防災博覽丨當地震來襲，我們的房子還在“硬碰硬”嗎？——探秘建筑的“以柔克剛”術

文/四川省地震局 中國地震局成都青藏高原地震研究所

張賢 楊力 胡斌 羅勇

建筑物遭遇 地震倒 塌示意圖

當地震突然來襲，你家的房子會如何應對？是咬緊牙關“硬扛”，還是像太極高手一樣“以柔克剛”？這個問題的答案，直接關系到千萬生命的安危。

地震災害與建筑抗震的核心命題

2008年，汶川8.0級大地震讓近7萬人遇難，80%的建筑物倒塌，整座城市淪為廢墟。僅僅五年后，同處龍門山斷裂帶的蘆山再遭7.0級地震襲擊，超過75%的房屋受損或倒塌。觸目驚心的數字背后，是無數家庭的破碎，也揭示了一個殘酷現實：如果建筑抗震理念不革新，悲劇或將重演。

這些慘痛教訓催生了變革。2018年5月12日汶川地震十周年之際，中國地震科學實驗場（China Seismic Experimental Site,CSES）正式啟動。這個建設在四川-云南地區的“國字號”自然實驗室，就像一個巨大的地震解碼器，旨在通過密集的觀測網絡，揭開大陸強震的奧秘，并為抗震減災技術提供關鍵的實驗平臺。

在中國地震科學實驗場的四大研究內容“韌性城鄉”研究的最終落腳點，都指向了我們最熟悉的“家”——建筑。在地震中，建筑扮演著雙重角色：它本是生命的庇護所，卻可能因設計不當，瞬間轉變為致命的承災體。于是，一個核心命題浮出水面：我們能否讓建筑像擁有“免疫力”一樣，在地震沖擊后不僅不倒，還能快速“恢復元氣”，維持功能？

這一愿景推動了“建筑抗震韌性”概念的興起。2020年，我國發布《建筑抗震韌性評價標準》（GB/T 38591-2020），標志著建筑抗震設計正式從保障“生存能力”邁向追求“功能可恢復性”的“韌性時代”。這背后的理念，正是讓建筑從靜態的“硬扛”防御，轉向動態的、可恢復的韌性應對。

那么，建筑是如何一步步獲得這種“韌性”的呢？這就要從抗震設計理論一場持續百年的“五次進化”說起。

抗震設計理論的五次進化：從靜態防御到動態韌性

靜力理論階段（20世紀初）：“硬抗”時代的樸素探索

核心思想：20世紀初期，日本學者率先提出了抗震設計的雛形理論。他們認為，建筑設計只需將建筑物總重量乘以一個經驗性的地震系數，將其轉化為靜態水平荷載施加于結構上，只要結構的承載力能夠承受規范規定的荷載組合值，即認為滿足抗震要求。

技術局限：靜力理論最大的缺陷在于忽略了結構本身的動力特性——如自振周期、阻尼比等關鍵參數。這導致理論計算與實際地震破壞現象常常不符：部分按靜力理論設計的建筑，能經受比設計荷載大數倍的強烈地震而不倒塌；而另一些建筑卻在遠小于設計荷載的地震中發生破壞。這種矛盾暴露了靜態思維在動態地震作用前的局限性。

形象類比：該階段的抗震理念如同讓一個人站在原地硬扛沖擊，強調“硬碰硬”的對抗，卻不懂得通過靈活運動來卸力，缺乏對地震動態特性的認知。

反應譜理論階段（20世紀中期）：“看天吃飯”的動力啟蒙

核心思想：隨著地震觀測數據的積累，學者們逐漸發現，建筑結構在強烈地震作用下會進入彈塑性變形階段，其剛度和自振特性會發生顯著變化，且地震中的往復作用會導致結構產生多次非線性反應。基于此，美國學者提出了反應譜理論，首次采用動力分析方法，建立了與結構自振周期相關的速度、加速度和位移反應譜。設計時，先根據加速度反應譜計算結構地震作用，再按彈性方法計算內力，最后進行截面承載力設計。這一理論突破了靜態思維的束縛，將結構動力特性納入設計體系。

技術局限：反應譜理論的基礎是建筑彈性動力反應分析，它能夠描述結構在彈性階段的地震響應，卻無法準確預測結構進入彈塑性階段后的損傷過程和破壞形態。當地震強度超過彈性極限時，該理論的計算精度會大幅下降。

形象類比：從“硬扛”升級為“看天氣預報調整策略”，即根據不同的地震“氣候”（震級、場地條件）來調整設計參數，但這種“天氣預報”仍停留在宏觀層面，無法精準到每個建筑的具體“體質”。

動力理論階段（20世紀后期）：“計算機模擬”的精準革命

核心思想：20世紀70年代后，隨著計算機技術的迅猛發展和對結構彈塑性恢復力模型的深入研究，時程分析方法成為結構抗震分析的主流手段。該方法直接向結構模型輸入實際強震加速度記錄，選擇合適的結構恢復力模型，通過數值積分求解動力方程，從而得到結構在大震作用下的彈塑性反應全過程。

技術局限：動力理論雖然在理論上更為精確，但實際應用中面臨諸多挑戰：地震波的選取需要考慮場地特性和震源機制，具有較強的主觀性；計算過程工作量巨大，對計算機性能要求高，導致其難以在常規工程中推廣應用。

形象類比：從“天氣預報”升級為“虛擬現實地震模擬”，通過計算機構建虛擬地震場景，讓建筑在虛擬環境中“經歷”地震，從而預測其響應。這種方法如同在實驗室中進行地震試驗，精度大幅提升，但成本也隨之增加。

基于性態的抗震設計階段（21世紀初）：“量力而行”的性能導向

核心思想：美國學者在20世紀90年代提出了基于性態的抗震設計理論，該理論以建筑結構抗震性能分析為基礎，針對不同的抗震設防水準，劃分結構的抗震性能。建筑設計者可根據業主的要求，選擇合理的性能目標并采取相應抗震措施，使建筑結構在不同水準地震作用下的破壞損失在業主可承受范圍內。這一理論不再只關注建筑“是否倒塌”的最低安全線，而是關注不同地震強度下的損傷程度，實現安全與經濟的平衡。

技術局限：盡管該理論考慮了不同地震水準的影響，實現了抗震設計的“個性化”，但它主要聚焦于地震發生時的結構性能，并未明確提出震后建筑如何快速修復的方案，缺乏對建筑“災后恢復力”的考量。

形象類比：進入“量力而行”的時代，建筑抗震設防目標從“確保不死”升級為“確保受傷后能恢復”。如同一個人根據自身身體條件制定運動目標，既能應對日常活動，也能在遭遇意外時減少傷害并逐步康復，但康復的速度和效率尚未成為核心指標。

基于韌性的抗震設計階段（至今）：“快速恢復”的功能革命

核心思想：21世紀初，美國聯邦應急管理局（FEMA）首次提出基于韌性的抗震設計理念，要求建筑在滿足性態設計要求的同時，必須考慮震后結構的修復及功能恢復能力。這一理念的核心在于：不僅要保證建筑在地震中不倒，更要確保其在震后能快速恢復關鍵功能（如醫院和生命線工程等），從而維持城市的基本運轉。我國于2020年首次發布《建筑抗震韌性評價標準》（GB/T 38591-2020），將抗震韌性納入建筑設計規范，標志著我國抗震設計理念與國際前沿接軌。這是至今最新的抗震設計理念，已在重大工程中逐漸推廣應用。

形象類比：從“受傷后能恢復”升級為“受傷后能快速滿血復活”。如同一個運動員不僅要有抗打擊能力，還要具備快速恢復體能的“自愈力”，在遭遇沖擊后能迅速重返賽場，不影響整體團隊的運作。

主要技術

隔震技術：給建筑裝上“溜冰鞋”

技術原理：通過給建筑設置隔震支座（如疊層橡膠支座、鉛芯橡膠支座、摩擦擺支座等），形成柔性隔震層，使建筑在地震時如同穿上“溜冰鞋”，通過支座的水平滑動來耗散地震能量。

典型案例：2013年蘆山地震中，采用疊層橡膠隔震技術的蘆山縣人民醫院新門診樓表現優異——結構與內部設備完好無損，震后立即作為救援中心投入使用，救治了數千名傷者。與之形成鮮明對比的是，附近兩棟未采用隔震技術的醫院建筑，結構、墻壁、天花板和醫療設備均遭到嚴重破壞，喪失了醫療功能。

隔震支座

消能減震：建筑的“減震器”系統

技術原理：在建筑結構中設置消能減震裝置（如軟鋼阻尼器、鉛阻尼器、黏滯阻尼器等），如同給建筑裝上“減震器”。當地震發生時，這些裝置先于主體結構進入耗能狀態，減小結構的振動響應，具體可使結構響應降低50%-70%。

典型案例：臺北101大樓的“巨型擺錘”（調質阻尼器）是消能減震技術的經典應用。該阻尼器通過擺錘的左右擺動產生與建筑振動方向相反的慣性力，從而降低大樓因地震或強風引起搖擺的幅度和加速度，確保高樓在臺風和地震中保持相對穩定。

阻尼器

混合控制裝置：精準對抗多維荷載

技術原理：將被動控制（如調諧質量阻尼器TMD）與主動控制（如主動質量調諧阻尼器AMD）相結合，形成混合控制系統，可同時應對地震和強風作用下的結構振動問題。這種技術通過傳感器實時監測結構響應，再通過計算機算法控制主動裝置產生反力，實現對結構振動的精準調控。

典型案例：2010年建成的廣州塔高600米，對長周期地震動和強風作用非常敏感，且由于其橢圓形平面，地震和風荷載下的扭轉效應顯著。為滿足舒適性與安全性要求，廣州塔采用了TMD和AMD組成的混合控制系統——由2個水箱組成，相當于1個TMD和2個AMD，通過水的晃動和主動泵送調節，有效控制了結構的振動響應。

智能監測：建筑的“健康管理系統”

技術原理：在建筑結構中安裝加速度傳感器、應變傳感器等監測設備，建立長期結構健康監測系統，如同給建筑戴上“健康手環”。這些傳感器實時采集結構的振動數據，通過無線傳輸至數據中心，利用算法分析結構的動力特性變化，實現對建筑損傷的早期預警和狀態評估。

典型案例：甘肅省嘉峪關市酒鋼三中1號教學樓安裝了隔震結構健康監測系統，采用加速度傳感器對教學樓的動力特性進行長期監測。2017年門源地震發生時，該系統成功記錄了結構的地震響應數據（如時頻分布特征），為研究隔震結構在實際地震中的性能提供了寶貴資料，也為震后結構安全評估提供了科學依據。

從靜力理論到基于韌性的抗震設計，人類與地震的對話從未停止。每一次認知的突破，都讓我們在面對自然之力時多了一份從容。汶川與蘆山等地震帶來的傷痛，催生了中國地震科學實驗場（CSES）的誕生——這個坐落于川滇交界處的“國家實驗室”，正通過“透明地殼”“解剖地震”“韌性城鄉”和“智慧服務”四大研究方向，系統推進著抗震科技的革新。

作為“韌性城鄉”研究的最終載體，建筑正經歷一場從“硬扛”到“以柔克剛”的深刻變革。我們已不再滿足于讓建筑僅僅“屹立不倒”，更希望它們能像擁有生命般，在地震來襲時化解沖擊，在震動過后快速恢復功能。這正是“韌性城鄉”理念的核心——讓建筑成為城市真正的“免疫系統”。

展望未來，隨著新材料、新技術的不斷涌現，基于韌性的設計理念將日益完善。建筑將更加智能、更安全，也更具恢復力。我們期待，在科學之光的照耀下，未來的家園能夠真正與地震風險共存，讓地震不再成為文明之殤，而人類也將在一次次與自然的對話中，建造出更具韌性的未來。

來源丨《防災博覽》2026年4月第2期 總第148期

編輯丨詹碧華

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