日本建筑何以抗震

姚虎

摘要：日本國(guó)土狹長(zhǎng)，地處亞歐與太平洋兩大板塊交界處，是地震的高發(fā)地帶。事實(shí)也正是如此，日本每年有感的地震達(dá)到1000多次，但其因地震造成的傷亡卻極小，除了國(guó)土狹長(zhǎng)及震源大多在海中等客觀因素外，抗震法律的保障及抗震技術(shù)的實(shí)施是保證住宅建筑損失較小的主要因素。其中抗震技術(shù)分為耐震、制震、免震三類(lèi)，對(duì)于不同建筑形態(tài)，具體做法不盡相同。除此之外，日本民眾的防范意識(shí)也較強(qiáng)，這一點(diǎn)也從側(cè)面起到了對(duì)住宅開(kāi)發(fā)商的監(jiān)督和促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：建筑基準(zhǔn)法、免震、隔離層、油壓器、抗震評(píng)估

日本地理概況

日本位于亞歐大陸東端，陸地面積377880平方公里，地處亞歐板塊與太平洋板塊交界處。在地質(zhì)板塊學(xué)說(shuō)中，太平洋板塊比較薄，密度較大，而位置相對(duì)低一些。當(dāng)太平洋板塊向西呈水平移動(dòng)時(shí)，它就會(huì)俯沖到相鄰的亞歐板塊之下，于是，當(dāng)亞歐板塊與太平洋板塊發(fā)生碰撞、擠壓時(shí)，兩大板塊交界處的巖層便出現(xiàn)變形、斷裂等運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生火山爆發(fā)、地震等。日本因此也成為了世界上地震頻發(fā)的少數(shù)國(guó)家之一。

視界地震火山分布地球板塊劃分

為了適應(yīng)這樣的特殊自然環(huán)境，日本民眾非常重視房屋的抗震性能，其建筑在防震、減震等方面幾乎可以說(shuō)是達(dá)到了世界的領(lǐng)先水平。在經(jīng)歷了9.0級(jí)關(guān)東日本大地震后，人們驚奇地發(fā)現(xiàn)，很多高層建筑依然保持完整，甚至連大的裂縫都沒(méi)有，而大多數(shù)被毀壞的房屋并非被震垮，而是被海嘯吞沒(méi)。那么究竟是什么，使得日本建筑如此“堅(jiān)強(qiáng)”呢？

立法及理論是建筑防震保證的基礎(chǔ)

由于日本地震多發(fā)，在很早以前日本就對(duì)建筑的抗震性能進(jìn)行過(guò)研究。1891年濃尾大地震造成磚結(jié)構(gòu)建筑被毀嚴(yán)重時(shí)，相關(guān)學(xué)者就開(kāi)始探討應(yīng)采取什么措施，來(lái)抵御地震的破壞。

20世紀(jì)初，日本學(xué)者大森房吉提出了近似分析地震動(dòng)影響的靜力計(jì)算法。日本從美國(guó)引進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)后不久，日本的鋼結(jié)構(gòu)建筑創(chuàng)始人、東京大學(xué)教授佐野利器于1914年發(fā)表了《家屋抗震結(jié)構(gòu)論》。首次提出了“抗震結(jié)構(gòu)”的概念，并創(chuàng)造性的提出了用“靜態(tài)”的水平力，代替“動(dòng)態(tài)”的地震力的“度震法”，來(lái)進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算，為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)抗震的計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

1922年，佐野利器的學(xué)生內(nèi)藤多仲，發(fā)表的《框架建筑抗震結(jié)構(gòu)論》中，提出用剪力墻加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震性能的理論，從而確立了“剛性抗震”理論在日本的主導(dǎo)地位。關(guān)東大地震后，1924年，日本首次在世界上規(guī)定了建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，必須要考慮“水平設(shè)計(jì)震度”。1951年河角廣博士發(fā)表《我國(guó)地震烈度的分布》，提出按照“地域”與“基礎(chǔ)地質(zhì)構(gòu)造類(lèi)別”來(lái)規(guī)定設(shè)計(jì)震度。1953年日本在全國(guó)設(shè)立SMAC型強(qiáng)震計(jì)觀測(cè)記錄地震，同年發(fā)表“頻譜解析法”，借助地震記錄進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)研究，將日本抗震理論提升了一大步。

20世紀(jì)60年代，東京大學(xué)教授、結(jié)構(gòu)抗震專(zhuān)家武藤清利用計(jì)算機(jī)分析地震觀測(cè)數(shù)據(jù)，提出了利用建筑結(jié)構(gòu)的柔韌性吸收地震力、以“振動(dòng)論”為依據(jù)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，即所謂的“柔性抗震結(jié)構(gòu)”理論，并以此理論為基礎(chǔ)成功設(shè)計(jì)了日本第一座超高層建筑“霞關(guān)大樓”。

1981年新的“抗震設(shè)計(jì)法”實(shí)施，其特點(diǎn)是規(guī)定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅要考慮建筑沿高度分布的“水平剪力系數(shù)”和建筑物的“振動(dòng)周期”，而且還要同時(shí)考慮多發(fā)性中小地震（地表加速度8-100gal）發(fā)生時(shí)的允許應(yīng)力與大地震（地表加速度300-400gal）發(fā)生時(shí)的結(jié)構(gòu)安全性。他徹底改變了過(guò)去利用靜止的水平力代替地震力的做法，引進(jìn)了動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì)理念，要求建筑物在復(fù)雜的振動(dòng)情況下仍然要確保安全。

1998年《建筑基準(zhǔn)法》對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，從原來(lái)的“型式規(guī)定型”調(diào)整為“性能設(shè)計(jì)型”。立法的同時(shí)，日本對(duì)防震設(shè)計(jì)相關(guān)的違法行為處罰力度也很大。2006年底，一名叫姐齒秀次的建筑設(shè)計(jì)師因編造了幾十棟公寓樓的抗震數(shù)據(jù)而被捕。此事曝光后，政府緊急開(kāi)展的建筑抗震性復(fù)查，導(dǎo)致連續(xù)幾個(gè)月都沒(méi)有新建筑獲準(zhǔn)開(kāi)工。對(duì)于那些偽造了地震數(shù)據(jù)的“豆腐渣”工程，政府也下令要求地方政府重建或修復(fù)。如此嚴(yán)厲的懲處足以震懾業(yè)界。

三類(lèi)核心技術(shù)在日本的建筑防震中起到關(guān)鍵作用

在日本的建筑施工中，對(duì)于抗震有三種構(gòu)造概念：耐震、制震和免震。

耐震為最普通級(jí)別，主要用在低層建筑中。

制震則是讓建筑物在地震晃動(dòng)中，集中在一個(gè)地方造成損害，但其他地方不會(huì)發(fā)生損毀。其中一種做法是在建筑物中放置各種球體，讓這個(gè)部分吸收地震能量，等地震過(guò)后，只需把這部分換掉就行，建筑其他地方不會(huì)發(fā)生問(wèn)題。還有比較普遍的做法則是放置油壓器裝置，作用相當(dāng)于保險(xiǎn)絲，基本上在高層建筑中，每層都會(huì)放置一個(gè)油壓器裝置。

免震的另一個(gè)名稱(chēng)叫做隔震。結(jié)構(gòu)免震是通過(guò)某種裝置，將地震動(dòng)與結(jié)構(gòu)隔開(kāi)，該裝置既能支撐建筑物本體重量，又具有在水平方向自由變形能力，吸收和消耗地震輸入能量，以達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的，免受地震破壞。

將建筑物與基礎(chǔ)隔離開(kāi)來(lái)以減少地震災(zāi)害的方法在日本可以追溯到1920年山下興家提案的結(jié)構(gòu)形式。1924年鬼頭健三郎做過(guò)在柱斷處設(shè)置吸收地震力球形裝置的試驗(yàn)。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，時(shí)程分析法的應(yīng)用使得隔震設(shè)計(jì)成為可能，到了1996年日本采用隔震設(shè)計(jì)的建筑數(shù)量達(dá)到了230棟，2004年隔震結(jié)構(gòu)的數(shù)量達(dá)到了1000棟以上。

三種抗震構(gòu)造的概念各有優(yōu)勢(shì)，其適用范圍也各有不同。為了將各類(lèi)抗震技術(shù)的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到極致，日本住宅建筑的抗震構(gòu)造在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，則是根據(jù)不同的物業(yè)形態(tài)進(jìn)行選擇，建筑類(lèi)型與抗震構(gòu)造的最佳匹配，使得技術(shù)對(duì)住宅的保護(hù)作用最大化。

日本的民居大多是柔性的木結(jié)構(gòu)。木結(jié)構(gòu)房屋在承受地震作用引起的晃動(dòng)時(shí)，可以很好地釋放力量，不容易散開(kāi)和松動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，日本民宅均采用箱體設(shè)計(jì)，地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)房屋可以整體翻滾而不損毀。20世紀(jì)80年代后，日本的民居主要應(yīng)用了研發(fā)的“免震建筑技術(shù)”，在建筑物和地基之間設(shè)置用柔和的材料制成的免震層。發(fā)生地震時(shí)，能夠保住建筑物完好無(wú)損，也可以避免由震動(dòng)引起屋內(nèi)家具傾倒造成家具損壞和人員傷亡，從而在很大程度上減少因人們的恐懼心理加劇次生災(zāi)難。這種房屋成本低，技術(shù)可靠。據(jù)說(shuō)建一所免震的個(gè)人住宅，只需投入一輛普通汽車(chē)的費(fèi)用。此外，在專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員對(duì)民房進(jìn)行抗震加固的基礎(chǔ)上，政府也給予居民適當(dāng)?shù)难a(bǔ)貼鼓勵(lì)私人進(jìn)行抗震加固。

日本高層建筑中多采用抗震性能最好且輔以輕型墻面材料的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并且普遍應(yīng)用“地基地震隔絕”技術(shù)，即在建筑物底部安裝橡膠彈性墊或摩擦滑動(dòng)承重座等抗震緩沖裝置。比如，三井不動(dòng)產(chǎn)公司一座公寓外圍使用了高強(qiáng)度16積層橡膠，建筑物中央部分也使用了天然橡膠系統(tǒng)的積層橡膠。在6級(jí)以上的地震發(fā)生時(shí)，這種保護(hù)裝置能使建筑物的受力減少一半。除此之外，還有兩種較為普遍的做法，則是應(yīng)用了制震技術(shù)，在樓層中放置球體以吸收地震過(guò)程中的破壞能量，或者放置油壓器裝置，以達(dá)到樓層“保險(xiǎn)絲”的作用。

而古舊建筑、獨(dú)戶(hù)建筑與高層樓房相比，則顯得整體重量輕，積層橡膠不起作用。有效的抗震方法是在建筑物與基礎(chǔ)之間加上球型軸承或是滑動(dòng)體，形成一個(gè)滾動(dòng)式支撐結(jié)構(gòu)，這樣可減輕地震造成的搖動(dòng)。

還有一種有意思的彈性建筑物。這種建筑物不直接接觸地面，而是建在隔離體上，隔離體由分層鋼板組和阻尼器組成，阻尼器由螺旋鋼板組成，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，螺旋鋼板會(huì)通過(guò)自身彈性來(lái)吸收并分散地震的能量，起到減緩上下的顛簸的作用。

民眾的防范意識(shí)在另一方面促進(jìn)了建筑防震的加強(qiáng)

此外，日本民眾防震意識(shí)非常強(qiáng)，日本所有的建筑物都要定期接受抗震評(píng)估，檢查其房頂和地基是否能承受強(qiáng)烈晃動(dòng)。如果不能通過(guò)評(píng)估，建筑物就必須進(jìn)行改造，甚至推倒重建。日本人在買(mǎi)房子或租房子時(shí)非常注意房屋的年限，在購(gòu)買(mǎi)房屋前，買(mǎi)主往往會(huì)主動(dòng)要求開(kāi)發(fā)商出示建筑抗震評(píng)估表。這樣的防震意識(shí)反過(guò)來(lái)又促使開(kāi)發(fā)商們?yōu)槭狗课蓓樌u(mài)出而不得不對(duì)建筑的抗震更加重視。

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