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。傳統建築結構往往難以承受大地震的沖擊，導致頻繁倒塌、嚴重損毀，並造成大量人員傷亡。
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這些悲劇不斷地提醒我們，提高建築物的抗震效能刻不容緩。接下來，讓我們一同揭開新型抗震建築的神秘面紗！
蜥蜴啟發的新型建築系統設計
2024 年 5 月 15 日，中國科學家在【自然】雜誌上發表了一篇關於受蜥蜴啟發的建築系統的文章， 這種建築的問世有望規避地震等外界撞擊可能導致的建築坍塌風險 ，為我們的生命安全築起一道堅實的防線！
研究成果發表於【自然】雜誌 圖片來源：參考文獻 1
在地震發生時，地震波會產生周期性振動。這些地震波與建築物的固有振動頻率相接近時，就會引發共振現象，導致建築物產生更大的振動振幅，加劇建築物的損壞程度。在建築物設計中，一個常見的挑戰是如何在建築發生初始損壞時，防止損害進一步擴散到整個結構，從而避免引發災難性的全面坍塌。因此，在建築物設計中，關鍵問題是在建築物受到外部沖擊時，如何像蜥蜴一樣迅速做出反應，防止損壞進一步擴散，並避免更大的破壞。
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。在尾巴折斷後，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，科學家將提出了「倒塌隔離」概念，並將其套用於新型建築系統的設計中。
「倒塌隔離」概念的套用
為了防止地震或外界撞擊等情況下，建築物中損壞部份進一步擴散，科學家們套用「倒塌隔離」概念，透過控制結構系統的失效層級，以隔離由初始大失效引發的崩塌。
科學家在建築物的關鍵部位設定了特定的斷裂點結構。 當建築物受到損壞時，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元件失效之前先行失效。這樣一來，整個建築會被隔離成不同的單元，從而增強其抗損性。同時，新型建築系統的不同單元之間具有足夠的環通度，可以彼此重新分配荷載，進一步隔離崩塌傳播。
基於層級結構的倒塌隔離設計（a、基於分層最佳化的梁柱連線；b、基於層級結構的建築部份倒塌隔離模擬；c、常規建築倒塌場景模擬）圖片來源：參考文獻 1
現場測試與結果驗證
為驗證這種「層級式倒塌隔離」設計在實際地震發生中的抗倒塌效果，研究者用混凝土建造了一個長 15 米、寬 12 米的雙層建築，與現行的樓房標準層高類似，雙側建築的每層高 2.6 米。研究者進行了雙重測試， 首先驗證了建築物在受到小範圍沖擊後連鎖結構防止崩塌的能力，接著驗證了建築物的崩塌隔離效果。
在第一圈測試中，研究者去掉了建築轉角的兩根柱子中的一根，結果發現，建築物未出現大面積的崩塌，仍能提供傳統的結構支撐。在第二輪測試中，研究者采用了更極端的初始破壞，他們去掉了轉角剩下的那根柱子。結果顯示，基於「層級式倒塌隔離」設計概念制造的建築成功避免了整個結構的坍塌，只有沿著載入路徑的部份建築發生了崩塌。這證明了此種建築設計可以將崩塌限制在限定區域內。
建築設計和測試（a、在不同測試階段拆除的全尺寸預制混凝土和柱結構；b、施工過程中的一層連線；c、施工中預制梁放置後的二層連線；d、在第一階段測試中用於準靜態去除的兩柱裝置；e、角柱拆除采用的三鉸機制）圖片來源：參考文獻 1
結語
隨著科技的飛速發展，新型抗震建築技術應運而生。這些技術不僅顛覆了傳統建築的設計理念，更在材料、結構、施工等多個方面實作了革命性創新。它們不僅能夠顯著減少地震對建築物的破壞，還能在災難發生後提供更為安全的避難場所，構築了守護我們生命安全的重要屏障。相信在不久的將來，新技術將廣泛套用於各類建築中，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).
[2]董丙君.蜥蜴斷尾及再生研究[J].生物學通報, 2009, 44(1):24-25.
[3]鄭建國,徐建,錢春宇,等.古建築抗震與振動控制若幹關鍵技術研究[J].土木工程學報, 2023.
[4]金波,張敏政,郭迅,等.抗震建築的結構整體性分析和構造措施[J].世界地震工程, 2009(2):4.
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來源丨科普中國
作者丨石霧遙 生物學博士
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