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内建地震安全——位于前沿的城市和设计

Each year, there are approximately 500,000 detectable earthquakes around the world, about 20 of which are large ones. And only a few of those occur in densely populated areas. But why is it that earthquakes of similar magnitudes can have such widely varying effects? For instance, cities in New Zealand, Chile and Haiti experienced similarly sized major quakes in 2010. Christchurch and Santiago suffered, but Port Au Prince was devastated. Most of the injuries from earthquakes come from collapsing buildings, so everything from zoning and planning to design and construction are key factors in creating safer buildings. URBAN HUB looks at some of the cities and ideas at the cutting edge of earthquake safety.
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全面智能 - 智能城市概念在许多方面就是良好的城市规划,其中融合了数字技术的进步,以及对人际、社区、环境可持续性、参与式民主、良好治理、高透明度等传统城市概念的新思考。
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创建于 2018 年 05 月 09 日

地震为什么如此具有挑战性?

当地球的构造板块之间相互碰撞和挤压时,产生的地震波会使地面及地表的物体晃动。建筑物可提供垂直荷载支撑,但地震还会产生水平或侧向荷载,这使安全施工变得更加复杂。

虽然复杂,但并非无法实现。事实证明,建造抗震建筑的方法很多。但不幸的是,这些方法的使用频率却不高。例如,2017 年 9 月发生的墨西哥城大地震,绝大多数毁坏是因廉价的平板混凝土建筑倒塌而引起的——这种建筑材料目前在许多国家都是非法的。

与此相反,该市 57 层市长大楼采用了合理的材料和技术。这座高 225 米(739 英尺)建筑的地基由 252 根深钻桩提供支撑,钢筋混凝土结构钢柱和结构钢的上层结构均通过其进行锚固。在建筑内部,98 个地震阻尼器对地震产生的振动进行吸收和中和。2017 年 9 月,这幢建筑几乎没有受到地震的任何影响!

“中低高度的建筑更容易受到地面晃动的影响,而 100 层高的建筑却能超出地震频率,因此不会产生共振。”

David Malott, 高层建筑和城市居住委员会主席

市长大楼采用众多抗震设计

规则:建设抗震城市的第一步

墨西哥城大部分因地震造成的损失本可以通过采用合理的规则进行避免,例如决定施工地点和施工方法的建筑分区和建造规范,以及确保规则得到确切落实的重要措施。

制定合理的土地利用规划和地震微区规划(如土壤类型、断层类型等)是政府奠定公共安全的基础。抗震工程是一门科学,只有采取并遵循有效的规则,专家的知识才能获得成果。

接下来,工程师们可以据此部署相应的工具,从预建筑阶段着手推进,例如进行土建结构相互作用分析和特定地点光谱分析。研究人员还可在神户(日本)、德里(印度)、阿尔及尔(阿尔及利亚)和里诺(美国)等地的实验室通过巨大的“摇床”进行震级模拟试验。

他们运用多种数字工具、实时仪器和 3D 可视化软件,根据项目的进程对设计进行调整和校准,以此得出有针对性的风险和危害解决方案。

 

摇动的体验:位于神户附近的巨型摇床。

基础隔震

规则可以搭建起一个框架,使设计和施工领域的专家得以发挥技能和创意。其中较为明显的就是地基。

基础隔震技术可以使建筑在诸如金属或铅芯橡胶、重载弹簧、圆柱垫块、滑块,甚至气垫等承重组件上漂浮。伊斯坦布尔(土耳其)新建的规模巨大的萨比哈格克琴国际机场采用了 300 个地基隔离组件,能够承受 8.0 Mw 地震。

采用此种基础隔震的目的,就是在地基或下部结构和建筑上部结构之间插入弹性或滑动缓冲层,以便吸收或转移地震动能。另一个最近的例子,是苹果公司在旧金山(美国)附近建造的未来主义风总部大楼。该大楼建立在 700 个地基隔离组件上。使用这种技术的建筑周围通常也设有“护城河”,因而可以自由移动而不破坏附近的建筑。

控制建筑振动

如果说隔离地基是为了从底部减少建筑的地震荷载,那么振动控制技术就是为了分散、消减或吸收建筑内的地震波。

这种方法的一大应用已经成旅游景点——位于台北(台湾)的台北 101 大楼的第 87 层和第92 层之间。那里设有一个 728 吨的金色金属球,它是世界上最大的调谐质块阻尼器 (TMD)。TMD 能够像钟摆一样向与建筑振动相反的方向移动,消能减震,保持建筑的平衡。它有利于对抗强风与地震波,

同时,在东京(日本),高达 238 米(781 英尺)的六本木新城森大厦在建筑核心位置使用了能够半主动抵消地震能量的系统。位于内部地基附近的软钢阻尼器可使建筑在安全范围内伸展和晃动。这些阻尼器与使用液体物质吸收震动的油压阻尼器相连,同时与集成制动阻尼器结合,将地震动能转化为摩擦热能。

使用优质材料

除了规则、设计和技术,建筑材料也十分重要。材料要兼具硬度和延展性,要能够弯曲却不断裂。脆性材料,例如未配筋的砌体或混凝土块,在发生地震时是最危险的。

以新建的 73 层威尔希尔大厦(洛杉矶最高建筑)为例,它使用形状记忆合金(SMA)作为抗弯支架材料。这种材料受压后会产生弯曲,但随后便能恢复到原来的形状。如果达到弹性极限,这种材料的表面便会升温,将地震产生的动能安全转换成热能。这幢建筑还设计了一个巨大的长方形内核和和多层悬臂梁,并且与台北 101 大厦一样,这些设施中的大部分都展露在外供人观赏。

一般来说,设计师越来越倾向于设计更轻的屋顶、更坚固的地基以及更灵活(但同样坚固)的结构。钢筋混凝土、结构钢、嵌入 SMA 钢丝的智能钢筋混凝土 (IRC),甚至形状记忆聚合物都是目前使用的一些建筑材料。

老旧建筑怎么办?

老建筑也需要采取防震措施。许多新的防震方法也被用于改造老建筑。添加地基隔离防震是保护历史性古建筑的常用方法,如盐湖城(美国)的“市县建设”和具有 122 年历史的日本银行东京总部大楼。

改造防震建筑的另一大方法是在建筑外围搭建钢框架。惠灵顿(新西兰)的 Rostrevor House 使用偏心支撑钢框架 (EBF),以较低的成本增加了结构的弹性。而在能美市(日本),Fa-bo 大楼设计了由 9 毫米热塑性碳纤维棒组成的“外壳”,以便能够安全防范地震波。

老方法也可以重新加以考虑。例如在基多(厄瓜多尔),当地政府在小型建筑上推广运用科技含量并不高但灵活性强的竹子。更具雄心的设计是 Fraunhofer 木材研究所在不伦瑞克(德国)的方案。这个木材研究所正在探索在高层建筑中使用大型实木梁承重。如果这听起来还不够高科技,他们还在研究超耐久、由传感器控制的弹性钢连接器,可使建筑在震中保持结构完整。

Fa-bo 在日本
“木材非常耐用,质量轻但稳定,对于防震来说非常完美。在机械性能方面,它堪比十分耐用的复合材料,但它的成本十分低。”

Norbert Rüther, Fraunhofer 木材研究所项目经理

城市规划和全方位准备

防震安全是一项多方面的任务——它是城市规划中缓解整体风险的一部分。例如,高地震风险城市还需要保护危险场所和重要基础设施,紧急服务也必须能够迅速做出反应。许多城市在大冲击波袭击之前使用智能地震传感器对地震发出预警。

震前、震中和震后的市民防震意识及准备也是公共政策的一部分。在波哥大(哥伦比亚),政府为户主提供改进房屋防震性能的工具。在西雅图和温哥华等北美城市,每年举行的大摇晃 (Great Shakeout) 地震演习将实际指导和训练变得趣味十足。

电梯安全也是全局中的部分。负责任的制造商会持续研究地震如何影响高层建筑及其电梯部件。例如,thyssenkrupp Elevator 就与上海同济大学开展研究合作。该公司还在中山市(中国)和罗特韦尔(德国)新建的测试塔中使用内置的主动质量阻尼器 (AMD) 系统。这些建筑可以模拟地震的发生,科学家们可以借此继续保护我们每天使用的移动设备。

与此同时,电梯采用内置的地震探测器对即将发生的地震发出预警。随后,电梯将自动启动开关,将轿厢带到第一个可用楼层并打开电梯门。

建设防震城市

防震准备朝着各个方向进行扩展,从放置在街道下方和建筑周围,用以吸收地震波的新一代创意 ViBa 防震屏,到在地震区设置更合理的城市分区、执法措施和市民参与。建设防震城市是一项复杂的任务,涉及技术、规划、设计、材料和市民准备。这就是我们在地震区或者其他任何地方保持城市安全的方式。

 

This short video by The Economist shows some of the techniques being applied to make buildings more earthquake-proof. Note that one of the techniques is hundreds of years old but has been updated and resized for use in supertall skyscrapers.