屹立一百年

“鳥巢”和“水立方”的設計使用年限是100年。

初聞此言，多數人都會感到不以為然，尤其是北京人。理由很簡單，故宮、天安門城樓，擺在那里多少年了，那是什么結構?磚石、木頭!如今投資幾十億的項目，又是鋼結構又是混凝土的，怎么才保證100年呢?

殊不知，按照建筑行業的理解，設計使用年限指的是建筑物保持結構、功能完好的時間，其間即便遭遇設計抗震烈度范圍內的地震、雷擊等自然災害，結構、功能依然不變。“鳥巢”和“水立方”的設計使用年限是100年，設計抗震烈度都達到了8級，如此穩固的建筑，在中國乃至整個亞洲都是絕無僅有的。

抗震技術從“硬”到“軟”

仔細觀察一下我國上世紀五十年代的蘇式建筑，不難發現，不少房子的墻壁、樓板都很厚，柱、粱等也比較粗大、墩實。這是因為1966年以前，我國建筑的結構形式主要是砌體、混凝土框架、木結構等，參照前蘇聯的經驗，采用的是傳統的抗震技術。傳統的抗震技術是“硬抗”，即通過加強結構、加大構件斷面、多配筋等途徑來提高抗震性能。核心理念就是把房子建得結實一些，以此來抵抗地震的沖擊力。這種設計，結構處于被動承受地震作用的地位，是一種消極的方法。

當然，隨著經濟和科技的發展，隨著新材料和新的建筑結構形式的出現，“硬抗”也不再是簡單的給建筑物“增肥”或“加粗”，更多的是在建筑結構的布置和結構選型、加強房屋的整體性和改善連接技術等方面下功夫。

在建筑布置方面，盡量選擇規則、均勻和對稱的形式。在房屋的整體性和構件連接方面，通常的措施有：在砌體里設置構造柱、圈梁等-在磚墻里增加拉接鋼筋；鋼結構里設置支撐、抗震墻等。在結構選型方面，低層或多層的建筑一般采用砌體或磚混結構，高層則多采用鋼筋混凝土結構、鋼結構或二者以不同方式結合的混合結構。我國高層建筑中常采用的結構體系在框架、框架一剪力墻、剪力墻和筒體等幾種體系，這也是其它國家高層建筑采用的主要體系。鋼結構同混凝土結構相比，具有優越的強度、韌性和延性，總體上看抗震性能要好得多。震害調查表明，鋼結構較少出現倒塌破壞情況。因此，“鳥巢”和“水立方”作為大跨度的建筑，都選用了鋼結構。一般10層以上選用鋼筋混凝土框架一剪力墻結構。超高層建筑會采用框架一核心筒結構，或筒中筒結構等。

隨著社會發展，對建筑物提出了比以往更為嚴格的抗震安全性和適用性要求，為此，各國地震工程學者不斷探索新的防震技術，發展了一種積極抗震方法，即“軟抗”，就是以結構隔震、減震、制震為特點的結構振動控制方法。

1881年，日本首先提出基礎隔震概念。1921年，東京帝國飯店首次采用隔震技術，把樁基落在地基上部的軟泥層上以形成房屋下部的柔軟隔震層。在1923年東京大地震中，東京帝國飯店免遭破壞，自此，隔震技術受到世人更廣泛的關注，20世紀70年代以來得到較快發展。我國目前有三百余幢房屋采用了隔震技術。

隔震技術是在建筑物底部與基礎之間設置一層具有足夠可靠性的“隔離層”，將地震動與結構隔開，減弱或改變地震動對結構的動力作用，使建筑物在地震作用下只產生很小的振動，這種振動不致造成結構或設施的破壞。這種方法徹底改變了傳統結構中“強化”結構的抗震方法，采用的是“軟化”結構的方法，效果明顯，安全可靠，適用于不同烈度和抗震要求的結構物和設備。

結構消能減震和阻尼減震體系是把結構的某些非承重構件設計成消能部件，或在結構物的某些部位(如節點和連接處)裝設阻尼器，發生地震時，阻尼器大量消耗輸入結構的地震能量，從而保護主體結構在強震中不發生破壞，不產生過大變形。傳統抗震則是把結構本身及主要承重件作為“消能”構件，一旦發生地震時，主體結構損壞非常大。而且，與傳統抗震相比，結構消能減震可將地震反應減小40％～60％。因此，結構消能減震技術是一種非常安全可靠的抗震技術。

“軟抗”是一種全新的抗震手段，它以柔克剛，通過“柔性消能”的途徑來減小結構地震反應，通過對結構施加控制裝置(系統)，由控制裝置與結構共同承受地震作用。這是積極主動的抗震對策，是抗震對策的重大突破和發展，也是未來抗震技術發展的重點所在。

三大標志建筑抗震全仗自身“硬”

“鳥巢”是目前世界上橫跨最長的體育場，“水立方”，長寬各177米，游泳館沒使用一根鋼索、混凝土圓柱或建筑橫粱。這樣大跨度的建筑物，抗震難度無疑非常大，采用傳統的鋼筋混凝土結構幾乎不可能。因此，“鳥巢”、“水立方”和五棵松體育館的設計者在結構選型上都選擇了鋼結構，因為鋼結構具有優越的強度，韌性和延性，抗震性能好。

雖然前面列舉了“軟抗”的諸多優點，但在這三大標志性奧運場館的建設中卻都沒有采用。原因是“軟抗”的一些條件無法滿足，比如，隔震設施每隔三五十年更換一次隔震墊，需要把建筑物整體或局部“抬起來”，而體育場館面積特大、重量超常，怎么抬起來換墊?

因此，三大場館在抗震方面都是采用了傳統的“硬抗”技術。

首先是加強建筑物自身的強度?！傍B巢”所用鋼材強度是普通鋼的兩倍，是由我國自主創新研發的特種鋼材，集剛強、柔韌于一體，從而保證了“鳥巢”在承受最大460兆帕的外力后，依然可以恢復到原有形狀，也就是說能抵抗當年唐山大地震那樣的地震波。托起“鳥巢”最關鍵的是“肩部”結構，這-部分所用的鋼材——“Q460”鋼板厚度達到110毫米，具有良好的抗震性，抗低溫性和可焊性等特點。為滿足抗震要求，鋼構件的節點部位還特別作了加厚處理，桿件的聯結方式一律為焊接，以增加結構整體的剛度和強度。

“鳥巢”凌空的屋頂氣勢不凡，支撐它的24根巨大鋼柱腳更是壯觀雄偉。為保證建造在8度抗震設防的高烈度地震區的“鳥巢”能站穩腳跟，科研設計人員克服“鳥巢”柱腳集合尺寸大且構造復雜、我國現行規范的計算假定與設計方法難以適用等情況，為這些鋼柱腳增加了底座和鉚釘，將柱腳牢牢鉚在了混凝土中。柱腳下的承臺厚度高達4～6米，24根巨大鋼柱分別與24個巨大的鋼筋混凝土墩子牢固地連在一起，共同擎起巨大的“鳥巢”。

與“高大健壯”的“鳥巢”相比，晶瑩剔透的“水立方”，看起來似乎有點柔弱，人們不禁會問，它結實嗎?能抵抗8級烈度地震嗎?

其實，“水立方”是典型的外柔內剛。外部只看到充氣薄膜，好像弱不禁風，而支撐這些薄膜的是堅實的鋼結構，里面觀眾看臺和室內建筑物為鋼筋混凝土結構。“水立方”的墻壁和天花板由1.2萬個承重節點連接起來的網狀鋼管組成，這些節點均勻地分擔著建筑物的重量，使其堅固得足以經受住北京最強的地震?！八⒎健钡牡叵虏糠质卿摻罨炷两Y構，在澆筑混凝土的時候，在每根鋼柱的位置都設置了預埋件(上部為鋼塊)，鋼結構的鋼柱與這些預埋件牢固的焊接在一起，就這樣，地上部分的鋼結構與地下部分的鋼筋混凝土結構形成一個牢固的整體。正是靠著優越的結構形式和良好的整體性，“水立方”才擁有了“過硬的身體”，達到了抗震8級烈度的標準。

五棵松體育館采用的也是傳統的“硬抗”技術。據北京市建筑設計研究院參與設計的工程師介紹，五棵松體育館首輪設計方案結構非常復雜，屬復雜超限高層建筑，抗震設計難度很大。后進行了較大的調整，主要是對場館進行了“瘦身”，調整后的結構體系與首輪初步設計相比，其復雜程度已大大降低，結構體系更趨合理，已不再屬于復雜超限高層建筑，防震也相對好做一些。

設計中按多遇地震、設防地震和罕遇地震三個水準分別進行了驗算，保證關鍵部位的構件(周邊20根鋼柱、看臺挑梁、側向鋼支撐和屋頂等)在設防地震作用下處于彈性狀態，罕遇地震作用下滿足變形要求的設防目標。對主要承重柱的配筋構造參照特一級的要求予以加強。

比賽館主體結構在二層以下采用現澆鋼筋混凝土框架一剪力墻結構，這種結構有利于增強結構的整體性和抗震性能。在二層以上至屋頂桁架的下弦這一高度范圍內沿建筑周邊布置柱間支撐(如圖所示)，通過支撐加強柱子之間的連接，形成現澆鋼筋混凝土框架——剪力墻——鋼支撐結構體系。

奧運場館改造剛柔兼濟

2008年奧運會北京32個比賽場館中，現有場館改擴建13個。此外，還要改造59個訓練場館，同時配套建設殘奧會專用設施。北京被歷代帝王視為風水宅地，實際上這塊土地處于8度抗震設防的高烈度地震區。但由于歷史原因，現有場館大多數無抗震設防，防火標準很低。為了確保這些場館正常使用和抗震、防火安全，在對場館進行改造以滿足奧運會功能要求的同時，還需要對結構進行抗震加固和防火改造。

中國建筑科學研究院工程抗震研究所王亞勇教授介紹說，奧運場館除了奧運比賽的功能要求外，平時還用于民眾的體育健身活動場地，在發生地震災害時，還可作為民眾的避難場所。因此，新奧運場館的抗震設防要求應高于一般的民用建筑，對現有場館進行改造，同樣應滿足這一要求。對于規模較大的，或具備緊急救援功能的奧運場館，要求在遭遇高于設防烈度的地震時，也應能夠滿足正常的使用要求。

在現有體育場館加固改造中，“強化”與“軟化”相結合。一方面“強化”結構，采用粘鋼、碳纖維片和擴大截面法，對鋼筋混凝土構件進行加固，采用粘鋼板和角鋼對梁、柱節點加固，對工人體育館三層看臺斜梁采用高強鋼絞線聚合物砂漿面層加固。另一方面“軟化”結構，大量采用消能減震技術。由于使用需要，工人體育館屋面要增加20噸懸吊荷載，在原有輪輻式懸索屋面結構與新增懸吊承載體系之間設置粘滯阻尼器，在首都體育館和奧體中心主體育場看臺部分設置軟鋼阻尼器，達到大震下抗倒塌要求。

總體而言，奧運三大標志性建筑基本上都是采用了傳統的抗震技術，在結構選型、材料應用等方面有一些創新，尤其是“鳥巢”所使用的特種鋼材和“水立方”的空間結構形式，將對未來大型場館建設起到很大的示范作用。相比之下，奧運場館改造過程中采用的抗震加固技術，由于其實用性和可操作性極強，會對民用建筑抗震安全起到立竿見影的促進作用。

(本文由北京市科學技術研究院北京科學學研究中心提供)