作為地震多發(fā)的國家之一，日本從古至今在建筑設(shè)計方面煞費苦心，通過諸多抵抗強烈地震的手段，保證了設(shè)施安全。當然，大自然的力量是可怕的，目前來說，無論我們?nèi)祟愑卸嗤陚涞姆烙胧瑸?zāi)禍仍然可能以摧拉枯朽的方式傷害我們。古代我們面對自然界壓倒性的力量，時常無何奈何，遇到疾病或天災(zāi)，古人只能依靠祭祀來祈求平安。
圖1模擬阪神大地震震中的房屋內(nèi)部晃動情況
如今，我們依賴掌握的自然規(guī)律和科學技術(shù)，可以在很大程度上避免一些破壞力較輕的災(zāi)禍。然而，在一些較強烈的地球活動，比如火山噴發(fā)，海嘯以及地震中，我們?nèi)匀幻媾R較大的威脅。
地震和火山活動多發(fā)的日本無疑是防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)最領(lǐng)先的國家。自古以來的生存危機激勵島國人民絞盡腦汁，拿出很多優(yōu)秀的防災(zāi)建筑設(shè)計。技術(shù)更新的今天，日本的新建筑在應(yīng)對地質(zhì)災(zāi)害方面有哪些巧妙的方法，可以被世界其他國家借鑒呢？今天，給大家簡單介紹幾種日本房屋的減震結(jié)構(gòu)。
2011年日本“3.11”大型地震及海嘯發(fā)生時，距離福島僅300公里的東京震級也在7級以上，然而地震在東京市區(qū)內(nèi)造成的死亡人數(shù)僅僅為7人。很難想象這種情況能出現(xiàn)在人口密度如此高的城市中，其中的原因之一就是其堅固的城市建筑設(shè)計。
圖2各地觀測到海嘯高度
過去我們一直強調(diào)房子越堅固越好，建筑材料越堅硬，整體結(jié)構(gòu)才能更堅固?！澳驼鸾Y(jié)構(gòu)”是傳統(tǒng)建筑技術(shù)中的一個重要組成部分。
所謂“耐震結(jié)構(gòu)”是將墻壁和承重柱強化，再加入強度補充材料形成堅固的建筑物。毋庸置疑，材料和結(jié)構(gòu)越堅固，整體建筑就越牢固。木制房子肯定沒有鋼鐵結(jié)構(gòu)更結(jié)實。然而，隨著文明進步和科技發(fā)展，我們知道了以柔克剛的道理，學會了借力打力，因此又發(fā)明了新的建筑技術(shù)：免震技術(shù)和制震技術(shù)。
圖3制震和免震的構(gòu)造示意
“免震結(jié)構(gòu)”的原理很簡單，一句話說就是“你震我不震”。其實現(xiàn)原理一般是在地面和建筑物之間加入橡膠彈性墊或摩擦滑動承重座等，把震動的地面隔開，降低振動強度，就如同在房子底下加了一個大彈簧。
實際建筑設(shè)計上，是在地面和建筑物之間加上吸收振動，如，高層建筑的底部安裝橡膠彈性墊或摩擦滑動承重座。
圖4多層免震橡膠彈性墊
這種彈性墊可以將整個建筑物與地面分離，如同在建筑物底部安裝了一個大大的彈簧，可以預(yù)想該結(jié)構(gòu)對地震帶來的沖擊有很大的緩沖效果。
圖5免震層施工狀況
這種結(jié)構(gòu)在日本比較普遍，而且應(yīng)用得比較早，因此日本多數(shù)建筑物都會用這種免震結(jié)構(gòu)作為地基設(shè)計的基本方法。
而“制震結(jié)構(gòu)”一般是在建筑物的壁面或承重柱上附著振動減輕裝置，控制建筑物的搖晃。實際上，很多世界知名高層建筑都應(yīng)用了這種方法來抵御地面振動或者強風。
圖6三種抗震房屋結(jié)構(gòu)的直觀演示
DUOX（有源雙減震器減震系統(tǒng)）
首先，介紹一個比較知名的制震技術(shù)——DUOX（有源雙減震器減震系統(tǒng)），實際上它是TMD（調(diào)諧質(zhì)塊阻尼器）和AMD（主動質(zhì)量阻尼器）技術(shù)的組合應(yīng)用。
TMD系統(tǒng)應(yīng)用的一個簡單例子就是運用鐘擺原理控制振動。在建筑物中吊一個擺錘裝置，當發(fā)生振動時，建筑物產(chǎn)生晃動的趨向，也會引起擺錘的擺動，而擺錘會以相反的方向擺動，建筑物總是被拉回原來的方向。
比如臺北101摩天大樓為了應(yīng)對因高空強風及臺風吹拂造成的搖晃，在大樓的88至92樓間設(shè)置了TMD。該TMD系統(tǒng)掛置一個重達660公噸的巨大鋼球，利用擺動來減緩建筑物的晃動幅度。這也是全世界唯一開放游客觀賞的巨型阻尼器，更是目前全球最大之阻尼器。
圖7臺北101大樓中的調(diào)質(zhì)阻尼器
最開始TMD是建筑公司主要采用的抗震技術(shù)。
而AMD通過傳感器感知振動的頻率、幅度等，把信號傳遞給執(zhí)行器，執(zhí)行器對抗質(zhì)量塊而把慣性控制力施加給振動體，實現(xiàn)抑制振動的功能。世界上第一個安裝AMD，控制地震和強風的是日本的Kyobashi Siewa鋼結(jié)構(gòu)建筑（33m）。
圖8調(diào)諧質(zhì)量阻尼和主動質(zhì)量阻尼
而DUOX另外增加了TMD（調(diào)諧質(zhì)量阻尼）和AMD（主動質(zhì)量阻尼）的組合系統(tǒng)。隨著技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合TMD和AMD技術(shù)而建設(shè)的日本建筑是位于東京都港區(qū)的Shiodome Media Tower（172m）。
圖9 Kyobashi Siewa【左】和Shiodome Media Tower【右】
HIDAX-R(流動阻力抵抗振動)
日本鹿島會社于1995年開發(fā)出了振動吸收阻尼HiDAM，我們先來看一下早期的HiDAM是如何工作的。
當建筑物產(chǎn)生振動時，建筑物的梁和支架產(chǎn)生位移差，使得活塞移動?；钊嫌锌梢源蜷_的連接孔，液壓油可以通過連接孔在左右油室之間移動。連接孔中設(shè)有調(diào)節(jié)閥，利用通過孔口的油的流體阻力達到減震的效果。2009年日本大阪竣工的The Kitahama（209m） 就是采用了這種抗震技術(shù)。
圖10 HiDAM
圖11使用HiDAM的The Kitahama
2015年開發(fā)出的新型振動吸收阻尼HiDAX-R是在HiDAX的基礎(chǔ)上研發(fā)的，抗振性能達到前者的4倍以上。與HiDAM相比，HiDAX是一種可以控制流量的油阻尼器。性能要優(yōu)于HiDAM。而HiDAX-R是世界上首個搭載振動能量再生系統(tǒng)VERS的新型制震阻尼器，也是首次將汽車制動控制原理應(yīng)用到建筑物的設(shè)計中?？梢耘R時儲存因地震等引起的振動能量，提高抗震效率。
圖12 HiDAX-R
由于該技術(shù)開發(fā)于2015年，目前尚未應(yīng)用于實際建筑中。HiDAX則已應(yīng)用于2003年竣工的位于東京的Roppongi Hills Mori Tower（238m）中。
圖13 Roppongi Hills Mori Tower【東京】
DFS（雙框架系統(tǒng)）
在建筑物的中心放一個剛性心軸，在它的外圍放一個由很多柱子和橫梁搭建的軟結(jié)構(gòu)建筑物。然后用減振裝置（油阻尼器）連接這兩個建筑物。地震時，這兩個建筑物的硬度不同，晃動的頻率也不同。所以變形的趨向也不同。心軸比較硬，晃動會比較厲害，而建筑物通過油阻尼器的減振作用，大大降低了晃動的幅度。
圖14 DFS結(jié)構(gòu)圖
位于日本川崎市正在建造的港町駅前マンション（96m）正是應(yīng)用了這個抗震技術(shù)。
圖15建設(shè)中的港町駅前マンション
圖16東京天空樹所用的DFS抗震結(jié)構(gòu)示意圖
圖17抗震技術(shù)有效的增強了房屋抵抗地震的能力
結(jié)語
我們從最初的耐震結(jié)構(gòu)，針對每時每刻都會發(fā)生變化的地震、強風等作用力，發(fā)展為制震和免震結(jié)構(gòu)，并且逐漸把多種抗震技術(shù)組合應(yīng)用到建筑物中，使建筑物的抗震抗風能力越來越強。建筑物的設(shè)計高度越來越高，無疑給一些發(fā)達的高人口密度地區(qū)帶來了更多發(fā)展機會，我們也可以節(jié)省更多的地面面積用來綠化或者種植農(nóng)作物。
日本這樣一個多地震國家，由于受到生存危機的驅(qū)使，開發(fā)出了很多優(yōu)秀的抗震技術(shù)，這些技術(shù)是值得其他國家學習的。
我們國家很多地區(qū)也在地震帶上，這些地區(qū)的建筑物的建筑設(shè)計方法應(yīng)該借鑒先進技術(shù)，建造抗震能力更強的建筑物，才能減低災(zāi)害引起的人身和財產(chǎn)安全。而對日本來說，地震或海嘯帶來的“水”和“火”仍然是需要面對的兩個難題，相信今后的科研工作者們也會在繼續(xù)努力解決這些問題。
圖18耐震、制震和免震的示意圖
