防灾博览丨当地震来袭，我们的房子还在“硬碰硬”吗？——探秘建筑的“以柔克刚”术

文/四川省地震局 中国地震局成都青藏高原地震研究所

张贤 杨力 胡斌 罗勇

建筑物遭遇 地震倒 塌示意图

当地震突然来袭，你家的房子会如何应对？是咬紧牙关“硬扛”，还是像太极高手一样“以柔克刚”？这个问题的答案，直接关系到千万生命的安危。

地震灾害与建筑抗震的核心命题

2008年，汶川8.0级大地震让近7万人遇难，80%的建筑物倒塌，整座城市沦为废墟。仅仅五年后，同处龙门山断裂带的芦山再遭7.0级地震袭击，超过75%的房屋受损或倒塌。触目惊心的数字背后，是无数家庭的破碎，也揭示了一个残酷现实：如果建筑抗震理念不革新，悲剧或将重演。

这些惨痛教训催生了变革。2018年5月12日汶川地震十周年之际，中国地震科学实验场（China Seismic Experimental Site,CSES）正式启动。这个建设在四川-云南地区的“国字号”自然实验室，就像一个巨大的地震解码器，旨在通过密集的观测网络，揭开大陆强震的奥秘，并为抗震减灾技术提供关键的实验平台。

在中国地震科学实验场的四大研究内容“韧性城乡”研究的最终落脚点，都指向了我们最熟悉的“家”——建筑。在地震中，建筑扮演着双重角色：它本是生命的庇护所，却可能因设计不当，瞬间转变为致命的承灾体。于是，一个核心命题浮出水面：我们能否让建筑像拥有“免疫力”一样，在地震冲击后不仅不倒，还能快速“恢复元气”，维持功能？

这一愿景推动了“建筑抗震韧性”概念的兴起。2020年，我国发布《建筑抗震韧性评价标准》（GB/T 38591-2020），标志着建筑抗震设计正式从保障“生存能力”迈向追求“功能可恢复性”的“韧性时代”。这背后的理念，正是让建筑从静态的“硬扛”防御，转向动态的、可恢复的韧性应对。

那么，建筑是如何一步步获得这种“韧性”的呢？这就要从抗震设计理论一场持续百年的“五次进化”说起。

抗震设计理论的五次进化：从静态防御到动态韧性

静力理论阶段（20世纪初）：“硬抗”时代的朴素探索

核心思想：20世纪初期，日本学者率先提出了抗震设计的雏形理论。他们认为，建筑设计只需将建筑物总重量乘以一个经验性的地震系数，将其转化为静态水平荷载施加于结构上，只要结构的承载力能够承受规范规定的荷载组合值，即认为满足抗震要求。

技术局限：静力理论最大的缺陷在于忽略了结构本身的动力特性——如自振周期、阻尼比等关键参数。这导致理论计算与实际地震破坏现象常常不符：部分按静力理论设计的建筑，能经受比设计荷载大数倍的强烈地震而不倒塌；而另一些建筑却在远小于设计荷载的地震中发生破坏。这种矛盾暴露了静态思维在动态地震作用前的局限性。

形象类比：该阶段的抗震理念如同让一个人站在原地硬扛冲击，强调“硬碰硬”的对抗，却不懂得通过灵活运动来卸力，缺乏对地震动态特性的认知。

反应谱理论阶段（20世纪中期）：“看天吃饭”的动力启蒙

核心思想：随着地震观测数据的积累，学者们逐渐发现，建筑结构在强烈地震作用下会进入弹塑性变形阶段，其刚度和自振特性会发生显著变化，且地震中的往复作用会导致结构产生多次非线性反应。基于此，美国学者提出了反应谱理论，首次采用动力分析方法，建立了与结构自振周期相关的速度、加速度和位移反应谱。设计时，先根据加速度反应谱计算结构地震作用，再按弹性方法计算内力，最后进行截面承载力设计。这一理论突破了静态思维的束缚，将结构动力特性纳入设计体系。

技术局限：反应谱理论的基础是建筑弹性动力反应分析，它能够描述结构在弹性阶段的地震响应，却无法准确预测结构进入弹塑性阶段后的损伤过程和破坏形态。当地震强度超过弹性极限时，该理论的计算精度会大幅下降。

形象类比：从“硬扛”升级为“看天气预报调整策略”，即根据不同的地震“气候”（震级、场地条件）来调整设计参数，但这种“天气预报”仍停留在宏观层面，无法精准到每个建筑的具体“体质”。

动力理论阶段（20世纪后期）：“计算机模拟”的精准革命

核心思想：20世纪70年代后，随着计算机技术的迅猛发展和对结构弹塑性恢复力模型的深入研究，时程分析方法成为结构抗震分析的主流手段。该方法直接向结构模型输入实际强震加速度记录，选择合适的结构恢复力模型，通过数值积分求解动力方程，从而得到结构在大震作用下的弹塑性反应全过程。

技术局限：动力理论虽然在理论上更为精确，但实际应用中面临诸多挑战：地震波的选取需要考虑场地特性和震源机制，具有较强的主观性；计算过程工作量巨大，对计算机性能要求高，导致其难以在常规工程中推广应用。

形象类比：从“天气预报”升级为“虚拟现实地震模拟”，通过计算机构建虚拟地震场景，让建筑在虚拟环境中“经历”地震，从而预测其响应。这种方法如同在实验室中进行地震试验，精度大幅提升，但成本也随之增加。

基于性态的抗震设计阶段（21世纪初）：“量力而行”的性能导向

核心思想：美国学者在20世纪90年代提出了基于性态的抗震设计理论，该理论以建筑结构抗震性能分析为基础，针对不同的抗震设防水准，划分结构的抗震性能。建筑设计者可根据业主的要求，选择合理的性能目标并采取相应抗震措施，使建筑结构在不同水准地震作用下的破坏损失在业主可承受范围内。这一理论不再只关注建筑“是否倒塌”的最低安全线，而是关注不同地震强度下的损伤程度，实现安全与经济的平衡。

技术局限：尽管该理论考虑了不同地震水准的影响，实现了抗震设计的“个性化”，但它主要聚焦于地震发生时的结构性能，并未明确提出震后建筑如何快速修复的方案，缺乏对建筑“灾后恢复力”的考量。

形象类比：进入“量力而行”的时代，建筑抗震设防目标从“确保不死”升级为“确保受伤后能恢复”。如同一个人根据自身身体条件制定运动目标，既能应对日常活动，也能在遭遇意外时减少伤害并逐步康复，但康复的速度和效率尚未成为核心指标。

基于韧性的抗震设计阶段（至今）：“快速恢复”的功能革命

核心思想：21世纪初，美国联邦应急管理局（FEMA）首次提出基于韧性的抗震设计理念，要求建筑在满足性态设计要求的同时，必须考虑震后结构的修复及功能恢复能力。这一理念的核心在于：不仅要保证建筑在地震中不倒，更要确保其在震后能快速恢复关键功能（如医院和生命线工程等），从而维持城市的基本运转。我国于2020年首次发布《建筑抗震韧性评价标准》（GB/T 38591-2020），将抗震韧性纳入建筑设计规范，标志着我国抗震设计理念与国际前沿接轨。这是至今最新的抗震设计理念，已在重大工程中逐渐推广应用。

形象类比：从“受伤后能恢复”升级为“受伤后能快速满血复活”。如同一个运动员不仅要有抗打击能力，还要具备快速恢复体能的“自愈力”，在遭遇冲击后能迅速重返赛场，不影响整体团队的运作。

主要技术

隔震技术：给建筑装上“溜冰鞋”

技术原理：通过给建筑设置隔震支座（如叠层橡胶支座、铅芯橡胶支座、摩擦摆支座等），形成柔性隔震层，使建筑在地震时如同穿上“溜冰鞋”，通过支座的水平滑动来耗散地震能量。

典型案例：2013年芦山地震中，采用叠层橡胶隔震技术的芦山县人民医院新门诊楼表现优异——结构与内部设备完好无损，震后立即作为救援中心投入使用，救治了数千名伤者。与之形成鲜明对比的是，附近两栋未采用隔震技术的医院建筑，结构、墙壁、天花板和医疗设备均遭到严重破坏，丧失了医疗功能。

隔震支座

消能减震：建筑的“减震器”系统

技术原理：在建筑结构中设置消能减震装置（如软钢阻尼器、铅阻尼器、黏滞阻尼器等），如同给建筑装上“减震器”。当地震发生时，这些装置先于主体结构进入耗能状态，减小结构的振动响应，具体可使结构响应降低50%-70%。

典型案例：台北101大楼的“巨型摆锤”（调质阻尼器）是消能减震技术的经典应用。该阻尼器通过摆锤的左右摆动产生与建筑振动方向相反的惯性力，从而降低大楼因地震或强风引起摇摆的幅度和加速度，确保高楼在台风和地震中保持相对稳定。

阻尼器

混合控制装置：精准对抗多维荷载

技术原理：将被动控制（如调谐质量阻尼器TMD）与主动控制（如主动质量调谐阻尼器AMD）相结合，形成混合控制系统，可同时应对地震和强风作用下的结构振动问题。这种技术通过传感器实时监测结构响应，再通过计算机算法控制主动装置产生反力，实现对结构振动的精准调控。

典型案例：2010年建成的广州塔高600米，对长周期地震动和强风作用非常敏感，且由于其椭圆形平面，地震和风荷载下的扭转效应显著。为满足舒适性与安全性要求，广州塔采用了TMD和AMD组成的混合控制系统——由2个水箱组成，相当于1个TMD和2个AMD，通过水的晃动和主动泵送调节，有效控制了结构的振动响应。

智能监测：建筑的“健康管理系统”

技术原理：在建筑结构中安装加速度传感器、应变传感器等监测设备，建立长期结构健康监测系统，如同给建筑戴上“健康手环”。这些传感器实时采集结构的振动数据，通过无线传输至数据中心，利用算法分析结构的动力特性变化，实现对建筑损伤的早期预警和状态评估。

典型案例：甘肃省嘉峪关市酒钢三中1号教学楼安装了隔震结构健康监测系统，采用加速度传感器对教学楼的动力特性进行长期监测。2017年门源地震发生时，该系统成功记录了结构的地震响应数据（如时频分布特征），为研究隔震结构在实际地震中的性能提供了宝贵资料，也为震后结构安全评估提供了科学依据。

从静力理论到基于韧性的抗震设计，人类与地震的对话从未停止。每一次认知的突破，都让我们在面对自然之力时多了一份从容。汶川与芦山等地震带来的伤痛，催生了中国地震科学实验场（CSES）的诞生——这个坐落于川滇交界处的“国家实验室”，正通过“透明地壳”“解剖地震”“韧性城乡”和“智慧服务”四大研究方向，系统推进着抗震科技的革新。

作为“韧性城乡”研究的最终载体，建筑正经历一场从“硬扛”到“以柔克刚”的深刻变革。我们已不再满足于让建筑仅仅“屹立不倒”，更希望它们能像拥有生命般，在地震来袭时化解冲击，在震动过后快速恢复功能。这正是“韧性城乡”理念的核心——让建筑成为城市真正的“免疫系统”。

展望未来，随着新材料、新技术的不断涌现，基于韧性的设计理念将日益完善。建筑将更加智能、更安全，也更具恢复力。我们期待，在科学之光的照耀下，未来的家园能够真正与地震风险共存，让地震不再成为文明之殇，而人类也将在一次次与自然的对话中，建造出更具韧性的未来。

来源丨《防灾博览》2026年4月第2期 总第148期

编辑丨詹碧华

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