出品：科普中國

作者：石霧遙（生物學博士）

監(jiān)制：中國科普博覽

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在自然界的力量面前，人類總是顯得非常渺小。地震，作為地球上最常見的自然災害之一，其破壞力常常令人觸目驚心。傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)往往難以承受大地震的沖擊，導致頻繁倒塌、嚴重損毀，并造成大量人員傷亡。這些悲劇不斷地提醒我們，提高建筑物的抗震性能刻不容緩。接下來，讓我們一同揭開新型抗震建筑的神秘面紗！

地震后的廢墟

圖片來源：veer圖庫

蜥蜴啟發(fā)的新型建筑系統(tǒng)設計

2024年5月15日，我國科學家在《自然》雜志上發(fā)表了一項關于受蜥蜴啟發(fā)的建筑系統(tǒng)的文章，這種建筑的問世有望規(guī)避地震等外界撞擊可能導致的建筑坍塌風險，為我們的生命安全筑起一道堅實的防線！

研究成果發(fā)表于《自然》雜志

圖片來源：參考文獻1

在地震發(fā)生時，地震波會產(chǎn)生周期性振動。這些地震波與建筑物的固有振動頻率相接近時，就會引發(fā)共振現(xiàn)象，導致建筑物產(chǎn)生更大的振動幅度，加劇建筑物的損壞程度。在建筑物設計中，一個常見的挑戰(zhàn)是如何在建筑發(fā)生初始損壞時，防止損害進一步擴散到整個結(jié)構(gòu)，從而避免引發(fā)災難性的全面坍塌。因此，在建筑物設計中，關鍵問題是在建筑物受到外部沖擊時，如何像蜥蜴一樣迅速做出反應，防止損壞進一步擴散，并避免更大的破壞。

蜥蜴尾部的軟骨組織中有許多預定的斷裂點，當蜥蜴感到危險時，它們會收縮尾部肌肉，使尾巴迅速折斷在這些預定點上。在尾巴折斷后，蜥蜴的身體會分泌出一種黏液來掩蓋斷裂處，以防止感染和減少失血。這種黏液還能夠迷惑捕食者，讓蜥蜴有更多的機會逃脫。受到這種行為的啟發(fā)，科學家將提出了“倒塌隔離”概念，并將其應用于新型建筑系統(tǒng)的設計中。

蜥蜴斷尾

圖片來源：veer圖庫

“倒塌隔離”概念的應用

為了防止地震或外界撞擊等情況下，建筑物中損壞部分進一步擴散，科學家們應用“倒塌隔離”概念，通過控制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效層級，以隔離由初始大失效引發(fā)的崩塌。

科學家在建筑物的關鍵部位設置了特定的斷裂點結(jié)構(gòu)。當建筑物受到損壞時，這些部位會按照預定的方式斷裂，確保特定元素在最關鍵的組件失效之前先行失效。這樣一來，整個建筑會被隔離成不同的單元，從而增強其抗損性。同時，新型建筑系統(tǒng)的不同單元之間具有足夠的連通性，可以彼此重新分配荷載，進一步隔離崩塌傳播。

基于層級結(jié)構(gòu)的倒塌隔離設計（a、基于分層優(yōu)化的梁柱連接；b、基于層級結(jié)構(gòu)的建筑部分倒塌隔離模擬；c、常規(guī)建筑倒塌場景模擬）

（圖片來源：參考文獻1）

現(xiàn)場測試與結(jié)果驗證

為驗證這種“層級式倒塌隔離”設計在實際地震發(fā)生中的抗倒塌效果，研究者用混凝土建造了一個長15米、寬12米的雙層建筑，與現(xiàn)行的樓房標準層高類似，雙側(cè)建筑的每層高2.6米。研究者進行了雙重測試，首先驗證了建筑物在受到小范圍沖擊后連鎖結(jié)構(gòu)防止崩塌的能力，接著驗證了建筑物的崩塌隔離效果。

在第一輪測試中，研究者去掉了建筑轉(zhuǎn)角的兩根柱子中的一根，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，建筑物未出現(xiàn)大面積的崩塌，仍能提供傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)支撐。在第二輪測試中，研究者采用了更極端的初始破壞，他們?nèi)サ袅宿D(zhuǎn)角剩下的那根柱子。結(jié)果顯示，基于“層級式倒塌隔離”設計概念制造的建筑成功避免了整個結(jié)構(gòu)的坍塌，只有沿著加載路徑的部分建筑發(fā)生了崩塌。這證明了此種建筑設計可以將崩塌限制在限定區(qū)域內(nèi)。

建筑設計和測試（a、在不同測試階段拆除的全尺寸預制混凝土和柱結(jié)構(gòu)；b、施工過程中的一層連接；c、施工中預制梁放置后的二層連接；d、在第一階段測試中用于準靜態(tài)去除的兩柱裝置；e、角柱拆除采用的三鉸機制）

（圖片來源：參考文獻1）

結(jié)語

隨著科技的飛速發(fā)展，新型抗震建筑技術應運而生。這些技術不僅顛覆了傳統(tǒng)建筑的設計理念，更在材料、結(jié)構(gòu)、施工等多個方面實現(xiàn)了革命性創(chuàng)新。它們不僅能夠顯著減少地震對建筑物的破壞，還能在災難發(fā)生后提供更為安全的避難場所，構(gòu)筑了守護我們生命安全的重要屏障。相信在不久的將來，新技術將廣泛應用于各類建筑中，讓我們的城市更加安全、堅固！

參考文獻：

1.Makoond, N., Setiawan, A., Buitrago, M. et al. Arresting failure propagation in buildings through collapse isolation. Nature 629, 592–596 (2024).

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4.金波,張敏政,郭迅,等.抗震建筑的結(jié)構(gòu)整體性分析和構(gòu)造措施[J].世界地震工程, 2009(2):4.