圓柱殼體建筑單元及其構成的低成本模塊式抗震建筑

宋子雄

摘 要：在國際抗震建筑物工程設計領域，從較低矮堅固結構，到細高彈性結構，再到減震基礎等設計思想，以及新型建材的開發應用，取得了很大進步。本文重點提出一種新的抗震理念——“主動破壞式減震法”，由圓柱殼體單元與中心長方體樓房組合的低成本模塊式抗震建筑物，包括：基礎之上設有砂礫摩擦阻尼層，再其上布置有中心長方體樓房，且兩側堆有多個圓柱殼體單元，它們均由多根多種彈性拉筋相連（包括A拉筋、B拉筋、C拉筋、D、E等N拉筋）；建筑物外側設有外形限制框架。在火災、水災、和日常隔音、節能、環保等方面都采用了一些特殊結構和成果，為人們提供一種低成本、安全、舒適的工作、生活建筑。

關鍵詞：抗震 低成本建筑物 模塊式建筑物

中圖分類號：TU35 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（c）-0160-02

地震是地球上的一種自然現象，全世界每年發生約100萬次地震，對人類造成嚴重地震災害的平均每年達到10次以上。其中構造地震占發生地震的90%以上，是造成地震災害的主要地震，也是房屋建筑及其他工程抗震設計需要重點考慮的地震。設計建造抗震能力更高、成本更低、節能、環保、美觀、舒適的建筑物，一直是人們的追求。

1 研究與驗證

1.1 管子（堆）的特性

眾所周知，管狀物體的圓周方向各向同性、整體性好、受力和傳力的面積大而均勻（破壞沖擊力可以被分散）、結構強度高，彈性強、不宜發生嚴重的破壞、單位容積的殼體材料較為節省（僅大于球形），且易于制造，成本低。

1.2 車輪

管狀物體應用最成功的范例當屬車輪，除了橡膠輪胎的彈性和吊掛系統的減震作用外，其圓形外形對減震（減少沖擊力）起到了關鍵的作用。這證明只要滾動速度不太大，圓形物體具有很高的化解沖擊力的作用。

1.3 圓筒混料機

圓筒混料機是工業上常用的設備，其內的物料只發生滾動和滑動，而沒有巨大的沖擊力。

1.4 管堆滾落試驗

試驗目的：了解管子堆的塌落特點和過程，從中發現有價值的結果和問題，并探索解決方法。

試驗用品：香煙若干支，香煙盒兩個。

試驗方法和過程：反復將香煙若干支堆成房脊形，自動或在外力的作用下，使其塌落。

試驗結論與分析：

（1）香煙的長徑比為10∶1，在堆高小于0.6倍管子長度時，就不易出現沿管子軸線方向的傾翻（這種傾翻的破壞力很大，是必須徹底防止的），而很容易發生圓周方向的滾動（這種滾動的破壞力很小，是有利于保護內部物體的），這種現象符合力矩力臂的原理。單根管子的重心在管子正中間，管子堆的宏觀重心也在堆中間，因此在可預計發生的最大軸線方向位移后（唐山大地震持續時間23s），也不易出現上面的管子的重心移到堆外的情況。因此管子的長徑比應足夠大，是設計的重要原則。

（2）上部的管子如果沿管子堆外面直接滾落，破壞力也會很大，也必須徹底防止發生這種運動狀態。通過靜態力學分析：只要附加較小的水平力就可以防止這種運動，可以通過設計低造價的外形限制框架和拉筋來達到要求。

（3）在相鄰兩根管子的純間距接近管子直徑時，其上的管子的滑落才開始加速，此時的下落高度也小于管子半徑，只要有不同種類的多根拉筋，接力控制和減緩這種運動速度，也可以達到減小破壞力的效果。

（4）在光滑剛性平面上，管子堆比較容易滾落，而其上有小量散落的煙絲時，就比較容易堆好，由此啟發研究人員又墊了一層毛巾，情況更好了。這說明不大的摩擦阻力或水平外力就可以控制和減慢這種運動速度。結合前人所用的建筑隔震層，想到了砂礫層的摩擦、阻尼、緩沖作用。

（5）堆砌過程中發現，只要有部分相鄰管子之間存在很小的縫隙，則管子堆就很容易自動滾落，通過受力分析發現，最外面的管子比較容易出現向外的過剩水平分力，但不會很大。

（6）管子堆雖然很容易發生滾落運動，卻比較容易控制和減慢這種運動的速度，如果用這種運動來減緩和消耗超級地震的破壞力，比較容易達到目的，造價也會較低。管子堆其他方向（破壞力較大）的運動也比較容易防止。這比人們印象中堅固的矩形框架樓具有更多的優點。看似松散的管子堆，再散一下也不會出大問題了，看似堅固的矩形框架樓，一旦破壞了就是巨大的災難。

1.5 小模型試驗、局部放大模型試驗

通過小模型試驗，進一步驗證了上述結論，完善了整體建筑物外形的優化，形成了一種低成本模塊式抗震建筑物的設計理念。通過局部放大模型試驗，進一步完善了各種拉筋和圓柱殼體單元滾輪的設計思想。

2 圓柱殼體單元

具體情況見圖1。

3 新思維連接——低成本拉筋思想：

（1）A拉筋的設計思想是，在地震烈度9度以下時，只保持彈性變形和受力，并與多層材料的摩擦阻尼和緩沖作用一起，可大幅度耗損地震能量，從而保證整體建筑在設計允許的彈性范圍內運動，而不明顯破壞，災后不需維修或維修費用極低；在地震烈度9度以上時，發生塑性變形，進而斷裂，為圓柱殼體單元發生滾動塌落提供空間。

（2）B拉筋的設計思想是，在地震烈度9度以下時，不受力；在地震烈度9度以上或強力爆炸時、A拉筋斷裂后，B拉筋在較大的摩擦阻力下開始逐步被拉伸，并較慢地增加拉力，此拉力兜住和限制了上層的圓柱殼體單元，防止其發生劇烈沖擊或快速的塌落，當上層的圓柱殼體單元塌落0.2～0.3直徑高度時（此范圍可調），B拉筋開始發生塑性變形，進而斷裂。

（3）C、D、E、n-1、N-1拉筋的設計思想同上。為節省篇幅，按上述設計思想，可設計更多種拉筋，即各種拉筋接力交替，使圓柱殼體單元的緩慢滾動塌落過程持續得到控制。

4 結語

按本文設計建造的圓柱殼體建筑單元及其構成的低成本模塊式抗震建筑物（見圖2），具有超強的抗震（強力爆破）能力，也具有很強的消防、節能、環保、應對水災等功能，且降低了建造成本，可為普通民眾提供一個新穎安全舒適的生活工作環境，因其獨特的外形結構，還有望成為城市的地標性建筑物，能夠為目前低迷的房地產行業注入一股新鮮空氣。

參考文獻

[1] GB5 0011-2010，建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2] GB5 0009-2012，建筑結構荷載規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[3] GB5 0223-2008，建筑工程抗震設防分類標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2008.