來自蜥蜴的靈感！科學(xué)家設(shè)計(jì)抗震安全建筑→

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(zāi)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(dǎo)致頻繁倒塌、嚴(yán)重?fù)p毀，并造成大量人員傷亡。

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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！

蜥蜴啟發(fā)的新型建筑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2024 年 5 月 15 日，我國(guó)科學(xué)家在《自然》雜志上發(fā)表了一篇關(guān)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(dǎo)致的建筑坍塌風(fēng)險(xiǎn)，為我們的生命安全筑起一道堅(jiān)實(shí)的防線！

研究成果發(fā)表于《自然》雜志 圖片來源：參考文獻(xiàn) 1

在地震發(fā)生時(shí)，地震波會(huì)產(chǎn)生周期性振動(dòng)。這些地震波與建筑物的固有振動(dòng)頻率相接近時(shí)，就會(huì)引發(fā)共振現(xiàn)象，導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生更大的振動(dòng)幅度，加劇建筑物的損壞程度。在建筑物設(shè)計(jì)中，一個(gè)常見的挑戰(zhàn)是如何在建筑發(fā)生初始損壞時(shí)，防止損害進(jìn)一步擴(kuò)散到整個(gè)結(jié)構(gòu)，從而避免引發(fā)災(zāi)難性的全面坍塌。因此，在建筑物設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵問題是在建筑物受到外部沖擊時(shí)，如何像蜥蜴一樣迅速做出反應(yīng)，防止損壞進(jìn)一步擴(kuò)散，并避免更大的破壞。

蜥蜴尾部的軟骨組織中有許多預(yù)定的斷裂點(diǎn)，當(dāng)蜥蜴感到危險(xiǎn)時(shí)，它們會(huì)收縮尾部肌肉，使尾巴迅速折斷在這些預(yù)定點(diǎn)上。在尾巴折斷后，蜥蜴的身體會(huì)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(jī)會(huì)逃脫。受到這種行為的啟發(fā)，科學(xué)家將提出了“倒塌隔離”概念，并將其應(yīng)用于新型建筑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。

“倒塌隔離”概念的應(yīng)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(jìn)一步擴(kuò)散，科學(xué)家們應(yīng)用“倒塌隔離”概念，通過控制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效層級(jí)，以隔離由初始大失效引發(fā)的崩塌。

科學(xué)家在建筑物的關(guān)鍵部位設(shè)置了特定的斷裂點(diǎn)結(jié)構(gòu)。當(dāng)建筑物受到損壞時(shí)，這些部位會(huì)按照預(yù)定的方式斷裂，確保特定元素在最關(guān)鍵的組件失效之前先行失效。這樣一來，整個(gè)建筑會(huì)被隔離成不同的單元，從而增強(qiáng)其抗損性。同時(shí)，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(jìn)一步隔離崩塌傳播。

基于層級(jí)結(jié)構(gòu)的倒塌隔離設(shè)計(jì)（a、基于分層優(yōu)化的梁柱連接；b、基于層級(jí)結(jié)構(gòu)的建筑部分倒塌隔離模擬；c、常規(guī)建筑倒塌場(chǎng)景模擬）圖片來源：參考文獻(xiàn) 1

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證這種“層級(jí)式倒塌隔離”設(shè)計(jì)在實(shí)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(gè)長(zhǎng) 15 米、寬 12 米的雙層建筑，與現(xiàn)行的樓房標(biāo)準(zhǔn)層高類似，雙側(cè)建筑的每層高 2.6 米。研究者進(jìn)行了雙重測(cè)試，首先驗(yàn)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(yàn)證了建筑物的崩塌隔離效果。

在第一輪測(cè)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(cè)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(jí)式倒塌隔離”設(shè)計(jì)概念制造的建筑成功避免了整個(gè)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(shè)計(jì)可以將崩塌限制在限定區(qū)域內(nèi)。

建筑設(shè)計(jì)和測(cè)試（a、在不同測(cè)試階段拆除的全尺寸預(yù)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(yù)制梁放置后的二層連接；d、在第一階段測(cè)試中用于準(zhǔn)靜態(tài)去除的兩柱裝置；e、角柱拆除采用的三鉸機(jī)制）圖片來源：參考文獻(xiàn) 1

結(jié)語

隨著科技的飛速發(fā)展，新型抗震建筑技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。這些技術(shù)不僅顛覆了傳統(tǒng)建筑的設(shè)計(jì)理念，更在材料、結(jié)構(gòu)、施工等多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了革命性創(chuàng)新。它們不僅能夠顯著減少地震對(duì)建筑物的破壞，還能在災(zāi)難發(fā)生后提供更為安全的避難場(chǎng)所，構(gòu)筑了守護(hù)我們生命安全的重要屏障。相信在不久的將來，新技術(shù)將廣泛應(yīng)用于各類建筑中，讓我們的城市更加安全、堅(jiān)固！

參考文獻(xiàn)

[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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策劃制作

來源丨科普中國(guó)

作者丨石霧遙 生物學(xué)博士

監(jiān)制丨中國(guó)科普博覽

責(zé)編丨一諾

審校丨徐來、林林