汶川发生巨大地震灾难时的沉重思考.doc

汶川发生巨大地震灾难时的沉重思考作者：陈青来 今年5月12日，我国汶川地区发生里氏8.0级地震，震中许多城镇顷刻间变为恐怖的废墟，几万人被倒塌的房屋伤残和夺去生命。自然界释放的巨大能量造成现代社会巨大的人间灾难，令全中国悲痛，令全世界震惊。作为建筑结构专家，在被惊天大灾震撼、悲痛和无奈的同时，又多了万分愧疚：数万鲜活的生命不是在地震中直接罹难，而是被倒塌的房屋夺命；无数健全的身躯并非直接遭到地震伤害，而是被垮塌的房屋伤残；活下来的人在精神上并不畏惧大自然，而是畏惧建筑的安全不能安睡。当地震发生时，我们的房屋为什么不能给人们提供安全庇护，反而变成灾难的帮凶？按结构抗震理论技术建造的房屋为什么在剧烈地震中如此脆弱？大难已经发生，建筑结构专家在社会层面负有山一般重的责任。极其悲惨的事实似严厉的法官、似无形的鞭子在考问、鞭笞着结构专家们的灵魂。除了以无尽的泪水浸透悲痛的内心，沉重哀悼罹难同胞，爱心捐助失所者度过难关之外，我们这些结构专家还应该做些什么？我们又能做些什么？本文所要做的，是中国汶川发生巨大地震灾难时的沉重思考。一、抗震设防能提供多大的安全保证如果汶川大地震在自己所在的城市发生，我们居住的房屋会不会倒塌？这是每个人都将面临的绝非虚构的问题。地震如果未伤及人类，不过是自然界的地壳运动；如果伤及人类，就是一场灾难。为了减小地震对人类造成的伤害，各国都对建筑的抗震设防等级制定了强制性标准。我国抗震设计规范根据地震对建筑的破坏程度，规定了最低6度、最高9度的抗震设防等级，每高一度，地震作用力依次翻倍。当烈度低于6度时，建筑不会发生破坏；当烈度高于9度时，由于缺乏可靠的近场地震资料和数据，现在尚不具备列入规范的条件，实际上当高于9度时也不适宜建造供人居住的房屋。众所周知，汶川地区的抗震设防等级为7度，而地震烈度最高达到11度，这怎么能够抵抗得住？现在的问题是：人类能不能准确预测地震？抗震设防烈度有多高的准确率？抗震设防能提供多大的安全保证？人类能不能准确预测地震？答案是不能。全世界已发生无数次地震，仅有1975年2月中国辽宁海城地震一例预测准确，但有很高的偶然性，17个月后并未预测到1976年7月发生的震惊世界的唐山大地震。地震长期预报对避免地震灾害几乎没有实际意义，而短期临震预报更是难以决策。即便是科技非常发达的国家如美国和日本，也只能无奈地承受突发地震造成的巨大破坏。抗震设防烈度有多高的准确率？答案是尚不十分确定。人类目前尚做不到准确预测地震，自然做不到准确预测可能发生的地震烈度。根据建筑抗震设计规范GB-50011-2001规定，四川省的汶川、北川、都江堰、什邡、绵竹、理县的抗震设防烈度为7度，而实际发生的地震烈度却高达11度。事实上，近几十年来，很多6度地震区也发生过较大地震甚至特大地震。抗震设防能提供多大的安全保证？问题的答案要稍微复杂一些。规范提出抗震设防为“小震不坏，中震可修，大震不倒”三个水准目标，汶川、北川的抗震设防烈度为7度，第二水准（中震）设计地震基本加速度为0.1g、第三水准（大震）地震加速度为0.22g（g为重力加速度），而汶川、北川地震烈度高达11度，地震最大加速度超过了1g，为当地抗震设计地震加速度的数倍。地震加速度直接产生地震破坏力，要求房屋抵抗超过自身抗震能力数倍的地震破坏力是不现实的，汶川地震中大量房屋倒塌实际难以避免。当然，如果实际地震烈度未超过抗震设防烈度，房屋会遭到一定程度损坏，但通常不会倒塌，抗震设防能够保全人的生命，但并不能保全人的财产。可以预见的是，灾难过后，我国的抗震设防标准非常需要重新制定。二、提高学校、医院等公共设施的抗震设防等级合乎国情民意。汶川地震最沉痛的悲剧是学校、医院的大批垮塌，学生、病人伤亡惨重。培养民族下一代的神圣校园在地震中变成令人心碎之地，大灾之际亟需救死扶伤的医院却彻底丧失了功能。那么，即便我们接受这次大灾教训从此确保设计施工质量，杜绝问题建筑，是不是就能确保学校、医院建筑的安全？在这方面，有没有更深层次的问题需要反思？在地震频繁发生的日本，其建筑理念是“所有房子可倒，学校的房子不能倒”，学校是第一避难所是日本社会的共识。在美国，学校和医院建筑设计和施工比一般建筑严格得多，有权设计住宅、商场、办公楼等工业与民用建筑的执业结构设计工程师，没有专门的执照也不允许设计学校和医院。这些发达国家对学校、医院建筑在设计标准和设计规范方面有多重规定，使学校在灾难发生时变为市民的安全避难场所。当道路被阻断时，学校的操场往往成为稀缺的救援飞机起降场地。大灾发生后，我国政府迅速制定并原则通过了汶川地震灾后恢复重建条例，条例要求灾后恢复重建时对学校、医院等公用设施的抗震设防提出特殊要求。条例体现了以人为本，符合国情民意，极大宽慰了受灾群众的心。需要慎重研究的是，灾后重建对学校、医院等公用设施的抗震设防等级提高到多少？提高后能否保证遭遇地震时不会倒塌？灾区重建的学校、医院等公共设施的抗震设防等级提高了，全国范围的学校、医院等公共设施的抗震设防等级要不要提高？如何提高？对于新建建筑，提高抗震等级所增加造价：从6度提高到7度，增加造价3%8%；从7度提高到8度，增加造价8%15%；从8度提高到9度，增加造价15%40%；这显然不是个小数目。如果将全国范围已经建好的学校、医院等公共设施的抗震设防等级提高一度，必须进行加固改造，而加固改造耗资将是新建建筑增资的35倍，全国算下来耗资巨大。耗资巨大的问题不容忽略，但为了提高抗震等级进行加固改造，是否能够达到预期效果是更敏感的问题。对已有建筑加固改造需要破皮动骨，但很难做到对所有结构构件均衡补强，稍有不慎，加固极易加大构件之间的强度差或刚度差，对耗散瞬间冲击力反倒不利。重大决策事关全国，权衡利弊，宜慎之又慎。三、变“抗震”为“减震”将是大灾之后建筑观念的革命对汶川巨大地震灾难的灾后评估，恐怕无法回避对建筑抗震思路的质疑。面对巨大的地震灾难，深刻反思我国现行的“抗震”基本思路，自然产生深深的困惑：当遭遇自然界巨大的破坏力时，建筑应当去“硬抗”还是应当去“回避”？对于能把一座大山劈裂的巨大的地震破坏能量，什么样的建筑能够抗得住？建筑“抗震”是国家的既定国策，主要为建筑物的抗震设防、地震发生前的预防和地震发生后的减灾做出法律规定。关于抗震设计“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准目标的可行性值得质疑。例如，第二水准“中震可修”，钢筋混凝土的房屋遭遇中震加以修复后的实际可靠度不知如何判定，无法保证能否经受下次地震的考验；再如第三水准“大震不倒”，即便世界最发达国家也不能保证建筑经受罕遇地震时不倒，汶川地震更能说明问题。日本的建筑科学理论和技术非常先进，建筑施工管理非常严格，笔者在20年前访问日本时，就对日本精美的建筑质量留下非常深刻的印象。即便如此，1995年的坂神大地震，日本的建筑也是垮塌得一片狼藉。台湾的科学技术非常发达，建筑抗震设计与施工质量总体上优于大陆各省市，但1999年台中发生大地震，美丽的城市也在瞬间沦为废墟。无数惨重的地震灾难证明，与大自然硬抗不是发展方向。建筑“抗震”如果不是发展方向，那么，更好的方向在哪里？笔者的答案是，更好的方向是建筑“减震”。建筑“减震”主要包括“隔震、制震、消能”三大类技术，其中隔震技术的研究位于国际地震工程研究领域的前沿，特别适合我国普遍的钢筋混凝土建筑。建筑采用隔震后，地震峰值加速度仅为抗震的1/3至1/2，表明能减轻大半地震破坏力；隔震后的卓越速度（可产生最大地震破坏能量的速度）仅为抗震的1/8左右，表明能将地震破坏能量减少三倍。日本坂神地震发生后，笔者在关注震后动态时发现日本在上世纪80年代开始研究的建筑隔震技术，在震后出现暴发性普及。坂神地震前十几年时间全日本采用隔震技术的建筑仅有84座，而坂神地震后在两年间便猛增了一千多座，现在已达数千座。日本对已建建筑大量进行隔震改造，对新建建筑更是首先考虑采用隔震技术。这一切说明了隔震技术非常有效。如果我们充分利用汶川地震灾后重建的历史机遇，变建筑抗震为建筑减震，变建筑抗震国策为抗震、减震双策并举，将在我国大灾之后引发建筑观念的革命。四、我们自主研发的减震技术确能保证建筑的安全在世纪交接之际，笔者注意到太平洋板块与欧亚板块的挤压碰撞，使位于板块界面区域的日本、台湾、印度尼西亚频发破坏性地震。板块之间的挤压势必影响板块内部的断裂带并逐渐积聚变形能量，当能量积聚到一定限度时，在我国内陆将会爆发强烈地震。作为建筑结构专家，当观察到全球进入又一次大规模地震活跃期时，对我国是否受其影响也将进入一个新的地震活跃周期产生警觉。工科专家需要未雨绸缪，在技术研究方面先行一步，于是，笔者将主要精力投入到能确实避免地震灾害的建筑隔震技术的研究之中。我国在1989年已将橡胶隔震新技术列入当年颁布的抗震设计规范，由于在这期间我国没有发生产生大规模破坏的地震，橡胶支座隔震技术在建筑结构工程界影响甚微。考虑到隔震技术的多样化将能促进技术竞争和发展，能够扩大市场的选择空间，笔者把研究目标定在高负荷耐久性金属隔震技术方面，并于五年前启动了科技部批准的国家科研院所技术开发研究专项资金项目建筑隔震实用技术及耐久性设备研究开发。现在，我们的研究项目已取得圆满成功。项目在国际一流水平的大型地震模拟振动台上，采用七种地震波，分别进行了7度、8度、9度以及超10度各级地震加速度的大规模抗震、隔震对比试验，取得了目前国内最为完整、精确的数万条数据曲线。经对隔震与抗震试验数据的对比分析，证明了隔震可非常肯定地将地震作用力降至40%以下，将地震破坏能量降至20%以下，甚至超10度（地震加速度为1g）的隔震效果好于8度抗震，完全可以实实在在地提高建筑的安全度。相对于橡胶隔震技术，笔者研究的高负荷耐久性金属隔震支座具有更高的承载力、更长的寿命和更低的成本。由于高负荷耐久性金属隔震支座具有非常可靠的自复位功能，因此特别能够耐受大震之后的余震。汶川大地震发生后的二十天内就发生了近两百次4级以上的余震，因金属隔震支座不会在工作时造成内伤，所以无论发生多少次余震，过后都能准确复位，完好如初。五、推广减震技术能切实解决灾后重建的疑难问题巨大地震灾难发生后，人们由于不知道比抗震技术更加先进的减震技术已经研究成功，对房屋安全产生的困惑普遍表现出听天由命的无奈。解决房屋的安全问题要靠什么？要靠先进的科学技术。汶川地震灾难使所有人都清楚，当地震发生时房屋都会晃动，无一能够幸免。那么，只有将剧烈晃动变为轻微晃动，才能避免房屋遭到破坏。而采用隔震技术，能将可能导致房屋倒塌的剧烈晃动变为不会造成房屋损坏的轻微晃动。抗震设防的房屋，当遭遇地震烈度未超过地震设防烈度时，可以保全人的生命，但通常不能保全人的财产（房屋虽未倒塌但已破坏不能继续使用）。而采用隔震技术，既可以保全人的生命，也能够保全人的财产。抗震设防的房屋，当遭遇地震烈度超过地震设防烈度时，在最初数秒内地震加速度猛然产生的巨大冲击力或随后积累的破坏能量，极有可能摧垮低度抗震设防的建筑，倒塌的房屋很可能夺去人的生命或伤残人的身体。而采用隔震技术，既便遭遇地震高于设防烈度，由于可将地震破坏力降至40%以下，将地震破坏能量降至15%左右，可以保证房屋不倒或不受损坏，从而确保人的生命安全。于是，解决前面提到的灾后重建遇到的疑难问题，我们有了切实可行的解决方案，就是采用先进的隔震技术。我国正处在一个特殊历史发展时期，大规模基本建设举世瞩目，每年的建筑竣工面积超过全世界发达国家的总和，具备在大批新建建筑中普遍使用隔