地震,建築能否逃過一劫

此刻有誰在世上某處哭

無緣無故在世上哭

在哭我

此刻有誰在夜間某處笑

無緣無故在夜間笑

在笑我

此刻有誰在世上某處走

無緣無故在世上走

走向我

此刻有誰在世上某處死

無緣無故在世上死

望著我

里爾克《沉重的時刻》

十年前的5月12日,汶川發生了里氏8.0級的大地震,造成了重大的人員傷亡。

由於地處太平洋板塊、印度板塊、菲律賓海板塊與歐亞板塊的相互作用區,再加上歐亞板塊深部地球動力作用的影響,我國以佔世界7%陸地面積的國土,承受了全球33%的大陸強震,是大陸強震最多的國家,同時也是受災最為嚴重的國家。

地震,建築能否逃過一劫

地震,建築能否逃過一劫

20世紀以來,中國死於地震的人數達55萬之多,佔同期全球地震死亡人數的53%。

地震,建築能否逃過一劫

中國主要地震帶與城市近源地震

《中國國家地理》2008年6月

從上圖可以看出,我國有相當一部分城市都處在地震帶上,其中不乏北京、瀋陽、成都、西安、烏魯木齊

等有著重要區位影響力的城市。城市承載了人們對美好生活的渴望,而房屋對大部分中國人來說,是實現美好生活的一切根基。

根據《中國家庭財富調查報告(2017)》,房產是中國家庭財富最重要的組成部分,中國人把至少一半的財富都託付給了房子:在全國家庭的人均財富中,房產淨值的佔比超過了六成。

中國人常講安居樂業,大詩人杜甫就曾因自己所住的茅屋被風吹破以致全家遭雨淋而寫下《茅屋為秋風所破歌》,發出“安得廣廈千萬間,大庇天下寒士俱歡顏”的呼號。茅屋被風吹破尚算小事,至少不會讓屋子的主人失去身家性命。可是倘若遭遇更大的災害,我們花費過半財富的房子是否還能保證我們的安全?

地震,建築能否逃過一劫

被杜甫吐槽過如今卻成為成都名片的杜甫草堂

《中華遺產》2012年3月

攝影:周巨成

歷史上發生的歷次地震告訴我們,地震中有95%的生命都是死於建築物的倒塌

為什麼在面對地震時,我們的房子會變得如此不堪一擊?除了汶川地震本身的震級很強之外,房子本身的質量也是很大一部分原因。房屋抵禦地震傷害的能力與房屋本身的結構、所用的建築材料和建築的地基有著密不可分的關係。

結 構

結構決定了房屋以何種方式化解地震帶來的短時間強烈水平震動的剪切力。結構整體性更強的房屋在面對地震時,不會由於不同構件的加速度差異造成坍塌,因而具有更強的抵禦能力。

地震,建築能否逃過一劫

用普通積木搭房子,各個積木之間沒有聯結,晃動房子的下部,上層的積木就很容易掉下來

用樂高積木搭房子,由於各塊積木之間有類似於榫卯那樣的凹凸結構進行聯結,便不容易發生掉落

地震,建築能否逃過一劫

我們生活中常見的建築結構有磚混結構(砌體結構)、底層框架磚房結構、鋼筋混凝土框架結構、鋼結構等,各種結構面對地震來襲時,抵抗能力有著很大的差別。

比方說,鋼筋混凝土框架結構相較於磚混結構就是一種很好的抗震結構:鋼筋混凝土框架結構的整體性更強,而且框架結構具有一定的形變能力,能更好地化解地震帶來的強烈震動,即使在超過預估的大地震作用下,也很難發生倒塌破壞;而砌體結構的磚房在面對強震時就難逃坍塌破壞的命運。

我們可以看一看地震之後,對汶川縣城磚混結構建築和鋼筋混凝土框架結構建築所受震害的統計情況:

地震,建築能否逃過一劫

地震,建築能否逃過一劫

數據來源:《汶川縣城房屋震害分析與樓梯對框架結構抗震性能影響研究》

可以看出採用鋼筋混凝土框架結構的房屋倒塌和嚴重破壞的比例(6%)遠遠小於磚混結構(包括磚木民房和磚房)的比例(45%)。

材 料

除了建築結構,房屋在建造時所用的建材質量,也是決定房屋抗震能力的一個關鍵因素。即使用上了好的結構設計,如果建造時偷工減料,使用的建築材料沒有達到應有的強度,在面對強震時,房屋依然有坍塌損壞的風險。比如使用鋼筋混凝土建造的房子,倘若鋼筋用量不足,箍筋密度不夠,都會使房屋質量下降,面對大地震不堪一擊。汶川地震時,就有

眾多房屋由於建築質量不合格或年久失修而坍塌

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地震,建築能否逃過一劫

右圖是一根進行抗震實驗設計的鋼筋混凝土立柱的半成品。可以清楚的看到,與左圖倒塌建築的殘件形成鮮明對比的是,進行抗震實驗的立柱的縱筋要粗壯得多箍筋也密集得多,這樣才能真正保證建築物具有高承載力,以及耗散地震能量的能力。

地 基

地基也是決定房屋抗震能力的一個非常重要的因素。

建在軟土地基上的房屋,由於地基鬆軟、承載力低、壓縮性大,容易發生沉降。地震時,在地震效應和豎向荷載的影響下,軟土地基(淤泥、雜填土、飽和軟粘土等)會出現震陷、液化等現象,造成地基失效,使房屋沉陷、傾斜而遭到破壞。堅固的岩層則可以避免軟土地基的上述問題,建造在堅固岩層上的房屋往往更加耐震。

此外,深地基通常比淺地基更能抵抗地震的襲擊

地基是否處在斷層上也是決定地震發生時房屋能否經受住考驗的一個重要方面。在汶川地震中遭受重創的映秀鎮,與映秀小學毗鄰的一條街道,街道一側建築完全坍塌成廢墟,而另一側的建築雖然受損嚴重卻幾乎都保留了下來。根據專家的解釋,這應該是倒塌的建築剛好跨在斷裂帶上,所以遭受了無法抵禦的重創。

地震,建築能否逃過一劫

由於凍脹和融沉的交替作用,導致房屋地基不均勻下沉,青藏高原凍土區的房屋牆體出現巨大的裂縫。

全球每年監測到的4級以上的地震幾乎都有上萬次,作為一種普遍的自然現象,如何更好地與地震相處,對生活在眾多斷裂帶之上的中國人來說,是一門必修的功課。

地震,建築能否逃過一劫

加強建築物的抗震能力,是我們能夠著力的一個重要方面。

實際上,從古至今,中國的建築師始終都在思考自己建造的樓宇如何能夠經歷地震的打擊。無論是歷經千年留存下來的古塔還是當代數百米的高樓都充滿了中國人在面對大自然考驗時的智慧。

應縣木塔

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位於山西地震帶的有著千年歷史的應縣木塔經歷了多次大地震考驗的木塔依舊完好,是中國古代木結構建築的代表之作。

底圖來自《中國國家地理》2008年6月

木塔傑出的抗震能力與它的結構密不可分。

木塔的各種構件通過榫卯連接,不但可以承受較大的荷載,而且允許產生一定的形變,在地震荷載下通過變形吸收一定的地震能量,減小結構的地震響應。

構架水平分層,在地震波中的垂直衝擊波攻擊下,可以通過“彈跳”的方式消解巨大的破壞能量。木塔內所有的柱子都用頂部的梁枋連結成一個筒形的框架整體,既保證了構架的穩定性,也能有力地抵抗地震波的破壞。

柱子之間砌築有厚實的牆體,牢牢地“抱”住各柱子,更加增加了構架的整體性,而且這些牆體同時能作為剪力牆發揮作用。

此外,木塔厚達4.4米的磚石基座,讓整座木塔基礎牢固。

由此才創造了應縣木塔千年不倒的奇蹟。

地震,建築能否逃過一劫

應縣木塔結構示意圖

《中華遺產》2009年2月

崩柯

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坐落在四川鮮水河斷裂帶的藏式民居崩柯,是藏族民眾與地震相處智慧的顯現。

崩柯藏語意為“木頭圍起來的房子“,這種建築

是一種框架式木結構建築,一般為二層或三層,底層關牲畜,二層人居。

崩柯內部結構全部是由木材穿插組合拼接而成:以粗壯的圓木作為立柱,柱子上頂著大梁,大梁再架上檁子,作為基本骨架來展開空間的分割和構成。

房屋最外一圈的柱子之間用“欠”(類似現代建築的圈樑)相連。欠條嵌進柱頭後,還要在柱頭上打進一根長20多釐米的栓子,把欠條栓死,將崩柯整體上連成一體。

這樣,崩柯就在地震頻發的鮮水河斷裂帶做到“小震不壞,大震不倒”。

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正在修建中的崩柯,可以讓我們一窺它的構造

《中國國家地理》2018年4月

攝影:李忠義

101大廈

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臺灣處在環太平洋火山地震帶上,是地震多發地區。2004年完工揭幕的臺北101大廈是臺灣第一高樓,也是世界第八高樓。

101大廈修建在沒有斷層的信義路,塔樓底下一共打了380根群樁,深入地下80米,比巖盤還要再深入20到30米,紮實的地基是101抗震的基礎。

為了抗震,臺北101大廈還採用了新式的巨型結構。

巨型結構包括巨型柱和巨型梁。

在大樓的4個外側分別各有2跟巨柱,共8根用鋼板包圍的、由強度高達10000psi的混凝土澆築而成的巨柱,自地下5層貫通至地上90層。除巨型柱外,還有16根核心柱。

巨型梁呈現雙十狀,在水平面利用巨型桁架把所有柱子串聯起來。一共11組巨型梁把整棟臺北101大廈分為11個大層。柱與梁的連接處採用了高韌性接頭,能比傳統的剛性接頭多吸收7-8倍的能量。

地震,建築能否逃過一劫

臺北101大廈巨型結構示意圖

這些相互聯結的柱、梁、桁架,既讓101大廈更具整體性,也強化了大廈的結構強度,在面對強震時也無所畏懼。

水立方

地震,建築能否逃過一劫

北京地處華北地震帶的燕山帶抗震設防烈度為8度,位於北京市奧林匹克公園的“水立方”是2008年北京奧運主要的水上項目比賽場館。

外部的充氣薄膜讓水立方看起來充滿了水的靈動之感,卻也使得“水立方”似乎顯得有些弱不禁風。實際上,支撐“水立方”薄膜“皮膚”的骨架是堅實的鋼結構。“水立方”的牆壁和天花板由1.2萬個承重節點連接起來的網狀鋼管組成,這些節點均勻地分擔著建築物的重量,從而使“水立方”能夠經受住北京最強的地震。鋼結構具有優越的強度、韌性和延性,有著很好的抗震性能,很少出現倒塌破壞的情況。

地震,建築能否逃過一劫

薄膜“皮膚”下面的鋼結構骨架

圖片取自網絡

此外,“水立方”的地下部分是鋼筋混凝土結構,在澆築混凝土的時候,在每根鋼柱的位置都設置了預埋件,鋼結構的鋼柱與這些預埋件牢固地焊接在一起,就這樣,地上部分的鋼結構與地下部分的鋼筋混凝土結構形成一個牢固地整體。正是靠著優越的結構形式和良好的整體性,“水立方”才擁有了“過硬的身體”,達到了抗震8級烈度的標準。

汶川地震之後,有關大面積房屋倒塌的反思一直沒有停止過。在總結了2008年汶川地震以及國內外其他大地震的震害教訓之後,住房和城鄉建設部在2010年發佈了新版的《建築防震設計規範》,並在2016年進行了修訂,從政策層面保證了我們的建築有了更好的抗震性能。如果我們的房屋時能夠按照規範進行修建,就算遭遇大地震也不會造成悲劇性的後果。

地震,建築能否逃過一劫

除了提高建築的抗震能力外,加強自身的防震意識,知道地震來了之後應該做什麼,不應該做什麼,如何進行自救,也能大大降低地震帶來的傷亡。


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