【科普】建筑抗震日本之鉴

         “杀人的不是地震,而是建筑。”这是地震灾害学中一句著名的话。

         然而,这句话在日本“3·11大地震”中却不适用。据日本专家介绍,“3·11大地震”死亡人员多系海啸所至,被建筑倒塌致死者所占比例极少。

  因为在“3·11大地震”中,被毁的1.3万座房屋集中在岩手、福岛和宫城三个县的沿海地区,95%以上是被海啸摧毁的。撇开海啸的破坏因素,9级大地震并未导致日本的楼房全面倒塌,很多多层、中高层甚至高层建筑物居然完整地挺立着,有些高楼仅出现扭曲状,一些二三层的木结构房屋虽然被汹涌的海浪挪出很远,但并没有散架。

  地震多发的日本被公认为世界第一的抗震强国。“3·11大地震”让日本建筑抗震性能再度成为焦点。日本多数建筑采用钢结构和木结构,其中中高层建筑以钢结构为主,普通住宅则80%以上是木结构建筑。钢结构和木结构的良好抗震性,是日本建筑物经历强震坚挺不倒的主要原因。

  3月初,在日本“3·11大地震”一周年之际,本报记者应加拿大林业协会邀请赴日本东京和神户参观、考察木结构建筑,在全方位考察木结构建筑抗震性能的同时,也了解到日本在建筑抗震技术方面的研发和应用。

  同时,日本在抗震防震等方面的相关理念、法规和预防措施也是相当完善的,这些方面都值得我国加以借鉴。

         结构篇

        抗震从结构抓起

       不抗震的住房倒塌,是导致地震中90%死亡者的直接祸首。因此,在震后的重建过程中,保证房屋的耐震性更是成为了各国政府重建工作的重中之重。

  在日本这个地震频发的国家,对房屋的抗震性能非常重视,它们先从结构抓起。由于日本有居住木结构房屋的传统,因此很早就对木结构的抗震性能展开研究,目前日本各阶层对于低层木结构建筑的良好抗震性能早已有共识。因此,在日本木结构建筑占到普通住宅建筑的80%以上。

  位于日本琦玉县加须市的“三井之家”木结构加工厂便是记者此行考察的一站。据“三井之家”木结构加工厂负责人介绍,这家厂始建于1975年,1990年扩建,是目前日本生产轻型木结构规模最大的厂家之一,主要生产2×4轻型木结构构件,包括墙板、二层楼板和小木屋组材。据了解,2×4轻型木结构是在20世纪80年代兴起的,是一种采用小断面规格木材通过钉和金属连接件连接固定建造而成的建筑物。

  2×4轻型木结构具有三大特点,首先,结构自重轻,木材的重量仅为混凝土重量的1/4到1/5,相同体量的建筑物,结构自重越小受到的地震作用也越小,所以轻质的木结构受到的地震作用比较小;其次,现代轻型木结构采用规格材做墙体骨柱,定向刨花板或胶合板等结构性能稳定的板材做覆面板,形成具有良好抗侧能力的木剪力墙,这也是结构主要的抗侧力构件;最后,小断面密布的轻型木结构是柔性结构,有很大的结构冗余度以及一定范围内的变形能力,结构可以通过自身的变形来消耗能量,提高整体安全性。当发生地震时,在三大特点的共同作用下,轻型木结构体现出良好的“以柔克刚”的抗震性能。

  在“三井之家”木结构加工厂车间里,记者看到大量从加拿大进口的木材,在区分不同规格和材质后,被传送机放置在不同的设备操作台上,切割机在电脑的指令下,将木材准确地裁割成房屋门、窗等部位,之后再传送到下一道工序。

  记者看到,该工厂一楼主要生产墙、屋顶、地板等主材,二楼主要生产厨房、浴室等相关配套设施。该工厂负责人介绍,去年共计生产3200多栋木结构房屋,平均每天生产10多栋,其中9成按照客户要求,按需定产。平时,工厂就把木材加工成墙板、地板、柱、梁等构件,并对外墙和靠紧地基的板材进行防腐和防白蚁处理,以及把外墙板与保温材料复合在一起之后,就可以运到施工现场进行组装了。

  据了解,日本普通的一栋套内面积在150平方米左右的独栋木结构房屋大概2天就可以组建出雏形,7天就可以完成结构的基础建设了。

  随后,记者一行又来到了“三井之家”建筑公司正在施工的一个小区工地,这里共有49幢2×4规格的二层独幢住宅别墅,现场好似“搭积木式”组装,只有六七人在施工,一台小型起重设备在工作,非常干净。完全不同于国内施工工地尘土飞扬、机器轰鸣、大批工人作业的场面。

  在参观过程中,正好碰上一批建筑构件运进来,由于日本的街巷都比较窄,没有场地堆放建筑构件,因此建筑构件随用随进。建筑构件是一辆小型运输车装载来的,由于建筑构件都是按照编号按顺序装车的,因此到达现场后,不需卸载直接由起重设备吊装到房屋需要的部位上,有两三名工人直接在起重设备的协助下放稳后固定组装好。一个构件大概在5分钟左右就完成了从车上变成房屋结构的历程。像搭积木一样,把工厂经过严格品质管理生产出来的构件,通过有效的施工管理体制,在现场准确无误地组装好,再经过后期外饰面加贴,以及室内精装修后,一幢漂亮、耐久、抗震的小别墅就建好了。

  据“三井之家”现场施工人员介绍:“这样的房屋质保期为10年,使用寿命大约在100年。在‘3·11大地震’中这样的房屋一栋也没有倒塌,抗震性能非常好。”

       技术篇

       应用隔震与减震技术

        近年来,日本在木结构住宅设计和建造中,不断进行改进和完善,开展多项技术难题攻关,提升其科技含量。

  记者在“三井之家”技术中心展示厅参观中看到,减震、隔音、发电等一系列安全、舒适、生活等问题正在不断地解决和试验之中。记者坐上一间无减震装置试验亭,紧紧握着旁边栏杆,此间模仿7级地震不断晃动,震感强烈。接着,再换坐上另一间装有减震装置的试验亭,同是模仿7级地震,明显感到晃动减少了很多,手也不用握住旁边栏杆了。原来,在这一试验亭下面安装了减震装置,当发生地震房屋晃动时,减震装置也开始工作了,以抵消房屋晃动。当然,安装这一减震装置需要一笔不小的开支。

  在日本,抗震设计中对建筑结构的抗震性加以考虑,可分为抗震结构、减震结构、隔震结构三种。

  抗震结构就是中小地震发生时利用柱子、梁、剪力墙的承载力抵御地震发生时利用延性抵御地震的结构。结构形式大致分为框架结构和剪力墙结构。

  减震结构是指通过在抗震结构的建筑物内设置阻尼器来抑制震动,减轻柱子、梁等主要结构构件损伤的结构。针对大地震设计的阻尼器,多采用安装减震器的方法。应明确建筑的结构、阻尼引起的地震力的方向后再选择减震器。最近减震器已经开始用在高层建筑及已建建筑的抗震加固方面。

  隔震结构则是一种在建筑物的基础部位或中间层设置隔震构件以使施加于建筑物的地震力引起的横向震动得到抑制,并使建筑物的晃动频率放缓的结构。与在过去的抗震结构中认为放在第一位的是如何保护人员的生命安全,柱、梁、墙等中出现某种程度的损伤是不可避免的观点不同,这种方法是为了设计出一种通过减小地震对建筑物结构造成的损伤,在大地震过后仍可继续使用、抗震性能更好的建筑物。最近,在公寓、医院等建筑中也采用了这种结构。

  全国城市抗震防灾规划审查委员会专家委员、中国建筑标准设计研究院防灾抗震技术中心副主任曾德民称:“在日本,建造抗震建筑的基础就是采用各种隔震、减震的技术和部件。这些部件位于建筑物基础或上部结构之间,使地表的摇动不会传给建筑物。”曾德民介绍,这些隔震、减震的部件,通常具有四种机能:具有不把地震的摇动传给建筑的“绝缘机能”,具有受到地震摇动也能维持稳定来支撑建筑物重量的“支撑机能”,具有削弱地震摇动幅度的“衰减机能”,具有地震后让建筑物恢复到原位的“恢复机能”。

  “目前,在日本,新建的60米以上的高层建筑中,90%都采用了各种的隔震、减震部件,来实现建筑的抗震性能;在新建的普通的两三层民居中,也有40%~50%采用了隔震、减震部件;此外,还有一些既有建筑也加装了隔震、减震部件。”“三井之家”技术中心展示厅讲解员介绍说。

        法规篇法规护航建筑抗震日本作为地震多发国,世界20%以上的地震都发生在该国。因此,建筑物的抗震性在建筑控制中较早就成为人们关注的问题之一。

  如今提到日本的建筑物,首先进入脑海的就两个字:坚固。这无疑归功于日本政府在每一次发生特大地震后,日本国土交通省都会组织力量进行建筑抗震调查,根据调查结果对建筑法规在抗震方面进行修改。而日本建筑师在设计建筑时,也会按照法规的抗震要求严格执行。

  从1924年开始日本建筑规范就已经规定结构力计算中要考虑抗震系数,是世界上最早的国家。随后,日本在1950年出台了《建筑标准法》,其后曾发生过数次地震,其间为提高建筑物的抗震性能又不断对《建筑标准法实施令》进行了补充、修改。在1971修改的《建筑基本法实施令》中增加了通过增加柱子箍筋确保柱子延性等规定,提高了抗震标准。

  1981年日本政府修改的《建筑基本法实施令》,提高了建筑物的抗震标准,并增加了结构方面的相关规定,被称为“新抗震设计法”。在“新抗震设计法”中,为使抗震性能得到进一步的提高,针对建筑物结构形状不规整、某楼层与其他楼层相比容易变形、重心偏移的墙壁在地震容易出现晃动等等方面的问题做了规定。

  1995年的日本发生阪神大地震后,当年就开始实施了《关于促进建筑物抗震修复的法律法规》等相关法令,2006年1月又进行了修改以使该法规得到进一步的完善。

  在1995年的日本阪神大地震中,按照新的《建筑基准法》建造的房屋几乎完好无损。在阪神大地震发生后的次年,即1996年开始,日本政府连续3次修改《建筑基准法》,把各类建筑的抗震基准提高到最高水准,除木结构住宅外,尤其是商务楼要求能够8级地震不倒,使用期限能够超过100年。

【案例】

8度抗震的向峨小学

  正是看到了木结构的良好抗震性,2008年5·12中国汶川地震之后,中国政府重建时一些专家建议四川地震地区重建,宜借鉴国外经验,优先选择轻型木结构住宅。因此,在四川灾后重建中对抗震级别要求很高的小学、养老院、康复中心等建筑中,采用了一些木结构,其中以都江堰市向峨小学最为典型。

  “在地震中向峨小学被完全损毁,新建的向峨小学总建筑面积5290平方米,学生人数为540人,校舍建筑主要由教学综合楼、宿舍和餐厅等组成,除厨房部分采用钢筋混凝土结构外,其余单体均为木结构建筑。”四川省建设厅科技处处长胡明福介绍说。

  “这么大体量的全木结构建筑,国内少见。”项目工程师杨建成说。

  2008年7月,加拿大卑诗省政府和加拿大联邦政府共同宣布了一项价值800万元加元(约合5600万元人民币)的汶川地震援建项目,其中就包括都江堰向峨小学。一年后向峨小学建成投入使用。

  除了加拿大的无偿捐助,向峨小学还凝聚了很多爱心——上海同济大学设计,上海市绿地建设(集团)有限公司负责施工。绿地集团有关人士介绍,所有建筑都采用钢筋混凝土地基,地基深达地下岩石层;全木质的建筑主柱、梁等用钢制连接件固定,保证地震时房屋不会位移。

  根据设计方案,学校建筑除窗户为铝合金外,门、地板、墙壁、房顶等全是木制的。木材天然具有的柔韧性让新向峨小学的抗震性能没有受到质疑,但防火、隔音、防腐、防蛀,成为专家们最关心的问题。

  据了解,分割教室的隔板都是中空的。“为了更好地防火,我们在里面填充保温隔音阻燃棉,然后在表面贴上双层防火石膏板。”杨建成说,这相当于给木材装上防火双保险。此外,每间教室还安装了消防喷淋系统,一旦有火,会喷水灭火。

  此外,教室外墙燃烧性能满足2小时防火等级,内部隔墙均满足1小时防火等级,燃烧性能为难燃。具有特定防火等级的石膏板可按规定要求制作,从而保证其特有的防火性能。这类石膏板中间层有添加剂,用来增强石膏板的尺寸稳定性和牢固性。

  但胡明福同时也指出,这座由加拿大政府捐助、上海同济大学设计、上海绿地集团负责施工的小学,由于要达到最好的抗震和节能效果,因此建造成本也较高,达到了每平方米约4000元,并不具有普遍推广意义。

ailin

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