自然災害機器助力人類應對大災難

邢鴻飛/編譯

自然災害機器助力人類應對大災難

邢鴻飛/編譯

邁阿密佛羅里達國際大學的颶風仿真機“風墻”，可以模擬5級颶風

過去一年，塔拉·哈欽森（Tara Hutchinson）一直在琢磨：“大地震”來襲時，用薄板鋼梁造的高樓會怎么樣？

為此，她建造了一座六層的塔樓，好比一根石灰綠色的手指矗立在加利福尼亞州圣迭戈郊區灌木叢生的山上。塔樓內有數百個應變儀和加速器，這些機器很靈敏，能夠監測吹向墻面的風力級別。如今，哈欽森所需要的，僅僅是一場地震。

在世界的大多數地方，這都是難題。即使在這里，一條大的地質斷層直接穿過市中心。最近一次有記載的地震是在六年前，震中位于墨西哥附近。然而加州大學圣迭戈分校的結構工程學教授哈欽森并不需要板塊構造。今年夏天，她與世界上最大的地震機器有一個約定。

該設備是過去15年所建造的遍布全美的研究網絡的一部分，該網絡是為了用更真實和復雜的測試促進自然災害科學研究。在這個美國國家科學基金會（NSF）耗資超過2.8億美元的項目中，科學家可以更好地模擬地球上最具破壞力的一些自然災害，比如地震、海嘯和山體滑坡。

此項工作導致了新的建筑標準，導致了從碼頭到舊式混凝土建筑等建筑的更優化的建造或改造方法。科學家已經認識到：地震如何損壞墻內和天花板的管道，如何改善高速公路匝道、鋼制高樓、停車場、木屋和磚墻等方面的抗震。

如今工作范圍還在不斷擴大。在另一個耗資6 200萬美元、歷時五年的研究項目中，世界末日機器的研究范圍擴大到模擬颶風和龍卷風，用計算機模型研究難以進行物理測試的大事件，如核反應堆事故或者整個城市的大自然災難。

按比例縮小災難實驗

這些自然災害實驗室的描述往往極度夸張，人們常用的詞是：最大、最長、最具影響力。除了圣迭戈的研究設備，早期計劃和后來的“自然災害工程研究基礎設施”（NHERI）計劃所資助的項目包括：在俄勒岡州立大學科瓦里斯分校的波浪水槽，用于研究海嘯，是北美最大的；邁阿密佛羅里達國際大學擁有的颶風仿真機，是世界上大學中規模最大的；以及加州大學戴維斯分校的世界上最大的離心機，用于制作模擬建筑物、巖石和塵土上的壓力的模型，這些數據對于評估建筑物經受地震和山體滑坡的抗力至關重要。

在已有的成果上炫耀不是件好事。關于了解建筑物如何應對自然災難造成的強大外力這個話題，建筑物的大小往往非常關鍵。比如，土壤顆粒粘合的方式（是山體滑坡風險中一個重要因素）取決于顆粒承受多大的重量。同理，幾乎無法建造精確的縮小版鋼筋：嵌入混凝土結構中的鋼柱對建筑的性能至關重要。在測量作用于建筑物的颶風風力時也出現類似的困難。

俄勒岡州立大學科瓦里斯分校的研究人員在人造波水池中進行海嘯實驗

佛羅里達大學風能工程師福瑞斯特·馬斯特斯（Forrest Masters）負責學校在NHERI項目中的工作。福瑞斯特·馬斯特斯表示：“你無法用一棟真實的建筑，縮小規模到實體的十分之一，然后把它放入風洞進行研究。”NHERI的工作包括：一臺機器，能夠使五米高墻經受每小時320公里的颶風帶來的氣壓；一個風洞，它的地面可以調整，以便研究不同的地形如何影響風與結構相互作用的方式。

計算機模型也會在精確復制所有作用力方面存在缺陷，比如橋在地震中扭曲和搖擺產生的作用力。一座橋的不同部位瞬間在不同的方向受到外力作用，它的坍塌方式無法預料，因此計算機模型也難以模擬。2010年，加州大學圣迭戈分校振動臺請來41組專家對他們的模型進行仿真實驗競賽，在七米高的橋墩上放置236噸的混凝土磚塊。加州大學伯克利分校建筑工程師斯蒂芬·馬欣（Stephen Mahin）參與協調此項賽事，他介紹，計算機的結果五花八門。平均起來，他們低估了橋墩搖擺的幅度為25%。馬欣說：“你不能太相信計算機的結果。”

五月中旬的一天早上，哈欽森在實驗準備的最后階段檢查她的建筑物。她發現一樓房間的墻與金屬屋頂龍骨中間裂開的一些小縫隙。這是一天前她的團隊成員對建筑物進行了輕微搖晃造成的。這種情況在建筑物各部分之間如何承載壓力，以及建筑物會在接下來的地震中遭受什么樣的損壞會有所不同。這些在計算機模型中無法顯示。

她說：“你不會考慮每一個螺絲釘，看看這些不被人注意的損壞。”

搖晃、撞擊、滾動

設計能模擬八級地震或五級颶風沖擊力的機器并非易事，也價格不菲。看看圣迭戈的振動臺就知道需要多少的機械能。工程學教授喬爾·康特（Joel Conte）負責監控振動臺的運行，他走進一個裝滿了機器的洞穴狀地下室。一個兩萬升的金屬箱裝著驅動整個系統的液壓機液體。兩臺泵在3.4萬千帕的壓力下將那里的液體抽送到50個像街燈電線桿一樣細長的黑色圓筒中。這樣高的壓力非常關鍵，它能夠形成足夠的力量瞬間夷平整座大樓。

康特轉入一個通道，沿著直徑30厘米的鋼管中液體流動的路線，進入了一個由鋼構成的像平底船的船體形狀的房間，這里就是震中。頭頂上有一塊5厘米厚、12米長、約8米寬的金屬板，被固定在鋼板下。一端的傳動裝置延伸到混凝土墻，傳動裝置看起來像汽車的減震器，其厚度像一個人的軀干。當計算機在附近的建筑物中發出指令，傳動裝置會猛拉，液壓機液體驅動傳動裝置來回擺動，夾在中間的金屬板以每秒1.8米的速度在金屬薄片（金屬薄片像鏡子一樣光滑）中滑動。瞧！瞬間地震發生了。

康特說：“在真實世界里，你沒法指望它。你不能說，‘哦，我要坐下來，在這棟大樓前等待下一次地震，我要在傳感器方面加大投入。’你可能得為此等30年、40年，甚至50年。所以，你要制造一次地震。”

此項結構耗費1 000萬美元，振動臺已經測試了一個四層的混凝土停車場、一個風力渦輪機和一棟帶有電梯和樓梯的五層混凝土建筑等。這些實驗表明：特殊的管芯可以增加彈性，建筑物能夠在原來的地基上移動，如果沒有另外的鋼筋加固，組裝式的混凝土地面表現不穩定。實驗也揭示了木制結構的高層建筑如何坍塌，鋼筋加固如何令老式的磚式建筑更牢固。

康特回到辦公室，開心地點擊那些視頻的“精華之作”。一棟四層高的木制建筑扭曲，然后轟然倒地。一個停車場就像一把搖椅一樣前后搖晃。分區屏幕顯示兩個相似的房間里放滿了醫院的病床和醫療設備。一個房間是墊式地基建筑，這種地基可以吸收地震帶來的震動；另一個房間則不是。隨著視頻的放映，普通房間的病床在地震來臨瞬間突然前后傾斜然后翻轉倒塌。而另一個房間里的病床則幾乎沒有移動。

在目前的測試中，哈欽森希望看到一棟六層樓高、使用輕鋼結構建造的大樓在地震中和地震后的反應。她認為情況可能尚好，一部分原因是因為同樣高度下，輕鋼結構比混凝土輕，在地震中產生的破壞力更小。如今，建筑業規范允許這類的結構建筑高度不超過20米。然而投入實驗中的最高建筑也只有兩層。

這一結構是模仿公寓式建筑，用于多級式耐力測試。哈欽森和她的同事們首先需要監測幾次模擬地震，包括北嶺和2010年智利8.8級的地震。接著他們會在樓房的部分區域點火，看看樓房對地震災害引發火災的承受能力。之后，他們將模擬余震再次搖晃大樓，搖晃力度加大到大樓最終坍塌。

研究結果不僅僅是出于學術興趣。實驗的贊助者包括：鋼建筑部件的制造商、保險業、以及州政府。薩克拉門托加利福尼亞地震安全委員會是為決策者出謀劃策的政府機構。委員會執行主席理查德·麥卡錫（Richard McCarthy）表示：“這并不是全方位實驗。”該研究又追加了10萬美金，期待研究的深入有可能改變建筑規范，要求將來的建筑中使用這些材料。

康特目前正在游說州政府官員增加1 400萬美元，讓機器能夠進行更真實的實驗。到目前為止，該機器只能夠一前一后兩個方向移動。新的硬件可以增加機器的上下、左右及對角線移動，這樣就能做到全方位移動，達到日本三木市全球最大的振動臺的水準。

下一個目標：混合模擬

科學家試圖將物理實驗與計算機模型相結合。賓夕法尼亞州伯利恒市利哈伊大學土木工程師詹姆斯·瑞克爾斯（James Ricles）介紹說，最終的“混合式”模擬可以測試大型結構，這些結構以往因為體積過大而無法使用測試設備。他的實驗室屬于美國國家科學基金會的相關網絡，用計算機模型測試某個結構中容易理解的部分，計算機模型無法處理的其它部分則采用物理測試。在以百萬秒為單位測量的反饋回路中，物理實驗中的傳感器向計算機模型傳送數據，計算機模型處理數據并向進行物理實驗的機器發出新的信號，告訴它們如何產生接下來的移動。

瑞科爾斯的實驗室模擬地震中高速公路的表現，既用物理實驗監測混凝土柱，又測試計算機的虛擬橋面模型。他最近采用了同樣的方法來測試某種建筑設計，讓鋼結構建筑在地震中前后晃動而不是彎曲倒塌。實驗室里有一棟四層的建筑，其它的實驗部分都在計算機的微處理器中完成。

在加州大學圣迭戈分校進行混合實驗的工程學教授吉爾伯托·莫斯克達（Gilberto Mosqueda）認為，此項工作吸引人的地方就是研究災難造成的破壞。“你建造這些模型，然后震動它們直到最終搗毀它們。”然而實驗帶來的海量數據也為更先進的數值模型打開了通道，有一天數值模型可以承擔末日機器的一些工作。

美國國家科學基金會早期的項目側重點在大型的測試平臺，NHERI的項目把更多的基金投入在虛擬實驗中。德克薩斯州立大學贏得1 370萬美金用于建造數據儲存和軟件平臺，來存儲多年實地測試的數據。將來，工程師還能夠在數據儲存庫中獲取信息，完善計算機模型的精確度。美國國家科學基金會很快將簽署1 100萬美金的獎項，用于計算機建模和模擬中心的投入。

美國國家科學基金會在弗吉尼亞阿林頓項目的主管、結構學工程師喬伊·波斯克（Joy Pauschke）說：“我們是否能夠做到：可以為任何事物建模并對此充滿信心嗎？這是一條漫長的路。幸運的是，當我們在測試并改善模型時，我們開始有更好的能力利用計算機建模。”

在2010年的競賽中暴露了建模缺點的伯克利的馬欣，現在也看好計算機建模。他預測，隨著人們在機器學習和云計算方面的進步，計算機建模不僅能夠模擬單純的建筑物，將來還會擴大到整個社區。“虛擬災難”會讓研究人員和政府官員了解大地震、風暴等造成的區域性影響，從而決定如何將損失減小到最低限度。

馬欣說：“我相信，20年后，已經可以用非常復雜的方式為整個城市建模。目前的分析有助于減輕未來自然災害的損失，對此我們頗有信心。”

加州大學圣迭戈分校，振動臺上一棟建筑在等待接受實驗

［資料來源：Science］［責任編輯：岳 峰］