東京變成了果凍!-Alan Burden談日本抗震設(shè)計

/東京變成了果凍！-—ＡlanBurｄen談日本抗震設(shè)計20１3-04—051７：46:37

原文刊于ＭARK32，發(fā)表譯文只為分享和學習參考,勿轉(zhuǎn)商用。文中涉及許多結(jié)構(gòu)和地震術(shù)語,作為建筑師的譯者并無把握,還望方家指正。

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英國資深結(jié)構(gòu)工程師艾倫?博頓（ＡｌａnＢuｒｄen)于１9９８年創(chuàng)立了以東京為大本營的ＳｔruｃtuｒedＥnvironmenｔ構(gòu)造設(shè)計事務(wù)所,他還曾作為渡邊邦夫（KunｉｏWａｔaｎabe）的SｔｒucｔurａｌDesignGｒoup（構(gòu)造設(shè)計集團ＳDＧ）的一員，參與了拉斐爾?維諾里的東京會議中心項目。他從結(jié)構(gòu)專業(yè)的角度講述了為什么在3月１1日的大地震后東京依然屹立不倒.

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多年來，東京居民一直在等待著那場“大的”(地震）。那么,這次對他們來說還算不上那個“大的”，但卻足夠使這座城市幾周里不得安生。

3月11日，星期五,在東京是個晴朗的春日。我剛開完會回到辦公室,并與保險經(jīng)紀人打電話。她向我解釋同時承保一家東京和一家倫敦的事務(wù)所的困難,我則解釋我們—-StrｕctｕｒedEnviroｎment構(gòu)造設(shè)計事務(wù)所，如何在近十年來在日本為超過40０棟建筑做過結(jié)構(gòu)設(shè)計，從來沒有任何瑕疵和失效,甚至在地震時。

這時震動開始了。對此我們都習以為常的,于是繼續(xù)談了大概十五秒鐘,但當震動變得更加強烈時,她說會再打過來。那時，我的一些雇員試圖扶住書架以防傾倒,其他人則大叫：“別管這些該死的書架了!”我想看看外面發(fā)生了什么，蹣跚地來到陽臺上。沿六本木大街的景象令人震驚。街兩旁的高層建筑大幅度地前后來回扭曲，就像一個變成了果凍的城市的動畫—-也許是一輩子只能看到一次的景象。

在最初的震驚稍事平息后，我們通過樓梯從五樓辦公室下到街上。人們已經(jīng)聚在街上，有的戴著順手找到的硬質(zhì)安全帽，另一些正用他們的三星GAＬAXYTab平板電腦測定地震烈度，還有人在查看一家底層商店的破損的玻璃。過了一會兒，我們回到辦公室，但當?shù)诙螐娬鸢l(fā)生后,我們又走下樓。我們感受到了強烈的第三次,足以影響到我們這些已經(jīng)站在街上的人。氣氛使人緊張不安——那天下午整個城市都覺得不穩(wěn)定,好像隨時要再次顫動.

不久,北方地區(qū)的強烈地震的消息來了，接著是海嘯的可怖畫面。很明顯這次地震非同尋常。一場災(zāi)難正在展開。我已經(jīng)在東京住了20年，這次是我及我的所有朋友所經(jīng)歷過的最強的地震。然而在東京，按照日本的1到7的震度劃分，還只是5度。在仙臺的部分地區(qū)已經(jīng)達到了最高的7度，因此我預(yù)料會聽到那里發(fā)生的比較嚴重的結(jié)構(gòu)損壞。?

地震震級的定義有點兒混亂。概括地說，測量到的震級相當于地震震源釋放的能量的總數(shù).這一次,是9級（里氏-—譯注)，是日本有記錄以來能量最大的一次。對于地震烈度,即某一特定地點的震動程度，也有幾種分級方式.可以預(yù)期，烈度隨著與地震發(fā)生地(震中)的距離增加而減小。在日本,采用一種烈度分級,從1到7度，叫做“震度”(jisｈｉndo）.建筑規(guī)范要求結(jié)構(gòu)通常能抵御烈度為5度而結(jié)構(gòu)不損壞，并吸收最大7度的能量而不致整體倒塌能使使用者安全逃生。粗略地講，（日本）震度5度相當于大約水平作用的0.2g加速度（重力加速度的20％）,7度大約相當于0.4ｇ以上。

非常確定的是,東京的幾乎所有建筑物都沒有結(jié)構(gòu)損壞.事實上，在東京，一個有衛(wèi)星城的超過兩千萬人的大城市,僅有四人死亡。比較老的建筑物蒙受了由于過大的搖擺或窗框設(shè)計不當引起的窗戶受損，天花掉落，以及外墻飾面層的脫落.雖然感覺極其聳人,但看到結(jié)構(gòu)表現(xiàn)符合設(shè)計還是令人安心。?

甚至在仙臺和周邊地區(qū)，幾乎沒有重大的倒塌是由地震所導致。大量的倒塌是在海嘯襲擊面對震中的沿海城鎮(zhèn)地區(qū)時發(fā)生的。?

大部分建筑物在震后屹立不倒的事實歸因于日本的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計.一百年前,日本的建造技術(shù)被歐美舶來的理念所主導.大學里的外國教員們鼓勵學生們放棄傳統(tǒng)的柔性木結(jié)構(gòu)，而改用磚和石,這些材料用在地震易發(fā)國家通常太重太脆。１923年9月1日的關(guān)東大地震摧毀了東京的許多部分,造成超過十萬人死亡（值得注意的是，那天早晨開張的萊特設(shè)計的帝國飯店,卻幸免于難)。這個事件被證明是日本結(jié)構(gòu)工程中的一個轉(zhuǎn)折點.從那時起，木、鋼和鋼筋混凝土成為主導的結(jié)構(gòu)材料。?

直到1９９0年代早期，支撐戰(zhàn)后日本城市爆炸式增長的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在大部分情況下，還是基于對建筑物的每層樓板施以靜態(tài)水平荷載并確保應(yīng)力和位移都不是太大。對于較大型的建筑物，結(jié)構(gòu)工程師使用計入以前的地震加速度記錄的計算機模型來模擬這些結(jié)構(gòu)的動態(tài)反應(yīng)。

近二十年來,這個方法得到了基礎(chǔ)隔震（ｂaｓeｉsolａt(yī)ｉon）和減震器技術(shù)的補充。顧名思義,基礎(chǔ)隔震通過把建筑安置在滾軸或橡膠墊上，試圖將整個建筑物從地震輸入(地基運動)中隔離出來.由于建筑物相對地面運動,就需要在建筑物周邊設(shè)置一條溝來適應(yīng)這種運動。減震裝置用以吸收建筑物震動時的一部分能量。這兩方面都已經(jīng)有許多成品可提供。它們通常組合使用。?

所有這些創(chuàng)新幫助這個國家的建筑經(jīng)受住了2０１1年大地震。時光流逝，東京的生活慢慢地提速回到慣常的瘋狂節(jié)奏。在仙臺，這個過程將更長些。但日本建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的彈性是這個國家大災(zāi)后得以恢復的基本的因素。當今世界競爭如此激烈，落后的國家，哪怕只是落后一會兒，也會發(fā)現(xiàn)其經(jīng)濟后果會持續(xù)數(shù)十年。這里評論的東京國際會議中心、Praｄa青山店和仙臺媒體中心，是在任何國家都很難實現(xiàn)的獨特結(jié)構(gòu)。它們在日本得以實現(xiàn)并在大地震中泰然自若，是對它們的設(shè)計者們的技能和想象力,以及近幾十年來日本的結(jié)構(gòu)設(shè)計的進步的見證。?

Praｄa青山店

東京,２0０3年

建筑師:赫佐格&德?莫隆

結(jié)構(gòu)工程師:中井政義（竹中工務(wù)店）AlanBuｒdｅｎ畫的的Prada青山店結(jié)構(gòu)原理。鋼結(jié)構(gòu)菱形框架，外面覆材以滿足消防和美觀要求。

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該建筑師在亞洲第一個在立面上采用菱形鋼結(jié)構(gòu)作為主要結(jié)構(gòu)體系：幾乎所有地震荷載和很大比例的豎向荷載由這個輕型鋼格柵承受。?

由于抗震結(jié)構(gòu)環(huán)繞著整個建筑，而建筑師希望有一個非常透明的外皮,必須把結(jié)構(gòu)件尺寸減到最小。鋼是最合乎情理的材料選擇,因為它的強度重量比很高。然而，通過使用基礎(chǔ)隔震，由鋼構(gòu)件承受的荷載被減小了。鋼框架支承在一個混凝土基礎(chǔ)箱體上,而后者又在另一個圍繞的混凝土盒體里.內(nèi)盒體由專門的疊合的鋼/橡膠隔離墊支承，并設(shè)有鉛核作為變形時的減震源。因此,在地震期間，上部結(jié)構(gòu)的水平荷載將比常規(guī)體系減少約65％。通過使用基礎(chǔ)隔震及非常厚的鋼板(用來制作菱形鋼格構(gòu)——譯注），以及某些地方采用實心鑄件，中井成功將格構(gòu)組件的截面尺寸控制在不超過建筑師規(guī)定的１５0ｘ２５0毫米。

結(jié)果得到了出色的建筑。在內(nèi)外盒之間的最大一米的環(huán)繞建筑的溝,被聰明地用一道成角的斜坡遮掩住了，感覺很自然地融入起伏的廣場。蓋板被設(shè)計成在極端地震時要么裂開要么斷裂.四月初我路過這個建筑，沒有看到任何損壞的跡象.

?國際會議中心

東京，1996年

建筑師:拉斐爾?維諾里

結(jié)構(gòu)工程師:渡邊邦夫（SｔｒuctuｒａlDeｓigｎGｒｏｕp構(gòu)造設(shè)計集團)AlanBuｒden畫的東京國際會議中心的結(jié)構(gòu)原理.?

國際會議中心由一個透鏡形狀的大廳主導：這個２０0米長的巨大的體量，一直到地下室都是開敞的，容納著一個巨大的公共中庭。這個大廳是個獨立的結(jié)構(gòu)，與基地另一側(cè)的各音樂廳互不相連。屋頂不是在跨度較小的方向，而是在長向布置，在兩個大鋼柱之間跨度超過12０米.根據(jù)渡邊的想法，是要使建筑充滿足夠的結(jié)構(gòu)紀念性，甚至不惜付出一定程度的結(jié)構(gòu)“理性”的代價.他向建筑師提出這個方案，以替代競標時的橫向跨方案。

兩根鋼柱從地下二層頂板升起超過6０米，每根耗用約1０00噸鋼。它們支承的精細網(wǎng)格屋頂結(jié)構(gòu)也重達２0０0噸.這些重量加起來可以在某些區(qū)域造成超過1g的加速度沉降。用過去的地震記錄作為地震動輸入(gｒｏｕnｄinput),渡邊做了一系列動態(tài)分析來檢驗響應(yīng)中每一個瞬間的應(yīng)力和位移。一些應(yīng)該承受這樣的力的鋼板要做得非常厚：在鋼柱本身，１0０毫米或以上的厚度非常常見。由于大廳的上部并不上人，設(shè)計允許最大不超過高度１/6０的位移。連接到屋頂結(jié)構(gòu)的幕墻的玻璃配件也被要求設(shè)計成能夠承受這么大的運動.?

媒體中心

仙臺，2000年?建筑師:伊東豐雄

結(jié)構(gòu)工程師:佐佐木睦朗?AｌanBurden畫的仙臺媒體中心的結(jié)構(gòu)原理。?

仙臺媒體中心設(shè)計于90年代中期，全鋼結(jié)構(gòu)。四個向上收的管狀柱——大致位于矩形樓板的每一個角部區(qū)域，承載了這個七層建筑的幾乎全部的水平荷載。這些管狀柱由構(gòu)成三角形的、剛性的自由形態(tài)的格柵結(jié)構(gòu)的鋼管組成。伊東還設(shè)置了九個不加支撐的管狀柱用于容納服務(wù)設(shè)施,它們打斷了樓板，只承受豎向荷載。?

在抗震方面，佐佐木的創(chuàng)新是在主要的管柱部位引入了一個柔性結(jié)構(gòu)層,置于地面層樓板和地下一層樓板之間。在這個中間層,地面以上的管狀柱的那些（斜向)支撐被三層水平梁所取代。因為這個中間層在較大地震時擺動量相對比較大，設(shè)想梁會比柱先屈服，因此可以以塑性變形吸收部分地震能量。佐佐木通過沿建筑物全周長在地下室邊墻頂和首層樓板之間留一道溝，來適應(yīng)這種首層樓板的允許的運動(而垂