我們的最新研究表明，ViBa裝置是在地震中保護建築物的可行方式之一。從長遠角度看，它能讓城市以更精良的裝備應對災難，讓安全保障能力得以提升，讓生命得到拯救。

關於作者：

Pierfrancesco Cacciola，布林頓大學環境與技術學院助理主任，其研究經費來源於英國工程和物理科學研究委員會（EPSRC）。（翻譯：範俊 審校：侯政坤 ）

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