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1、东京变成了果冻！Alan Burden谈日本抗震设计2013-04-05 17:46:37原文刊于MARK 32，发表译文只为分享和学习参考，勿转商用。文中涉及许多结构和地震术语，作为建筑师的译者并无把握，还望方家指正。英国资深结构工程师艾伦博顿（Alan Burden）于1998年创立了以东京为大本营的Structured Environment构造设计事务所，他还曾作为渡边邦夫（Kunio Watanabe）的Structural Design Group（構造設計集團 SDG）的一员，参与了拉斐尔维诺里的东京会议中心项目。他从结构专业的角度讲述了为什么在3月11日的大地震后东京依然屹立不
2、倒。多年来，东京居民一直在等待着那场“大的”（地震）。那么，这次对他们来说还算不上那个“大的”，但却足够使这座城市几周里不得安生。3月11日，星期五，在东京是个晴朗的春日。我刚开完会回到办公室，并与保险经纪人打电话。她向我解释同时承保一家东京和一家伦敦的事务所的困难，我则解释我们Structured Environment构造设计事务所，如何在近十年来在日本为超过400栋建筑做过结构设计，从来没有任何瑕疵和失效，甚至在地震时。这时震动开始了。对此我们都习以为常的，于是继续谈了大概十五秒钟，但当震动变得更加强烈时，她说会再打过来。那时，我的一些雇员试图扶住书架以防倾倒，其他人则大叫：“别管这些该
3、死的书架了！”我想看看外面发生了什么，蹒跚地来到阳台上。沿六本木大街的景象令人震惊。街两旁的高层建筑大幅度地前后来回扭曲，就像一个变成了果冻的城市的动画也许是一辈子只能看到一次的景象。在最初的震惊稍事平息后，我们通过楼梯从五楼办公室下到街上。人们已经聚在街上，有的戴着顺手找到的硬质安全帽，另一些正用他们的三星GALAXY Tab平板电脑测定地震烈度，还有人在查看一家底层商店的破损的玻璃。过了一会儿，我们回到办公室，但当第二次强震发生后，我们又走下楼。我们感受到了强烈的第三次，足以影响到我们这些已经站在街上的人。气氛使人紧张不安那天下午整个城市都觉得不稳定，好像随时要再次颤动。不久，北方地区的强
4、烈地震的消息来了，接着是海啸的可怖画面。很明显这次地震非同寻常。一场灾难正在展开。我已经在东京住了20年，这次是我及我的所有朋友所经历过的最强的地震。然而在东京，按照日本的1到7的震度划分，还只是5度。在仙台的部分地区已经达到了最高的7度，因此我预料会听到那里发生的比较严重的结构损坏。地震震级的定义有点儿混乱。概括地说，测量到的震级相当于地震震源释放的能量的总数。这一次，是9级（里氏译注），是日本有记录以来能量最大的一次。对于地震烈度，即某一特定地点的震动程度，也有几种分级方式。可以预期，烈度随着与地震发生地（震中）的距离增加而减小。在日本，采用一种烈度分级，从1到7度，叫做“震度”（jish
5、indo）。建筑规范要求结构通常能抵御烈度为5度而结构不损坏，并吸收最大7度的能量而不致整体倒塌能使使用者安全逃生。粗略地讲，（日本）震度5度相当于大约水平作用的0.2g加速度（重力加速度的20%），7度大约相当于0.4g以上。非常确定的是，东京的几乎所有建筑物都没有结构损坏。事实上，在东京，一个有卫星城的超过两千万人的大城市，仅有四人死亡。比较老的建筑物蒙受了由于过大的摇摆或窗框设计不当引起的窗户受损，天花掉落，以及外墙饰面层的脱落。虽然感觉极其耸人，但看到结构表现符合设计还是令人安心。甚至在仙台和周边地区，几乎没有重大的倒塌是由地震所导致。大量的倒塌是在海啸袭击面对震中的沿海城镇地区时发生
6、的。大部分建筑物在震后屹立不倒的事实归因于日本的结构抗震设计。一百年前，日本的建造技术被欧美舶来的理念所主导。大学里的外国教员们鼓励学生们放弃传统的柔性木结构，而改用砖和石，这些材料用在地震易发国家通常太重太脆。1923年9月1日的关东大地震摧毁了东京的许多部分，造成超过十万人死亡（值得注意的是，那天早晨开张的莱特设计的帝国饭店，却幸免于难）。这个事件被证明是日本结构工程中的一个转折点。从那时起，木、钢和钢筋混凝土成为主导的结构材料。直到1990年代早期，支撑战后日本城市爆炸式增长的结构设计，在大部分情况下，还是基于对建筑物的每层楼板施以静态水平荷载并确保应力和位移都不是太大。对于较大型的建筑
7、物，结构工程师使用计入以前的地震加速度记录的计算机模型来模拟这些结构的动态反应。近二十年来，这个方法得到了基础隔震（base isolation）和减震器技术的补充。顾名思义，基础隔震通过把建筑安置在滚轴或橡胶垫上，试图将整个建筑物从地震输入（地基运动）中隔离出来。由于建筑物相对地面运动，就需要在建筑物周边设置一条沟来适应这种运动。减震装置用以吸收建筑物震动时的一部分能量。这两方面都已经有许多成品可提供。它们通常组合使用。所有这些创新帮助这个国家的建筑经受住了2011年大地震。时光流逝，东京的生活慢慢地提速回到惯常的疯狂节奏。在仙台，这个过程将更长些。但日本建筑物和基础设施的弹性是这个国家大灾
8、后得以恢复的基本的因素。当今世界竞争如此激烈，落后的国家，哪怕只是落后一会儿，也会发现其经济后果会持续数十年。这里评论的东京国际会议中心、Prada青山店和仙台媒体中心，是在任何国家都很难实现的独特结构。它们在日本得以实现并在大地震中泰然自若，是对它们的设计者们的技能和想象力，以及近几十年来日本的结构设计的进步的见证。Prada青山店东京，2003年建筑师：赫佐格 & 德莫隆结构工程师：中井政義（竹中工务店）Alan Burden画的的Prada青山店结构原理。钢结构菱形框架，外面覆材以满足消防和美观要求。该建筑师在亚洲第一个在立面上采用菱形钢结构作为主要结构体系：几乎所有地震荷载和很大比例的
9、竖向荷载由这个轻型钢格栅承受。由于抗震结构环绕着整个建筑，而建筑师希望有一个非常透明的外皮，必须把结构件尺寸减到最小。钢是最合乎情理的材料选择，因为它的强度重量比很高。然而，通过使用基础隔震，由钢构件承受的荷载被减小了。钢框架支承在一个混凝土基础箱体上，而后者又在另一个围绕的混凝土盒体里。内盒体由专门的叠合的钢/橡胶隔离垫支承，并设有铅核作为变形时的减震源。因此，在地震期间，上部结构的水平荷载将比常规体系减少约65%。通过使用基础隔震及非常厚的钢板（用来制作菱形钢格构译注），以及某些地方采用实心铸件，中井成功将格构组件的截面尺寸控制在不超过建筑师规定的150x250毫米。结果得到了出色的建筑。
10、在内外盒之间的最大一米的环绕建筑的沟，被聪明地用一道成角的斜坡遮掩住了，感觉很自然地融入起伏的广场。盖板被设计成在极端地震时要么裂开要么断裂。四月初我路过这个建筑，没有看到任何损坏的迹象。国际会议中心东京，1996年建筑师：拉斐尔维诺里结构工程师：渡边邦夫（Structural Design Group構造設計集團）Alan Burden画的东京国际会议中心的结构原理。国际会议中心由一个透镜形状的大厅主导：这个200米长的巨大的体量，一直到地下室都是开敞的，容纳着一个巨大的公共中庭。这个大厅是个独立的结构，与基地另一侧的各音乐厅互不相连。屋顶不是在跨度较小的方向，而是在长向布置，在两个大钢柱之
11、间跨度超过120米。根据渡边的想法，是要使建筑充满足够的结构纪念性，甚至不惜付出一定程度的结构“理性”的代价。他向建筑师提出这个方案，以替代竞标时的横向跨方案。两根钢柱从地下二层顶板升起超过60米，每根耗用约1000吨钢。它们支承的精细网格屋顶结构也重达2000吨。这些重量加起来可以在某些区域造成超过1g的加速度沉降。用过去的地震记录作为地震动输入（ground input），渡边做了一系列动态分析来检验响应中每一个瞬间的应力和位移。一些应该承受这样的力的钢板要做得非常厚：在钢柱本身，100毫米或以上的厚度非常常见。由于大厅的上部并不上人，设计允许最大不超过高度1/60的位移。连接到屋顶结构的
12、幕墙的玻璃配件也被要求设计成能够承受这么大的运动。媒体中心仙台，2000年建筑师：伊东丰雄结构工程师：佐佐木睦朗Alan Burden画的仙台媒体中心的结构原理。仙台媒体中心设计于90年代中期，全钢结构。四个向上收的管状柱大致位于矩形楼板的每一个角部区域，承载了这个七层建筑的几乎全部的水平荷载。这些管状柱由构成三角形的、刚性的自由形态的格栅结构的钢管组成。伊东还设置了九个不加支撑的管状柱用于容纳服务设施，它们打断了楼板，只承受竖向荷载。在抗震方面，佐佐木的创新是在主要的管柱部位引入了一个柔性结构层，置于地面层楼板和地下一层楼板之间。在这个中间层，地面以上的管状柱的那些（斜向）支撑被三层水平梁所取代。因为这个中间层在较大地震时摆动量相对比较大，设想梁会比柱先屈服，因此可以以塑性变形吸收部分地震能量。佐佐木通过沿建筑物全周长在地下室边墙顶和首层楼板之间留一道沟，来适应这种首层楼板的允许的运动（而垂直荷载，由地下室边墙承受）。这个体系可以被视作基础隔震与减震装置相结合的形式。允许地面层的相对于基础的比较大的运动，如果这些运动达到一定程度，基础管梁的钢会屈服，把地震的能量转化为钢的内部变形产生的热。而如果这些运动由非常强的地震所产生，那么可以预期这些梁会发生一些破坏，需要替换或修理。如今，对媒体中心初步的检查表明在3.11大地震中这些梁只有有限的屈服，不需要替换。
