我们离隔震强国还有多远？
本文来自微信公众号：一席 （ID：yixiclub），演讲人：曲哲（中国地震局工程力学研究所研究员），策划：恒宇啊，剪辑：大凯，原文标题：《我们控制不了地震，但可以控制房子，比如把它跟地震隔开｜曲哲 一席第953位讲者》，头图来源：视觉中国
大家好，我是曲哲，是一名地震科技工作者，主要从事建筑抗震研究。
说到抗震，大家是不是会马上想到抗震救灾？但其实如果地震已经造成灾害了，再来抗震就有点晚了。我们说的建筑抗震，是希望让建筑在地震还没有发生时就做好抵抗地震的准备。
这样说可能有点抽象，到底怎么抵抗地震呢？大家知道，我们的房子会受到地球的引力，所以时刻都会有一个竖向力的作用，但在发生地震或者强风时，还会受到比较强烈的水平力作用。
100多年前，人类最初想要对建筑做抗震设防时，日本的佐野利器先生提出，可以按大概30%的自重来考虑地震引起的水平力。
30%的自重是什么概念？我们可以想象一下，如果把房子从一边抬起来17度，这时房子受到的水平力大概就是竖向力的30%。如果房子在这样的倾斜状态下还不会发生任何破坏，那么从100年前的观点来看，这个房子就可以说是一个抗震建筑了。
唐山地震后的抗震设防
我们国家的建筑抗震起步相对晚一些，1976年的唐山地震是一个关键节点。经过40多年的发展，我国的抗震设防水平整体上在不断提高。
我们按照设防烈度把全国划分成6、7、8、9度四个区域，烈度越高对抗震设防的要求就越高，房屋需要抵抗的水平力也就越大。
大家注意这里使用的是“度”，而不是“级”。有一些宣传说某某建筑可以抗8级地震，实际上是不科学的，建筑抗震并没有按地震震级来设防的。
那么这些烈度区都在哪呢？建筑抗震离我们有多远？
这是我国2016年开始实施的第五代地震动参数区划图，图上用不同的颜色表示不同的烈度区，颜色越深，抗震设防的要求就越高。我们通常把8度区和9度区叫作高烈度区。
▲中国地震动参数区划图
在高烈度区内有两座城区常住人口超过一千万的超大城市，北京和天津。300多年前这里曾发生过一次八级左右的地震，叫三河平谷地震。还有一座超500万人的特大城市，也就是我的家乡西安， 400多年前在这附近也发生过一次8级地震，华县大地震。
除此之外，在高烈度区内还有三座超300万人的Ⅰ型大城市，包括乌鲁木齐、太原，以及我们现在所在的昆明，所以我们录制演讲的这个房子应该是按八度设防的。
这样看来好像建筑抗震也没什么难的，每个地方设防烈度的高低都是确定好的，不同烈度区对建筑的抗震能力的要求也是确定的。但其实这些都是我们人类，或者说我们工程师，根据自己对地震的理解做的一些一厢情愿的规定。
现实中的地震几乎每一次都是以一种我们想象不到的形式呈现在人们面前。所以一部抗震工程发展史，就是一部我们的认知不断被地震灾害刷新的历史。就我个人而言，最痛的一次经历就是2008年的汶川地震。
汶川地震中城镇为什么会跪倒？
汶川地震发生时我正在清华大学读博，我们课题组的一个主要研究方向就是钢筋混凝土结构的抗震。
从唐山地震到汶川地震过了30多年，在这期间我国的建筑抗震设计规范经历了三版更新。对于混凝土结构，在钢筋尺寸、材料的强度上有各种各样的规定，目的是希望保证它在地震中不会出现这样的破坏。
当我们都以为已经为下一次大地震做好准备的时候，汶川地震用一种非常残忍的方式把我们拽回了现实。
汶川地震中有大量的混凝土结构发生了倒塌，其中最重要的也是最普遍的一种破坏形式就是像这样的薄弱层倒塌。远看房子还挺好的，但是走近一看才发现，它们都是“跪着”的，底层已经没有了，被压扁了。
薄弱层倒塌通常发生在底层，但也有可能在中间层。
▲ 右图拍摄：清华大学叶列平
地震喜欢攻击结构最薄弱的部位，往往薄弱层已经完全垮塌了，其他楼层还基本完好，相当于这个结构没有像一个团队、一个整体一样一起来抵抗地震。
之所以说汶川地震刷新了我对地震的认知，是因为我们在课本里学到，在框架结构中，柱子是贯穿结构全高的构件，在地震中可以协调各个楼层的水平变形。所以柱子实际上是防止薄弱层倒塌的一个非常重要的，甚至是唯一的防线。
因此人们就设想，如果地震比较大，破坏不可避免的话，那么最好让破坏发生在梁上，比如像这个图里画的发生在梁的端部，而不要发生在柱子上，因为梁的破坏不会引起结构整体倒塌。
这就是上个世纪八九十年代，新西兰学者提出的“强柱弱梁”的抗震设计理念。这个理念被全世界主要的抗震国家采纳，包括我国。所以我们上学时教科书是这样写的，老师上课也是这样讲的。这使我们对此深信不疑，觉得只要实现强柱弱梁，框架结构就不会出现薄弱层倒塌。
但是实际上呢？美好的理想撞上了残酷的现实。我和我的老师以及很多同行们，在汶川地震现场的废墟里，没有看到一栋混凝土框架结构真正实现了强柱弱梁，不是发生了薄弱层倒塌，就是破坏部位发生在了柱端，而不是梁端。
到底哪里出了问题？汶川地震半年以后，我们发表了一篇文章，细数了强柱弱梁无法实现的八大原因。当然具体说起来就比较复杂了。
总而言之，框架结构在地震中要面对非常多的不确定性，地震是不确定的，结构在遭受地震时的状态也是不确定的。在这种情况下，想实现强柱弱梁几乎是一个不可能完成的任务。
源于中国木塔的摇摆墙
汶川地震半年后，我第一次东渡日本求学，因为日本是世界上抗震工程最发达的国家。到东京后我就迫不及待地向我在日本的合作导师，东京工业大学的和田章教授，汇报了我们在汶川地震中看到的震害，以及我们的困惑和思考。
实际上这不是中国特有的问题，而是一个全世界的普遍问题。框架结构发生中间薄弱层破坏的最典型案例，就是1995年阪神地震中日本神户市市政厅的倒塌。
▲ 1995年阪神地震后的神户市政厅，拍摄：和田章（Akira Wada）
和田先生跟我说，我们也一直在思考怎样避免薄弱层倒塌，最近我有一个新的想法可能可以解决这个问题，你要不要研究研究？
这就是根据和田先生的新想法，2011年加固改造完成的东京工业大学的一栋教学楼。在这个楼的立面上，有几片简洁有力的清水混凝土墙贯穿结构全部，我们把它们叫作摇摆墙。
▲ 东京工业大学G3教学楼，拍摄：小野口弘美（Hiromi Onoguchi）
请大家注意这个细部，这个混凝土墙没有结结实实地坐落在基础上，而是通过一个看似很纤细的铰支座与基础连接，墙体可以绕着铰支座转动。在地震作用下它们可以随着建筑一起左右摇摆，所以叫摇摆墙。
这是世界上第一栋采用摇摆墙的现代高层建筑，我也非常有幸地因为对这个问题的关注，参与了这栋建筑的抗震分析。
摇摆墙起到了什么作用呢？在这个框架里，摇摆墙的主要功能不是直接去对抗地震，而是像一个组织核心一样协调各个楼层的水平变形，使结构形成一个整体，团结一致地对抗地震。
刚才我说了在强柱弱梁的设计中，一根根纤细的柱子是防止出现薄弱层破坏的最重要甚至是唯一的防线，但这些柱子比较分散。摇摆墙相当于将一根根筷子捆成一捆，这样就不容易被折断了，所以它是用一种更加强有力的，甚至有点简单粗暴的方式来对抗地震的破坏。
和田先生跟我们说，摇摆墙的灵感来自日本寺庙里的五重塔。大家如果去日本旅游过的话，肯定见过这种五重塔。这是法隆寺五重塔，塔的中间有一根非常结实、粗壮的心柱，从底到顶贯穿全高。
和田先生还说，这种结构形式最早是从中国传到日本的。当时我不相信，因为古建筑我也了解一些，中国现存的古塔，包括现存最早的应县木塔里都是没有心柱的。我们的古塔中间不可能有一根大柱子，因为一般那里安放着佛像。
后来无意中我发现了一个资料，这是北魏时期洛阳永宁寺里九层方塔的复原图，在一层到七层的中间还真有一根心柱。看来和田先生作为一个日本人对中国古建筑的了解比我还多，他说的没错，心柱果然起源于中国。
我们也很高兴地看到我们开创的摇摆墙理念，在大洋彼岸同样地震多发的加州也得到了一些应用。这是旧金山市的一栋钢结构的高层建筑，在中间的混凝土核心筒的底部也设置了一个铰支座。
▲ Janhunen et al (2013) Tipping Structural Engineers
2012年底我回国参加工作，也把我们很得意的摇摆墙带回到了国内。但那时很多工程师接受不了，大家觉得这个厚重的混凝土墙落在地上更结实一些，中间隔着一个纤细的铰支座感觉不太牢靠。
但是慢慢地有更多的学者来研究这种新型的结构体系。最近同济大学的吕西林老师的团队把摇摆墙应用在了浙江嘉兴的一栋高层建筑中，做了一个很好的示范。
▲ 来源：同济大学周颖
据我所知，这也是我国第二栋采用摇摆墙的建筑。从这个过程中大家也可以看到，一个新的技术从最初的想法到被人理解和接受，再到实际应用，其实是一个挺困难的过程，需要很长的时间。
因为深受和田先生的影响，2014年我决定把他的一本书《建筑结构损伤控制设计》翻译成中文，向中国的学者和工程师介绍地震损伤控制这样一个抗震设计理念。
这种控制一定不是最优控制，因为建筑抗震面临的不确定性实在太大了。我们不知道什么时候会发生地震，也不知道会发生多大的地震，不知道地震引起的地面振动会有什么特性，当然更不可能控制地震。
我们控制不了地震，但是可以控制房子。从这个角度来看，摇摆墙做的事就是通过一种强有力的控制，使建筑在地震中的变形在各个楼层之间尽量均匀分布，并且不管来什么样的地震，这个变形分布都差不多。
▲ 创意：小野口弘美（Hiromi Onoguchi）
隔震：把房子和地震隔开
还有没有其他的可能性？比如，我们推到另一个极端，能不能让变形尽量地集中呢？其实比摇摆墙结构出现得更早，并且已经大量应用的隔震建筑就是这样做的。
▲?创意：小野口弘美（Hiromi Onoguchi）
隔震，顾名思义就是把房子跟地震隔开，那怎么隔呢？
2018年，汶川地震10周年的时候，我们出版了一本地震科普绘本《震振震》。在小读者见面会上，有一个非常可爱的小女孩发明了一种隔震，把房子用气球吊起来飘在空中，这样房子就跟地面隔开，不会受地震影响了。
▲?《震振震》x?唯里乡居 小读者见面会
她想得非常周到，在房子的下面还坠了一个很大的球，旁边写了一个“沉”字，把房子拽住这样就不会被风吹走。
现实中的隔震是怎么做的呢？通常是在建筑的底部，比如在地下室和基础之间的每一根柱子下面，放置这样的叠层橡胶支座。这个支座很柔软，在水平方向可以发生很大的变形。
这样做实际上就是在建筑底部人为地设置了一个柔软的隔震层，但这个隔震层只能在水平方向柔软，竖向不能柔软，不然就像把房子放在一个救生气垫上一样，即使不地震房子也会晃来晃去。
那么问题来了，怎样让一块橡胶在水平方向柔软，但是竖向又很坚硬呢？隔震支座外表上看是一坨橡胶，里边则大有玄机，它是由一层薄薄的橡胶、一层薄薄的钢板这样一层一层叠合起来的，所以叫叠层橡胶隔震支座。
这是什么意思呢？因为每一层橡胶都很薄，它的侧向变形会受到钢板强有力的约束。所以竖向压它的时候，它不会像一整块橡胶一样鼓出一个大包来，这样在竖向上就实现了很大的刚度。
在隔震层里还有一些消能构件，帮助耗散地震输入的能量，控制隔震层的位移。最常见的就像图里显示的，橡胶支座中间有一根铅棒，我们叫它铅芯，利用铅这种金属的塑性变形来耗散地震能量，这种支座也叫铅芯橡胶支座。
隔震建筑里另一种常用的消能器叫黏滞阻尼器，在隔震层里像这样水平安装，它其实就是一个内部充满了黏滞液体的活塞机构。
这个东西看似很陌生，实际上大家日常生活中都有。比如我们的衣柜、橱柜，还有轿车后备厢的厢盖，在关上时都会有一个消能元件来起一些缓冲作用，让它不要“啪”地一下，而是慢慢地关上。它们原理差不多，只不过建筑中用的阻尼器体量要大很多。
隔震建筑在哪里？
很多人可能是第一次听说隔震，会觉得它离我们很遥远。2008年之前确实如此，但现在已经很不一样了。有必要让大家了解一下隔震目前在中国的发展状况，很可能某一天你所处的建筑就会是一栋隔震建筑。
我们先来看看隔震技术在日本的发展情况。1983年，正好是我出生那一年，日本建成了全世界第一栋采用橡胶支座的隔震建筑，他们很骄傲，叫它隔震一号。
但在此后的十几年间，隔震建筑的增长非常缓慢，直到1995年的阪神地震。阪神地震中有一栋采用隔震技术的邮政大楼表现非常好，从那个时候开始，隔震技术的优越性才得到了公众的熟知。
▲ 数据来源：日本隔震协会
大家可以看到，1995年以后日本隔震建筑的数量直线上升，到2020年已经超过了5000栋，其中还不包括图中蓝线所示的比较小规模的独栋隔震住宅。
我们国家第一栋隔震建筑1993年在广东建成，非常类似，在此后的十几年中推广起来也是困难重重。到2007年，这么大一个国家全国只有大约100~200栋隔震建筑。
在我国发挥了阪神地震那样的作用的，是2008年的汶川地震。汶川地震后仅三年，这个数字就翻了十几倍，现在还在继续增长。
▲ 数据来源：北京建筑大学曾德民， 中国勘察设计协会抗震防灾分会
到2018年，保守估计我国至少有5772栋隔震建筑，实际数字可能远高于此。现在我们业内普遍相信，在总数上我们已经超越了日本，成为世界第一隔震大国。
在隔震建筑发展的驱动力上，我们与日本有一些差别。日本主要受市场驱动，我国隔震建筑的建设在很大程度上是各级政府，特别是一些地震多发省份的地方政府在推动，他们扮演了非常关键的角色。
这一点从这些隔震建筑的地域分布上也可见一斑。刚才说的5000多栋隔震建筑中有71%在云南，远远多于同样地震多发的四川。
云南2018年有4000多栋隔震建筑，同一年日本也有4000多栋隔震建筑，这是拿省跟国比，不太公平。但是比较巧的是，云南省的面积跟日本的国土面积差不多，平均下来，云南省隔震建筑的密度和日本也没差多少。
日本有1.3亿人口，云南只有不到5000万人口，所以云南人均占有的隔震建筑数量远高于日本。从这个角度来说，云南的隔震建筑真是“富”可敌国，在准备这个演讲之前我都没有想到。
芦山地震：我国隔震建筑第一次经受考验
虽然云南拥有我国最多的隔震建筑，但隔震建筑第一次经历强烈地震的考验并不是在云南，而是在同样地震多发的四川。
2013年，四川省雅安市的芦山县发生了一次7.0级的地震，这次地震的影响区位于2008年汶川地震灾区的西南角。
▲?来源：中国地震局
两次地震时隔5年，当地很多建筑在汶川地震后做过抗震加固，也有很多新建的建筑，其中就包括芦山县人民医院的新门诊大楼。
这是一栋隔震建筑，它在芦山地震后被网友们亲切地称为“楼坚强”。为什么呢？主要是因为它有一个好队友，跟它紧邻的老门诊楼破坏得比较严重。两相对比，新门诊楼破坏很轻，很快就恢复了正常使用，发挥了比较关键的震后应急救治的作用。
这里有一个很重要的概念“正常使用”。我们国家几十年来的抗震设防标准一直是“小震不坏，中震可修，大震不倒”，不管是可修还是不倒其实都不能正常使用了。
从城市防灾的角度出发，我们现在对医院、学校、应急中心等功能比较关键的建筑，提出了一个更高的抗震性能需求，“中震正常使用”。那么怎样才能保证呢？
我们看一下对比，新门诊大楼在震后之所以能正常使用，除了主体结构没有破坏之外，更重要的是它的非结构构件，就是门、窗、吊顶、管线、医疗设备等也没有太大的破坏。其实老门诊楼的结构问题也不太大，它之所以被比下去了，主要是因为非结构构件损坏太严重了。
芦山地震发生在上午8点，当时我刚起床，我们下午5点半就抵达了成都，准备进入灾区。我们在灾区看到的一个普遍现象是，很多楼从外观上看一点问题都没有，但是所有的应急工作都是在室外临时搭建的帐篷里开展的。
如果说汶川地震后那些远看完好的建筑实际上是跪着的，那么芦山地震中这些结构完好的建筑就是遭受了严重的内伤。比如非承重的砌体填充墙发生了严重破坏、吊顶大面积坠落、管线破损导致没有上下水，还有通讯设备损坏。
▲芦山地震中的非结构破坏
从这里可以看到，我们要保证一个建筑的正常使用，光看结构是不够的，还需要考虑非结构破坏。那么怎样保证非结构构件在地震中的安全呢？一个非常直接的思路是，分门别类地把各种非结构构件的抗震性能都搞得很好。
这几年我们做了很多实验，有填充墙的实验、水管的实验、吊顶的实验，还有室内物品的实验，我们发现非结构构件太复杂了，种类繁多、动力特性复杂，损伤机制更是千差万别。
更重要的是，非结构构件的布置非常灵活，而且不受结构工程师的控制，不需要有图纸，也不需要审核。所以想要分门别类地提高非结构构件的抗震性能，看起来简单，实际上却是一件非常困难的事。
那么还有没有别的办法呢？先看两段视频。我们在实验室里的振动台上，模拟了一栋普通多层建筑里一个真实大小的房间的地震反应。大家可以看到在剧烈晃动下，吊顶大面积坠落、桌椅移位、柜子也倒掉了。
▲?非隔震 PGA=0.3g 周期1秒；曲哲研究室试验视频（A?test video?@qLab）??
再看下一段视频，同样是这个房间，同样的地震，唯一不同的是这次我们对这栋建筑采用了隔震技术。这一次吊顶、桌子、椅子、书柜都没有问题。
▲?隔震?PGA=0.3g?周期2.6秒；曲哲研究室试验视频（A test video @qLab）
对比可以看出，跟非隔震结构剧烈的晃动相比，隔震建筑里的房间像海上的一艘船一样晃来晃去，晃动的幅度很大，但节奏要慢很多。从结构动力学的角度来看，隔震层延长了结构的周期，减小了它的地震反应，既保护了上部结构，也保护了依附在结构上的各种非结构构件。
泸定地震：隔震也不是万能的
我们现在回过头来看，不管是摇摆墙还是隔震，都是希望用一种非常简单明确的变形机制来对抗地震的不确定性，最简单的控制目标最容易实现。
但是隔震也不是万能的，更大的挑战来自理论和技术之外。
两个多月前在四川甘孜州的泸定县发生了一次6.8级的地震，震中离2013年芦山地震的震中不远，还是没有逃出2008年汶川地震的影响范围。
▲?来源：应急管理部、中国地震局
如果说芦山地震是我国隔震建筑第一次接受强烈地震的考验，那么泸定地震就是第二次。在泸定地震中，隔震建筑既暴露出不少芦山地震中已经出现的老问题，也暴露出更多新问题。
这是泸定震中附近的一栋学校建筑，是比刚才我们看到的芦山人民医院新门诊楼还要恢宏的隔震建筑。
我们刚才说了，隔震层在地震中预计要发生几十厘米的水平位移。为了适应这个位移，需要在结构和周边的场地之间设置一个隔震缝或隔震沟。这个缝很宽，比如这栋建筑的隔震缝有70厘米宽。
为了防止人掉下去，上面要有一个盖板。这个盖板本来应该随着上部结构一起运动，但是在这次地震中，这个盖板在根部的地方与上部结构脱开了，并且残留了一个20多厘米的缝隙。
一方面这是一个意外的震害，也是我国隔震建筑的一个老问题，另一方面它也告诉我们这个隔震层在地震中至少运动了20多厘米。大家可以想象一下，一栋两万多吨的庞然大物在你面前发生20多厘米的水平摇晃，还是很壮观的。这正是隔震的力量所在，把变形吸收在隔震层，让它能够保护上部结构。
但是，如果隔震层附属的非结构构件不能适应这么大的变形，那也会坏事。比如这栋建筑中穿越隔震层的三根供水管线全部破坏，一直在漏水，把隔震层都淹没了。
这也不是个新问题，2013年芦山地震中也有同样的隐患，当时只是侥幸没有破坏。二者的共同点在于都没有按规定采用柔性连接。按照要求，穿越隔震层的管线都要采用这样的柔性软管，来适应隔震层可能发生的巨大的水平变形。
排水管也是一样，芦山地震中也有迹象，只不过当时的隔震层变形比较小而没有破坏。
相比之下，日本隔震建筑里的隔离措施就要精致得多。即使是一个简单的PVC下水管，也要在隔震缝的两侧做严格的物理分隔。
楼梯也是，穿越隔震层的楼梯如果不做分隔处理的话，在地震中可能会阻碍隔震层的变形。当隔震层这个庞然大物想要运动的时候，楼梯首当其冲会被干掉。
日本的隔震建筑精致到什么程度呢？不光楼梯要分开，楼梯旁边那个推自行车的小斜坡都要分开。
我在东京生活的时候，离我的住所不远有一个隔震建筑。我遛弯的时候偶然发现，入口旁边自行车停放区的栏杆都考虑到了隔震层的水平位移而做了完全的分隔。也就是说他们要做到，在地震中自行车停放场的栏杆都不能坏。
泸定地震除了有这些芦山地震中曾经暴露过但没有引起足够重视的问题之外，还有一些更严重的新问题。比如在刚才那栋恢宏的隔震建筑里，几乎所有黏滞阻尼器都发生了不同程度的破坏。
▲ 拍摄：柏文
在另一栋隔震建筑里，我们发现有多个橡胶隔震支座发生了整体断裂。
▲ 拍摄：柏文
据我所知，这也是我国大陆地区的隔震建筑中首次出现关键的结构构件，也就是隔震支座和阻尼器的破坏。这些破坏虽然没有危及建筑的安全，但要恢复正常使用，必须更换这些支座和阻尼器。不但费时费力，还不可避免地会引发很多纠纷。
我们离隔震强国还有多远？
2008年汶川地震以来，经历了芦山地震，再到今年的泸定地震，我们国家的隔震实现了从少到多的蜕变。无论是看全国的总数，还是云南的人均数，我们都可以说是当之无愧的世界第一隔震大国。
但是我们离隔震强国还有多远？在泸定地震后，震中附近仅有的两栋隔震建筑全部因为各种各样的隔震层破坏，无法正常使用，反倒是它们旁边的普通非隔震建筑大多都还能正常使用。
看到这样的震害，对我来讲真是百感交集。一个那么好的技术，在没有推广开的时候有没有推广的问题，推广开了以后又有新的问题。前段时间，有一个朋友对行业现状做了一个非常精辟的概括，他说：“市场需求太大，灵魂赶不上身体。”
在经历一次次地震灾害的洗礼后，我们构思出各种各样的新技术来对抗地震的不确定性时。与此同时，我们也不能忽视在技术推广中另外一种很重要，甚至可能更重要的不确定性，就是人的不确定性，这无疑增大了建筑抗震的难度。
最后衷心地希望我国的抗震技术不只有好看的皮囊，还能早日拥有精益求精的灵魂，在下一次大地震发生之前，能够真正做到防震于未然。
谢谢大家。
本文来自微信公众号：一席 （ID：yixiclub），作者：演讲人：曲哲（中国地震局工程力学研究所研究员）
