出品：科普中国
制作：可乐阁蒲雁秋客
制作方：中国科学院计算机网络信息中心
日本作为地震多发国家之一，自古以来在建筑设计上就十分谨慎，通过多种抵抗强震的手段确保设施安全。当然，大自然的力量是可怕的，目前无论我们人类的防御措施多么完善，灾害还是有可能对我们造成毁灭性的伤害。在古代，我们在大自然的强大力量面前往往束手无策，遇到疾病或者天灾，古人只能依靠祭祀来祈求平安。
图1 阪神大地震震中房屋内部摇晃模拟
今天，我们很大程度上依靠自然规律和科技手段避免了一些破坏力较小的灾害，但是我们仍然面临着一些强度更大的地球活动带来的威胁，比如火山爆发、海啸、地震等。
地震、火山活动频繁的日本，无疑是防灾减灾技术最先进的国家。自古以来的生存危机，激发了岛国人民绞尽脑汁，想出了很多优秀的防灾建筑设计。在科技更新的今天，日本的新型建筑，到底用了哪些巧妙的方法来应对地质灾害，可供世界各国借鉴呢？今天就来简单介绍一下日本房屋的几种减震结构。
2011年3月11日日本发生大地震及海啸时，距离福岛仅300公里的东京地震震级也在7级以上，但东京市区的死亡人数只有7人。很难想象这样的情况会发生在人口密度如此之高的城市，而原因之一就是其坚固的城市建筑设计。
图2 不同地点观测到的海啸高度
过去我们一直强调房屋越坚固越好，建筑材料越坚硬，整体结构就越坚固。“抗震结构”是传统建筑技术的重要组成部分。
所谓“抗震结构”多层钢结构阻尼比，就是将墙体、承重柱加固，再加入强度补充材料，形成坚固的建筑。毋庸置疑，材料和结构越坚固，建筑整体就越坚固。木结构的房子肯定没有钢结构坚固。但随着文明的进步和科技的发展，我们知道了以柔克刚的道理，学会了以人之力克人之力，于是发明了新的建筑技术：防震技术和防震技术。
图3 减震隔震结构示意图
“抗震结构”的原理很简单，一句话概括就是“你摇，我不摇”。它的实现原理一般是在地面与建筑物之间加装橡胶弹性垫或摩擦滑动承重座，将震动的地面隔开，降低震动强度，就好比在房子下面加了一个大弹簧。
在实际的建筑设计中，通常在地面与建筑物之间增加减振装置，例如在高层建筑的底部设置橡胶弹性垫或摩擦滑动支座。
图4 多层防震橡胶弹性垫
这种弹性垫块可以将整栋建筑与地面隔离，就如同在建筑底部安装了一个大弹簧一样，可以预期这种结构对于地震的冲击将起到很大的缓冲作用。
图5 隔震层施工状态
这种结构在日本比较常见，应用也比较早，所以日本大部分建筑物都以这种抗震结构作为基础设计的基本方法。
“抗震结构”一般是在建筑物的墙体或承重柱上附加减震装置，以控制建筑物的摇晃，事实上，世界上许多著名的高层建筑都应用了这种方法来抵抗地面震动或强风。
图6 三种房屋结构抗震性能的直观演示
DUOX（双重主动减震器）
首先介绍一下我比较知名的一个减震技术——DUOX（主动双减震器减震系统），它其实是TMD（调谐质量阻尼器）技术与AMD（主动质量阻尼器）技术的结合。
TMD 系统应用的一个简单例子是利用钟摆原理控制振动。建筑物内悬挂一个钟摆装置。当发生振动时，建筑物往往会摇晃，这也会导致钟摆摆动。钟摆会向相反的方向摆动，建筑物总会被拉回到原来的方向。
例如台北101大楼多层钢结构阻尼比，在88层至92层之间安装了TMD，以应对高空强风和台风带来的摇晃。TMD系统悬挂着一个重达660公吨的巨型钢球，利用摆动来减缓大楼的摇晃。这也是世界上唯一向游客开放参观的巨型阻尼器，也是目前世界上最大的阻尼器。
图 7 台北 101 的调谐质量阻尼器
最初，TMD是建筑公司采用的主要抗震技术。
AMD通过传感器感知振动的频率和振幅，并将信号传送给执行器，执行器抵抗质量块，对振动体施加惯性控制力，达到抑制振动的作用。世界上第一座安装AMD控制地震和强风的钢结构建筑是日本京桥Siewa大厦（33m）。
图 8 调谐质量阻尼和主动质量阻尼
DUOX还增加了TMD（调谐质量阻尼）和AMD（主动质量阻尼）的组合系统。随着技术的发展，日本第一座采用TMD和AMD技术建造的建筑是东京港区的汐留媒体大厦（172米）。
图 9 京桥Siewa [左] 和汐留媒体塔 [右]
HIDAX-R（抗振动流动阻力）
日本鹿岛公司于1995年开发出了减振型HiDAM。我们先来看一下早期的HiDAM的工作原理。
当建筑物震动时，建筑物的梁、支架产生位移差，使活塞移动。活塞上有一个可打开的连通孔，液压油通过连通孔可在左右油腔之间移动。连通孔内设置调节阀，利用油液通过孔口的流体阻力，达到减震的效果。2009年在日本大阪落成的北滨（209m）就采用了这种抗震技术。
图 10 HiDAM
图 11 使用 HiDAM 的 Kitahama
2015年研发的新型减振阻尼器HiDAX-R是在HiDAX的基础上发展起来的，其抗震性能是前者的4倍以上。与HiDAM相比，HiDAX是一种可以控制流量的油阻尼器，其性能优于HiDAM。HiDAX-R是全球首款配备振动能量再生系统VERS的新型减振阻尼器，也是首次将汽车制动控制原理运用到建筑设计中，可将地震引起的振动能量暂时储存，提高抗震效率。
图 12 HiDAX-R
该技术自2015年开发以来，尚未应用于实际建筑物。HiDAX已应用于2003年建成的东京六本木新城森大厦（238米）。
图 13 六本木新城森大厦[东京]
DFS（双框架系统）
在建筑物中央放置刚性心轴，在其周边设置由许多柱子和梁组成的软结构，再用减震装置（油阻尼器）将两座建筑物连接起来。地震发生时，两座建筑物的硬度不同，震动频率也不同，因此变形趋势也不同。心轴越硬，震动就会越剧烈，而建筑物通过油阻尼器的减震效果，大大降低了震动的幅度。
图14 DFS结构图
日本川崎市正在建设中的港町站前大厦（96米）就采用了这种抗震技术。
图15 建设中的港町站主站
图16 东京晴空塔采用的DFS抗震结构示意图
图17 抗震技术有效提升建筑抗震能力
结论
我们从最初的抗震结构发展到应对时刻变化的地震、强风等力量的抗震、抗震结构，并逐渐将多种抗震技术应用到建筑上，使得建筑的抗震、抗风能力越来越强。建筑的设计高度越来越高，这无疑给一些经济发达、人口密集的地区带来了更多的发展机会，也可以节省更多的地面面积用于绿化或者种植农作物。
日本是一个地震多发的国家，但在生存危机的驱动下，开发出了很多优秀的抗震技术，这些技术值得其他国家学习借鉴。
我国很多地区也处于地震多发区，这些地区建筑的建筑设计方法应借鉴先进技术，建设抗震能力更强的建筑，以减少灾害带来的人身和财产安全。对于日本来说，地震或海啸带来的“水”和“火”仍然是需要面对的两大难题，相信科研人员未来会继续努力攻克这些问题。
图18 抗震、防震、隔震示意图
参考
李春香、刘艳霞、王兆民。质量阻尼器的发展[J].力学进展，2003（02）：194-206。
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