宋子雄
摘 要：在国际抗震建筑物工程设计领域，从较低矮坚固结构，到细高弹性结构，再到减震基础等设计思想，以及新型建材的开发应用，取得了很大进步。本文重点提出一种新的抗震理念——“主动破坏式减震法”，由圆柱壳体单元与中心长方体楼房组合的低成本模块式抗震建筑物，包括：基础之上设有砂砾摩擦阻尼层，再其上布置有中心长方体楼房，且两侧堆有多个圆柱壳体单元，它们均由多根多种弹性拉筋相连（包括A拉筋、B拉筋、C拉筋、D、E等N拉筋）；建筑物外侧设有外形限制框架。在火灾、水灾、和日常隔音、节能、环保等方面都采用了一些特殊结构和成果，为人们提供一种低成本、安全、舒适的工作、生活建筑。
关键词：抗震 低成本建筑物 模块式建筑物
中图分类号：TU35 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（c）-0160-02
地震是地球上的一种自然现象，全世界每年发生约100万次地震，对人类造成严重地震灾害的平均每年达到10次以上。其中构造地震占发生地震的90%以上，是造成地震灾害的主要地震，也是房屋建筑及其他工程抗震设计需要重点考虑的地震。设计建造抗震能力更高、成本更低、节能、环保、美观、舒适的建筑物，一直是人们的追求。
1 研究与验证
1.1 管子（堆）的特性
众所周知，管状物体的圆周方向各向同性、整体性好、受力和传力的面积大而均匀（破坏冲击力可以被分散）、结构强度高，弹性强、不宜发生严重的破坏、单位容积的壳体材料较为节省（仅大于球形），且易于制造，成本低。
1.2 车轮
管状物体应用最成功的范例当属车轮，除了橡胶轮胎的弹性和吊挂系统的减震作用外，其圆形外形对减震（减少冲击力）起到了关键的作用。这证明只要滚动速度不太大，圆形物体具有很高的化解冲击力的作用。
1.3 圆筒混料机
圆筒混料机是工业上常用的设备，其内的物料只发生滚动和滑动，而没有巨大的冲击力。
1.4 管堆滚落试验
试验目的：了解管子堆的塌落特点和过程，从中发现有价值的结果和问题，并探索解决方法。
试验用品：香烟若干支，香烟盒两个。
试验方法和过程：反复将香烟若干支堆成房脊形，自动或在外力的作用下，使其塌落。
试验结论与分析：
（1）香烟的长径比为10∶1，在堆高小于0.6倍管子长度时，就不易出现沿管子轴线方向的倾翻（这种倾翻的破坏力很大，是必须彻底防止的），而很容易发生圆周方向的滚动（这种滚动的破坏力很小，是有利于保护内部物体的），这种现象符合力矩力臂的原理。单根管子的重心在管子正中间，管子堆的宏观重心也在堆中间，因此在可预计发生的最大轴线方向位移后（唐山大地震持续时间23s），也不易出现上面的管子的重心移到堆外的情况。因此管子的长径比应足够大，是设计的重要原则。
（2）上部的管子如果沿管子堆外面直接滚落，破坏力也会很大，也必须彻底防止发生这种运动状态。通过静态力学分析：只要附加较小的水平力就可以防止这种运动，可以通过设计低造价的外形限制框架和拉筋来达到要求。
（3）在相邻两根管子的纯间距接近管子直径时，其上的管子的滑落才开始加速，此时的下落高度也小于管子半径，只要有不同种类的多根拉筋，接力控制和减缓这种运动速度，也可以达到减小破坏力的效果。
（4）在光滑刚性平面上，管子堆比较容易滚落，而其上有小量散落的烟丝时，就比较容易堆好，由此启发研究人员又垫了一层毛巾，情况更好了。这说明不大的摩擦阻力或水平外力就可以控制和减慢这种运动速度。结合前人所用的建筑隔震层，想到了砂砾层的摩擦、阻尼、缓冲作用。
（5）堆砌过程中发现，只要有部分相邻管子之间存在很小的缝隙，则管子堆就很容易自动滚落，通过受力分析发现，最外面的管子比较容易出现向外的过剩水平分力，但不会很大。
（6）管子堆虽然很容易发生滚落运动，却比较容易控制和减慢这种运动的速度，如果用这种运动来减缓和消耗超级地震的破坏力，比较容易达到目的，造价也会较低。管子堆其他方向（破坏力较大）的运动也比较容易防止。这比人们印象中坚固的矩形框架楼具有更多的优点。看似松散的管子堆，再散一下也不会出大问题了，看似坚固的矩形框架楼，一旦破坏了就是巨大的灾难。
1.5 小模型試验、局部放大模型试验
通过小模型试验，进一步验证了上述结论，完善了整体建筑物外形的优化，形成了一种低成本模块式抗震建筑物的设计理念。通过局部放大模型试验，进一步完善了各种拉筋和圆柱壳体单元滚轮的设计思想。
2 圆柱壳体单元
具体情况见图1。
3 新思维连接——低成本拉筋思想：
（1）A拉筋的设计思想是，在地震烈度9度以下时，只保持弹性变形和受力，并与多层材料的摩擦阻尼和缓冲作用一起，可大幅度耗损地震能量，从而保证整体建筑在设计允许的弹性范围内运动，而不明显破坏，灾后不需维修或维修费用极低；在地震烈度9度以上时，发生塑性变形，进而断裂，为圆柱壳体单元发生滚动塌落提供空间。
（2）B拉筋的设计思想是，在地震烈度9度以下时，不受力；在地震烈度9度以上或强力爆炸时、A拉筋断裂后，B拉筋在较大的摩擦阻力下开始逐步被拉伸，并较慢地增加拉力，此拉力兜住和限制了上层的圆柱壳体单元，防止其发生剧烈冲击或快速的塌落，当上层的圆柱壳体单元塌落0.2～0.3直径高度时（此范围可调），B拉筋开始发生塑性变形，进而断裂。
（3）C、D、E、n-1、N-1拉筋的设计思想同上。为节省篇幅，按上述设计思想，可设计更多种拉筋，即各种拉筋接力交替，使圆柱壳体单元的缓慢滚动塌落过程持续得到控制。
4 结语
按本文设计建造的圆柱壳体建筑单元及其构成的低成本模块式抗震建筑物（见图2），具有超强的抗震（强力爆破）能力，也具有很强的消防、节能、环保、应对水灾等功能，且降低了建造成本，可为普通民众提供一个新颖安全舒适的生活工作环境，因其独特的外形结构，还有望成为城市的地标性建筑物，能够为目前低迷的房地产行业注入一股新鲜空气。
参考文献
[1]GB5 0011-2010，建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[2]GB5 0009-2012，建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.
[3]GB5 0223-2008，建筑工程抗震设防分类标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.
