地震,建筑能否逃过一劫

此刻有谁在世上某处哭

无缘无故在世上哭

在哭我

此刻有谁在夜间某处笑

无缘无故在夜间笑

在笑我

此刻有谁在世上某处走

无缘无故在世上走

走向我

此刻有谁在世上某处死

无缘无故在世上死

望着我

里尔克《沉重的时刻》

十年前的5月12日,汶川发生了里氏8.0级的大地震,造成了重大的人员伤亡。

由于地处太平洋板块、印度板块、菲律宾海板块与欧亚板块的相互作用区,再加上欧亚板块深部地球动力作用的影响,我国以占世界7%陆地面积的国土,承受了全球33%的大陆强震,是大陆强震最多的国家,同时也是受灾最为严重的国家。

地震,建筑能否逃过一劫

地震,建筑能否逃过一劫

20世纪以来,中国死于地震的人数达55万之多,占同期全球地震死亡人数的53%。

地震,建筑能否逃过一劫

中国主要地震带与城市近源地震

《中国国家地理》2008年6月

从上图可以看出,我国有相当一部分城市都处在地震带上,其中不乏北京、沈阳、成都、西安、乌鲁木齐

等有着重要区位影响力的城市。城市承载了人们对美好生活的渴望,而房屋对大部分中国人来说,是实现美好生活的一切根基。

根据《中国家庭财富调查报告(2017)》,房产是中国家庭财富最重要的组成部分,中国人把至少一半的财富都托付给了房子:在全国家庭的人均财富中,房产净值的占比超过了六成。

中国人常讲安居乐业,大诗人杜甫就曾因自己所住的茅屋被风吹破以致全家遭雨淋而写下《茅屋为秋风所破歌》,发出“安得广厦千万间,大庇天下寒士俱欢颜”的呼号。茅屋被风吹破尚算小事,至少不会让屋子的主人失去身家性命。可是倘若遭遇更大的灾害,我们花费过半财富的房子是否还能保证我们的安全?

地震,建筑能否逃过一劫

被杜甫吐槽过如今却成为成都名片的杜甫草堂

《中华遗产》2012年3月

摄影:周巨成

历史上发生的历次地震告诉我们,地震中有95%的生命都是死于建筑物的倒塌

为什么在面对地震时,我们的房子会变得如此不堪一击?除了汶川地震本身的震级很强之外,房子本身的质量也是很大一部分原因。房屋抵御地震伤害的能力与房屋本身的结构、所用的建筑材料和建筑的地基有着密不可分的关系。

结 构

结构决定了房屋以何种方式化解地震带来的短时间强烈水平震动的剪切力。结构整体性更强的房屋在面对地震时,不会由于不同构件的加速度差异造成坍塌,因而具有更强的抵御能力。

地震,建筑能否逃过一劫

用普通积木搭房子,各个积木之间没有联结,晃动房子的下部,上层的积木就很容易掉下来

用乐高积木搭房子,由于各块积木之间有类似于榫卯那样的凹凸结构进行联结,便不容易发生掉落

地震,建筑能否逃过一劫

我们生活中常见的建筑结构有砖混结构(砌体结构)、底层框架砖房结构、钢筋混凝土框架结构、钢结构等,各种结构面对地震来袭时,抵抗能力有着很大的差别。

比方说,钢筋混凝土框架结构相较于砖混结构就是一种很好的抗震结构:钢筋混凝土框架结构的整体性更强,而且框架结构具有一定的形变能力,能更好地化解地震带来的强烈震动,即使在超过预估的大地震作用下,也很难发生倒塌破坏;而砌体结构的砖房在面对强震时就难逃坍塌破坏的命运。

我们可以看一看地震之后,对汶川县城砖混结构建筑和钢筋混凝土框架结构建筑所受震害的统计情况:

地震,建筑能否逃过一劫

地震,建筑能否逃过一劫

数据来源:《汶川县城房屋震害分析与楼梯对框架结构抗震性能影响研究》

可以看出采用钢筋混凝土框架结构的房屋倒塌和严重破坏的比例(6%)远远小于砖混结构(包括砖木民房和砖房)的比例(45%)。

材 料

除了建筑结构,房屋在建造时所用的建材质量,也是决定房屋抗震能力的一个关键因素。即使用上了好的结构设计,如果建造时偷工减料,使用的建筑材料没有达到应有的强度,在面对强震时,房屋依然有坍塌损坏的风险。比如使用钢筋混凝土建造的房子,倘若钢筋用量不足,箍筋密度不够,都会使房屋质量下降,面对大地震不堪一击。汶川地震时,就有

众多房屋由于建筑质量不合格或年久失修而坍塌

地震,建筑能否逃过一劫

地震,建筑能否逃过一劫

右图是一根进行抗震实验设计的钢筋混凝土立柱的半成品。可以清楚的看到,与左图倒塌建筑的残件形成鲜明对比的是,进行抗震实验的立柱的纵筋要粗壮得多箍筋也密集得多,这样才能真正保证建筑物具有高承载力,以及耗散地震能量的能力。

地 基

地基也是决定房屋抗震能力的一个非常重要的因素。

建在软土地基上的房屋,由于地基松软、承载力低、压缩性大,容易发生沉降。地震时,在地震效应和竖向荷载的影响下,软土地基(淤泥、杂填土、饱和软粘土等)会出现震陷、液化等现象,造成地基失效,使房屋沉陷、倾斜而遭到破坏。坚固的岩层则可以避免软土地基的上述问题,建造在坚固岩层上的房屋往往更加耐震。

此外,深地基通常比浅地基更能抵抗地震的袭击

地基是否处在断层上也是决定地震发生时房屋能否经受住考验的一个重要方面。在汶川地震中遭受重创的映秀镇,与映秀小学毗邻的一条街道,街道一侧建筑完全坍塌成废墟,而另一侧的建筑虽然受损严重却几乎都保留了下来。根据专家的解释,这应该是倒塌的建筑刚好跨在断裂带上,所以遭受了无法抵御的重创。

地震,建筑能否逃过一劫

由于冻胀和融沉的交替作用,导致房屋地基不均匀下沉,青藏高原冻土区的房屋墙体出现巨大的裂缝。

全球每年监测到的4级以上的地震几乎都有上万次,作为一种普遍的自然现象,如何更好地与地震相处,对生活在众多断裂带之上的中国人来说,是一门必修的功课。

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加强建筑物的抗震能力,是我们能够着力的一个重要方面。

实际上,从古至今,中国的建筑师始终都在思考自己建造的楼宇如何能够经历地震的打击。无论是历经千年留存下来的古塔还是当代数百米的高楼都充满了中国人在面对大自然考验时的智慧。

应县木塔

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位于山西地震带的有着千年历史的应县木塔经历了多次大地震考验的木塔依旧完好,是中国古代木结构建筑的代表之作。

底图来自《中国国家地理》2008年6月

木塔杰出的抗震能力与它的结构密不可分。

木塔的各种构件通过榫卯连接,不但可以承受较大的荷载,而且允许产生一定的形变,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。

构架水平分层,在地震波中的垂直冲击波攻击下,可以通过“弹跳”的方式消解巨大的破坏能量。木塔内所有的柱子都用顶部的梁枋连结成一个筒形的框架整体,既保证了构架的稳定性,也能有力地抵抗地震波的破坏。

柱子之间砌筑有厚实的墙体,牢牢地“抱”住各柱子,更加增加了构架的整体性,而且这些墙体同时能作为剪力墙发挥作用。

此外,木塔厚达4.4米的砖石基座,让整座木塔基础牢固。

由此才创造了应县木塔千年不倒的奇迹。

地震,建筑能否逃过一劫

应县木塔结构示意图

《中华遗产》2009年2月

崩柯

地震,建筑能否逃过一劫

坐落在四川鲜水河断裂带的藏式民居崩柯,是藏族民众与地震相处智慧的显现。

崩柯藏语意为“木头围起来的房子“,这种建筑

是一种框架式木结构建筑,一般为二层或三层,底层关牲畜,二层人居。

崩柯内部结构全部是由木材穿插组合拼接而成:以粗壮的圆木作为立柱,柱子上顶着大梁,大梁再架上檩子,作为基本骨架来展开空间的分割和构成。

房屋最外一圈的柱子之间用“欠”(类似现代建筑的圈梁)相连。欠条嵌进柱头后,还要在柱头上打进一根长20多厘米的栓子,把欠条栓死,将崩柯整体上连成一体。

这样,崩柯就在地震频发的鲜水河断裂带做到“小震不坏,大震不倒”。

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正在修建中的崩柯,可以让我们一窥它的构造

《中国国家地理》2018年4月

摄影:李忠义

101大厦

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台湾处在环太平洋火山地震带上,是地震多发地区。2004年完工揭幕的台北101大厦是台湾第一高楼,也是世界第八高楼。

101大厦修建在没有断层的信义路,塔楼底下一共打了380根群桩,深入地下80米,比岩盘还要再深入20到30米,扎实的地基是101抗震的基础。

为了抗震,台北101大厦还采用了新式的巨型结构。

巨型结构包括巨型柱和巨型梁。

在大楼的4个外侧分别各有2跟巨柱,共8根用钢板包围的、由强度高达10000psi的混凝土浇筑而成的巨柱,自地下5层贯通至地上90层。除巨型柱外,还有16根核心柱。

巨型梁呈现双十状,在水平面利用巨型桁架把所有柱子串联起来。一共11组巨型梁把整栋台北101大厦分为11个大层。柱与梁的连接处采用了高韧性接头,能比传统的刚性接头多吸收7-8倍的能量。

地震,建筑能否逃过一劫

台北101大厦巨型结构示意图

这些相互联结的柱、梁、桁架,既让101大厦更具整体性,也强化了大厦的结构强度,在面对强震时也无所畏惧。

水立方

地震,建筑能否逃过一劫

北京地处华北地震带的燕山带抗震设防烈度为8度,位于北京市奥林匹克公园的“水立方”是2008年北京奥运主要的水上项目比赛场馆。

外部的充气薄膜让水立方看起来充满了水的灵动之感,却也使得“水立方”似乎显得有些弱不禁风。实际上,支撑“水立方”薄膜“皮肤”的骨架是坚实的钢结构。“水立方”的墙壁和天花板由1.2万个承重节点连接起来的网状钢管组成,这些节点均匀地分担着建筑物的重量,从而使“水立方”能够经受住北京最强的地震。钢结构具有优越的强度、韧性和延性,有着很好的抗震性能,很少出现倒塌破坏的情况。

地震,建筑能否逃过一劫

薄膜“皮肤”下面的钢结构骨架

图片取自网络

此外,“水立方”的地下部分是钢筋混凝土结构,在浇筑混凝土的时候,在每根钢柱的位置都设置了预埋件,钢结构的钢柱与这些预埋件牢固地焊接在一起,就这样,地上部分的钢结构与地下部分的钢筋混凝土结构形成一个牢固地整体。正是靠着优越的结构形式和良好的整体性,“水立方”才拥有了“过硬的身体”,达到了抗震8级烈度的标准。

汶川地震之后,有关大面积房屋倒塌的反思一直没有停止过。在总结了2008年汶川地震以及国内外其他大地震的震害教训之后,住房和城乡建设部在2010年发布了新版的《建筑防震设计规范》,并在2016年进行了修订,从政策层面保证了我们的建筑有了更好的抗震性能。如果我们的房屋时能够按照规范进行修建,就算遭遇大地震也不会造成悲剧性的后果。

地震,建筑能否逃过一劫

除了提高建筑的抗震能力外,加强自身的防震意识,知道地震来了之后应该做什么,不应该做什么,如何进行自救,也能大大降低地震带来的伤亡。


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