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给建筑装上“隔震垫”：以柔克刚抵御地震危害

2021-12-29 15:265120
       2021年是唐山大地震45周年。在过去的半个世纪当中，为了应对地震给我国造成的挑战，保障人民生命财产安全，科技界和产业界付出了巨大努力。20世纪90年代以来，隔震逐渐成为减灾抗灾领域的重要概念之一。
       在日前召开的2020年度国家科学技术奖励大会上，“高性能隔震建筑系列关键技术与工程应用”项目获得了国家科学技术进步奖二等奖。该项目由北京建筑大学、东南大学、中国建筑科学研究院、北京建筑设计研究院、中国建筑标准设计研究院、北京基础设施投资有限公司和江苏鸿基节能新技术股份有限公司等单位共同完成。专家委员会鉴定表明，该项目成果总体达到国际先进水平，其中高性能隔震建筑设计方法和高性能隔震装置达到国际领先水平。项目成果已应用于多项重大工程。
       何为隔震，项目中的“高性能”应该如何理解，哪些重大民生工程已经应用了高性能隔震技术？科技日报记者联系到多家相关单位，请他们对这些问题做出了专业解答。
       隔震核心特点是“以柔克刚”
       “隔震就像是让建筑踩上了‘溜冰鞋’。”在2021年7月举办的防灾减灾救灾应用技术成果展上，来自减隔震制造业商家震安科技的工作人员向科技日报记者介绍了隔震技术的特点。“传统建筑抗震理念是硬碰硬，‘以刚制刚’，主要手段是增加构件的物理强度，这样会导致上部结构的地震作用更强。而减隔震技术的核心理念是‘以柔克刚’，在建筑物的基础或下部结构同上部结构之间设置隔震装置，如橡胶支座、阻尼器等设备，减少输入到上部结构的地震能量，这样可以把地震作用降低到原来的1/4到1/8。”
       现场演示的实物模型表明，当“地震”发生时，采用了隔震装置的上层建筑只发生了相对较小幅度的平行移动，而未采用隔震技术的建筑出现的甩动则剧烈得多。“这就是隔震的基本原理。”工作人员介绍说。
       但是，这个简单的模型并不足以呈现隔震技术的完整内涵。现实当中的技术应用必须应对各种复杂的需求和场景，例如高层住宅、医院、地铁、历史建筑等都对隔震技术有不同的条件和要求。在隔震建筑的设计和建设中，国际上长期存在设计理论缺乏适用性、设计技术缺乏系统性、关键装置缺乏高效性和质量控制缺乏规范性等四大问题。为此，“高性能隔震建筑系列关键技术与工程应用”项目应运而生，旨在解决关于高性能隔震技术的一系列关键问题。
       既有理论突破也有现实应用
       针对长期存在的四大问题，项目主要实现了四大创新，分别是高性能隔震结构设计理论、隔震结构多目标一体化设计技术、系列功能可调控高性能隔震装置、隔震建筑建设质量控制技术并主编系列标准。
       “我们这个项目历时二十多年，产出了大量成果，内容十分丰富。”在接受科技日报专访时，获奖项目第二完成人、东南大学土木工程学院教授郭彤解读说，该项目共发表论文166篇，获发明专利30项，出版著作5部，成果应用于60多项重要工程。
       “举例来说，我们研发了多种高性能隔震支座，例如超低模量、高阻尼的橡胶支座，可调控、频率低敏感型复合隔震支座，新型受拉可控隔震支座等。除了支座，还有其它装置，例如可调控黏滞阻尼器和大变形柔性管道，这些都是我们在装置研发方面取得的成果。但是项目成果不只有装置，设计理论、设计技术、质量标准都很重要。”郭彤补充说。
       作为获奖项目的第二完成单位，东南大学牵头完成了多个项目成果，涵盖了以上四个创新的主要方面。除了设计、理论等方面的创新，项目在工程应用与推广方面也有许多成果，而这些成果有许多业已落地，成为百姓日常生活中民生工程的一部分。
       已经广泛应用于民生工程
       为古建“添底”，给地铁“加盖”……在“高性能隔震建筑系列关键技术与工程应用”项目的应用成果当中，不乏这样的“神来之笔”。
       1933年，在蔡元培等人的倡议下，国立中央博物院人文馆在南京落成，即今天的南京博物院。在隔震技术成果的帮助下，这座八十余岁的全国重点文物保护建筑变得更加“年轻”了——凭借整体提升（3米）、隔震加固等先进技术，建筑的抗震水平得到了有效提升，外观风貌也没有遭到损害，建筑的内部空间也扩大了，给了文保单位和参观游客更多余裕。工程完成之后，住建部防灾研究中心把南京博物院的这次加固收录为经典案例，还选为出版丛书的封面。
       在千里之外的另一座历史文化名城北京，隔震技术成果同样大显身手。比起南京，北京的部分自然人文条件更加复杂：处于地震多发地区，自古以来地震频繁；拥有全世界运行长度最多的地铁系统；人口众多且交通枢纽集约用地紧张。在建设高性能建筑的工程当中，隔震技术发挥了关键作用。在北京地铁6号线琨御府、8号线公园悦府和16号线北安河上盖等项目中，复杂高层隔震结构系列关键技术得到推广应用，应用面积高达89万平方米，是目前国际上总面积最大的盖层间隔震建筑群。
       除了上述地铁上盖隔震建筑，北京还有一项重大基础设施工程采用了项目成果。项目第五完成单位，中国建筑标准设计研究院提供的资料显示，由该单位主编的《建筑隔震柔性管道》国家行业标准已经应用于北京大兴机场的高性能隔震装置。位于北京中轴线南方延长线上的大兴机场是目前世界上最大的单体隔震建筑，航站楼总共使用了1152套隔震装置，采用的橡胶隔震支座，无论是体量还是单个支座的吨位都创下国内之最。
       大兴机场的一大特点就是可以实现不同交通工具同站换乘，航站楼的负二层供高铁、地铁和城际列车通行。列车的高速出入会产生较强的震动和较大的风压，这也是我国隔震技术业已克服的困难之一。
       郭彤介绍说，除了古建筑、交通基础设施，项目成果还应用于许多其他民生工程，如中小学校舍、医院等重要建筑的隔震加固工程，以及高层隔震住宅区的建造工程，例如总面积约114万平方米的河北燕郊天洋创新城项目，以及位于9度区近断层（地震放大系数为1.5）的四川西昌领地项目。各类别的项目合计已有60余项，总建筑面积约336万平方米，直接经济效益达到15.4亿元。
       四川省地震局资料显示，早在2015年，我国应用隔震技术的楼房总数就已经超过6000栋，总数占到世界一半，多于日本的5000栋，位居世界第一。震安科技工作人员表示，目前我国应用隔震技术的楼房已经超过1万栋。
       郭彤评论说，作为一种高效的结构防震手段，隔震技术有着广阔的未来应用前景，技术人员仍在不断开发各种性能优异的隔震装置和拓展其应用范围，为提高城市的防灾能力贡献力量。
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