來(lái)自蜥蜴的靈感！科學(xué)家設計抗震安全建筑

在自然界的力量面前，人類(lèi)總是顯得非常渺小。地震，作為地球上最常見(jiàn)的自然災害之一，其破壞力常常令人觸目驚心。傳統建筑結構往往難以承受大地震的沖擊，導致頻繁倒塌、嚴重損毀，并造成大量人員傷亡。

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這些悲劇不斷地提醒我們，提高建筑物的抗震性能刻不容緩。接下來(lái)，讓我們一同揭開(kāi)新型抗震建筑的神秘面紗！

蜥蜴啟發(fā)的新型建筑系統設計

2024 年 5 月 15 日，我國科學(xué)家在《自然》雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于受蜥蜴啟發(fā)的建筑系統的文章，這種建筑的問(wèn)世有望規避地震等外界撞擊可能導致的建筑坍塌風(fēng)險，為我們的生命安全筑起一道堅實(shí)的防線(xiàn)！

研究成果發(fā)表于《自然》雜志 圖片來(lái)源：參考文獻 1

在地震發(fā)生時(shí)，地震波會(huì )產(chǎn)生周期性振動(dòng)。這些地震波與建筑物的固有振動(dòng)頻率相接近時(shí)，就會(huì )引發(fā)共振現象，導致建筑物產(chǎn)生更大的振動(dòng)幅度，加劇建筑物的損壞程度。在建筑物設計中，一個(gè)常見(jiàn)的挑戰是如何在建筑發(fā)生初始損壞時(shí)，防止損害進(jìn)一步擴散到整個(gè)結構，從而避免引發(fā)災難性的全面坍塌。因此，在建筑物設計中，關(guān)鍵問(wèn)題是在建筑物受到外部沖擊時(shí)，如何像蜥蜴一樣迅速做出反應，防止損壞進(jìn)一步擴散，并避免更大的破壞。

蜥蜴尾部的軟骨組織中有許多預定的斷裂點(diǎn)，當蜥蜴感到危險時(shí)，它們會(huì )收縮尾部肌肉，使尾巴迅速折斷在這些預定點(diǎn)上。在尾巴折斷后，蜥蜴的身體會(huì )分泌出一種黏液來(lái)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(huì )逃脫。受到這種行為的啟發(fā)，科學(xué)家將提出了“倒塌隔離”概念，并將其應用于新型建筑系統的設計中。

“倒塌隔離”概念的應用

為了防止地震或外界撞擊等情況下，建筑物中損壞部分進(jìn)一步擴散，科學(xué)家們應用“倒塌隔離”概念，通過(guò)控制結構系統的失效層級，以隔離由初始大失效引發(fā)的崩塌。

科學(xué)家在建筑物的關(guān)鍵部位設置了特定的斷裂點(diǎn)結構。當建筑物受到損壞時(shí)，這些部位會(huì )按照預定的方式斷裂，確保特定元素在最關(guān)鍵的組件失效之前先行失效。這樣一來(lái)，整個(gè)建筑會(huì )被隔離成不同的單元，從而增強其抗損性。同時(shí)，新型建筑系統的不同單元之間具有足夠的連通性，可以彼此重新分配荷載，進(jìn)一步隔離崩塌傳播。

基于層級結構的倒塌隔離設計（a、基于分層優(yōu)化的梁柱連接；b、基于層級結構的建筑部分倒塌隔離模擬；c、常規建筑倒塌場(chǎng)景模擬）圖片來(lái)源：參考文獻 1

現場(chǎng)測試與結果驗證

為驗證這種“層級式倒塌隔離”設計在實(shí)際地震發(fā)生中的抗倒塌效果，研究者用混凝土建造了一個(gè)長(cháng) 15 米、寬 12 米的雙層建筑，與現行的樓房標準層高類(lèi)似，雙側建筑的每層高 2.6 米。研究者進(jìn)行了雙重測試，首先驗證了建筑物在受到小范圍沖擊后連鎖結構防止崩塌的能力，接著(zhù)驗證了建筑物的崩塌隔離效果。

在第一輪測試中，研究者去掉了建筑轉角的兩根柱子中的一根，結果發(fā)現，建筑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，基于“層級式倒塌隔離”設計概念制造的建筑成功避免了整個(gè)結構的坍塌，只有沿著(zhù)加載路徑的部分建筑發(fā)生了崩塌。這證明了此種建筑設計可以將崩塌限制在限定區域內。

建筑設計和測試（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(guò)程中的一層連接；c、施工中預制梁放置后的二層連接；d、在第一階段測試中用于準靜態(tài)去除的兩柱裝置；e、角柱拆除采用的三鉸機制）圖片來(lái)源：參考文獻 1

結語(yǔ)

隨著(zhù)科技的飛速發(fā)展，新型抗震建筑技術(shù)應運而生。這些技術(shù)不僅顛覆了傳統建筑的設計理念，更在材料、結構、施工等多個(gè)方面實(shí)現了革命性創(chuàng )新。它們不僅能夠顯著(zhù)減少地震對建筑物的破壞，還能在災難發(fā)生后提供更為安全的避難場(chǎng)所，構筑了守護我們生命安全的重要屏障。相信在不久的將來(lái)，新技術(shù)將廣泛應用于各類(lèi)建筑中，讓我們的城市更加安全、堅固！

參考文獻

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策劃制作

來(lái)源丨科普中國

作者丨石霧遙 生物學(xué)博士

監制丨中國科普博覽

責編丨一諾

審校丨徐來(lái)、林林