台湾101大楼抗震 奇妙的抗震结构如何守护日本的高层建筑？

原标题：奇妙的抗震结构如何守护日本的高层建筑？

作为地震多发的国家之一，日本从古至今在建筑设计方面煞费苦心，通过诸多抵抗强烈地震的手段，保证了设施安全。当然，大自然的力量是可怕的，目前来说，无论我们人类有多完备的防御措施，灾祸仍然可能以摧拉枯朽的方式伤害我们。古代我们面对自然界压倒性的力量，时常无何奈何，遇到疾病或天灾，古人只能依靠祭祀来祈求平安。

图1 模拟阪神大地震震中的房屋内部晃动情况

如今，我们依赖掌握的自然规律和科学技术，可以在很大程度上避免一些破坏力较轻的灾祸。然而，在一些较强烈的地球活动，比如火山喷发，海啸以及地震中，我们仍然面临较大的威胁。

地震和火山活动多发的日本无疑是防灾减灾技术最领先的国家。自古以来的生存危机激励岛国人民绞尽脑汁，拿出很多优秀的防灾建筑设计。技术更新的今天，日本的新建筑在应对地质灾害方面有哪些巧妙的方法，可以被世界其他国家借鉴呢？今天，给大家简单介绍几种日本房屋的减震结构。

2011年日本“3.11”大型地震及海啸发生时，距离福岛仅300公里的东京震级也在7级以上，然而地震在东京市区内造成的死亡人数仅仅为7人。很难想象这种情况能出现在人口密度如此高的城市中，其中的原因之一就是其坚固的城市建筑设计。

图2 各地观测到海啸高度

过去我们一直强调房子越坚固越好，建筑材料越坚硬，整体结构才能更坚固。“耐震结构”是传统建筑技术中的一个重要组成部分。

所谓“耐震结构”是将墙壁和承重柱强化，再加入强度补充材料形成坚固的建筑物。毋庸置疑，材料和结构越坚固，整体建筑就越牢固。木制房子肯定没有钢铁结构更结实。然而，随着文明进步和科技发展，我们知道了以柔克刚的道理，学会了借力打力，因此又发明了新的建筑技术：免震技术和制震技术。

图3 制震和免震的构造示意

“免震结构”的原理很简单，一句话说就是“你震我不震”。其实现原理一般是在地面和建筑物之间加入橡胶弹性垫或摩擦滑动承重座等，把震动的地面隔开，降低振动强度，就如同在房子底下加了一个大弹簧。

实际建筑设计上，是在地面和建筑物之间加上吸收振动，如，高层建筑的底部安装橡胶弹性垫或摩擦滑动承重座。

图4 多层免震橡胶弹性垫

这种弹性垫可以将整个建筑物与地面分离，如同在建筑物底部安装了一个大大的弹簧，可以预想该结构对地震带来的冲击有很大的缓冲效果。

图5 免震层施工状况

这种结构在日本比较普遍，而且应用得比较早，因此日本多数建筑物都会用这种免震结构作为地基设计的基本方法。

而“制震结构”一般是在建筑物的壁面或承重柱上附着振动减轻装置，控制建筑物的摇晃。实际上，很多世界知名高层建筑都应用了这种方法来抵御地面振动或者强风。

图6 三种抗震房屋结构的直观演示

DUOX（有源双减震器减震系统）

首先，介绍一个比较知名的制震技术——DUOX（有源双减震器减震系统），实际上它是TMD（调谐质块阻尼器）和AMD（主动质量阻尼器）技术的组合应用。

TMD系统应用的一个简单例子就是运用钟摆原理控制振动。在建筑物中吊一个摆锤装置，当发生振动时，建筑物产生晃动的趋向，也会引起摆锤的摆动，而摆锤会以相反的方向摆动，建筑物总是被拉回原来的方向。

比如台北101摩天大楼为了应对因高空强风及台风吹拂造成的摇晃，在大楼的88至92楼间设置了TMD。该TMD系统挂置一个重达660公吨的巨大钢球，利用摆动来减缓建筑物的晃动幅度。这也是全世界唯一开放游客观赏的巨型阻尼器，更是目前全球最大之阻尼器。

图7 台北101大楼中的调质阻尼器

最开始TMD是建筑公司主要采用的抗震技术。

而AMD通过传感器感知振动的频率、幅度等，把信号传递给执行器，执行器对抗质量块而把惯性控制力施加给振动体，实现抑制振动的功能。世界上第一个安装AMD，控制地震和强风的是日本的Kyobashi Siewa钢结构建筑（33m）。