科研人員在為產(chǎn)生裂縫的點(diǎn)位做標(biāo)記。人民日?qǐng)?bào)記者 康 樸攝

聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)密切關(guān)注振動(dòng)臺(tái)上民居模型的抗震性能。人民日?qǐng)?bào)記者 康 樸攝

在河北省三河市燕郊經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)潮白大街1號(hào)，中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)稱“工力所”）科技園區(qū)，由智能建造、建筑結(jié)構(gòu)和工程抗震專家組成的科研團(tuán)隊(duì)正在緊張地進(jìn)行一場(chǎng)“破壞性”實(shí)驗(yàn)。振動(dòng)臺(tái)上，一座3D打印民居模型正經(jīng)歷“生死”考驗(yàn)，來(lái)自浙江大學(xué)、大連理工大學(xué)和工力所的師生密切關(guān)注它的表現(xiàn)。

為啥要做這場(chǎng)實(shí)驗(yàn)？實(shí)驗(yàn)是如何進(jìn)行的？房屋模型表現(xiàn)如何？記者來(lái)到現(xiàn)場(chǎng)探訪。

“測(cè)試目標(biāo)就是把它震壞”

走進(jìn)工力所科技園區(qū)，幾排露出裂痕的廢棄建筑物模型引起記者注意?！斑@些都是我們震壞的?！惫ちλ┦可w登科說(shuō)。

戴好安全帽，趙登科帶記者走進(jìn)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地。

這座3D打印混凝土民居模型，是浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院副教授孫曉燕團(tuán)隊(duì)送來(lái)測(cè)試的。模型原型也是3D打印的，位于河北省故城縣房莊鎮(zhèn)，由孫曉燕團(tuán)隊(duì)建造，建成后成了當(dāng)?shù)匾粋€(gè)“景點(diǎn)”，吸引不少行業(yè)專家和當(dāng)?shù)乩习傩涨叭ァ按蚩ā薄?

打印的房子，結(jié)實(shí)嗎？這是孫曉燕被問(wèn)得最多的一個(gè)問(wèn)題。

結(jié)不結(jié)實(shí)，最關(guān)鍵得看抗震性能。她曾聯(lián)合專注數(shù)字建筑與打印設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)的靈砼科技（杭州）有限公司，用三維數(shù)字模型精確計(jì)算過(guò)，理論上，這座建筑的抗震性能很優(yōu)異。

為進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析和模擬測(cè)算結(jié)果，孫曉燕與多領(lǐng)域多學(xué)科專家研討決定，開(kāi)展振動(dòng)臺(tái)模型實(shí)驗(yàn)。房子搬不來(lái)，根據(jù)工力所振動(dòng)臺(tái)尺寸限制，孫曉燕委托工廠做了5米長(zhǎng)、1米多寬的最大尺寸縮尺比例全屋模型。

此次實(shí)驗(yàn)總共設(shè)定6個(gè)工況，每種工況下要進(jìn)行7次測(cè)試?！皽y(cè)試目標(biāo)就是把它震壞，看看究竟能闖到第幾關(guān)，承受多強(qiáng)的地震?！睂O曉燕笑著說(shuō)。

到第二個(gè)工況時(shí)，還沒(méi)有出現(xiàn)明顯裂痕。

振動(dòng)臺(tái)，是一種能模擬地震發(fā)生的設(shè)備。眼前的這臺(tái)三向六自由度振動(dòng)臺(tái)，既可以水平方向震動(dòng)，也可以產(chǎn)生豎向震動(dòng)，還可以產(chǎn)生不同方式的轉(zhuǎn)動(dòng)，是國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的一套地震模擬設(shè)備，房屋、橋梁、隧道、大壩、管道、輸電線路的抗震測(cè)試它都能干。

一邊跟記者介紹設(shè)備情況，作為現(xiàn)場(chǎng)總指揮的趙登科一邊拿起對(duì)講機(jī)發(fā)出指令：“工況3—1，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。”

“可以測(cè)試?！睂?duì)講機(jī)那頭，中控室工作人員已準(zhǔn)備就緒。

一架無(wú)人機(jī)從地面起飛，飛向房屋模型后方?！八梢杂涗浵路课菡w情況?！睂O曉燕說(shuō)。

“開(kāi)始！”

隨即，耳畔傳來(lái)一陣蜂鳴，振動(dòng)臺(tái)液壓桿劇烈抖動(dòng)——地震來(lái)了。房屋出現(xiàn)輕微晃動(dòng)。

震動(dòng)消失后，幾名科研人員箭步邁上振動(dòng)臺(tái)，目光仔細(xì)掃描房屋模型的每個(gè)角落，對(duì)產(chǎn)生裂痕的地方做下標(biāo)記。

肉眼觀測(cè)只是輔助。布置在模型上的加速度傳感器、位移傳感器、應(yīng)變片和基于視頻識(shí)別的光斑跟蹤技術(shù)，加上房屋兩側(cè)的4臺(tái)超高速攝像機(jī)，可以更精準(zhǔn)捕捉房屋經(jīng)歷模擬地震后發(fā)生的細(xì)微變化。

超高速攝像機(jī)廠商合肥中科君達(dá)視界（以下簡(jiǎn)稱“中科視界”）工作人員祝良應(yīng)告訴記者，普通單反相機(jī)，可以拍攝幀率為120的視頻，也就是每秒鐘成像120個(gè)畫(huà)面?！斑@臺(tái)超高速攝像機(jī)，幀率可以達(dá)到3000，每秒產(chǎn)生6GB的圖像數(shù)據(jù)，房屋的每個(gè)細(xì)微變化都逃不過(guò)它的‘法眼’。”

“對(duì)科研水平和工業(yè)制造能力的檢驗(yàn)”

在現(xiàn)場(chǎng)，看著各方爭(zhēng)相亮出“絕活兒”，記者頗有感觸：支撐這場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的，是多學(xué)科的扎實(shí)科研成果和多領(lǐng)域的成熟技術(shù)裝備。

拿超高速攝像機(jī)來(lái)說(shuō)，它可以觀察到肉眼和普通相機(jī)難以捕捉的畫(huà)面，在工業(yè)生產(chǎn)、航天發(fā)射、汽車碰撞實(shí)驗(yàn)等很多場(chǎng)景都有用武之地。比如在生產(chǎn)車間，機(jī)械臂快速運(yùn)動(dòng)，超高速攝像機(jī)能記錄下每一個(gè)瞬間，從而幫助企業(yè)校準(zhǔn)機(jī)床或改進(jìn)生產(chǎn)工藝。

“接下來(lái)將要發(fā)布的一款新品，可以達(dá)到10萬(wàn)幀/秒，對(duì)標(biāo)國(guó)際領(lǐng)先水平。”中科視界副總經(jīng)理雷秀軍表示，“幀率的大幅度提升，對(duì)處理器和存儲(chǔ)性能提出了極高要求，這些構(gòu)成了公司的技術(shù)‘護(hù)城河’。”

記者觀察到，超高速攝像機(jī)使用的長(zhǎng)焦微距鏡頭，來(lái)自國(guó)產(chǎn)品牌“老蛙”。雷秀軍說(shuō)：“國(guó)外品牌鏡頭在一些焦段有優(yōu)勢(shì)，但國(guó)產(chǎn)鏡頭廠商憑借差異化競(jìng)爭(zhēng)，近年來(lái)技術(shù)上取得長(zhǎng)足進(jìn)步，國(guó)產(chǎn)鏡頭也已進(jìn)入我們的供應(yīng)鏈體系。”

雷秀軍憶及創(chuàng)業(yè)初期，產(chǎn)品剛問(wèn)世，國(guó)內(nèi)客戶為他們提供了寶貴的機(jī)會(huì)，并提出很多建議幫助改進(jìn)產(chǎn)品?！爱a(chǎn)品只有走向市場(chǎng)，在實(shí)際應(yīng)用中才能不斷迭代進(jìn)步，上下游的互相扶持對(duì)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展十分關(guān)鍵”。

再如振動(dòng)臺(tái)，來(lái)自一家專精特新“小巨人”企業(yè)——博科測(cè)試。除了眼前這套振動(dòng)臺(tái)，博科測(cè)試還落地?cái)?shù)個(gè)超大規(guī)模多自由度振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備及振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣系統(tǒng)，包括天津大學(xué)水下地震模擬振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)、北京建筑大學(xué)大型多功能振動(dòng)臺(tái)、河海大學(xué)模擬地震水下振動(dòng)臺(tái)等。

市場(chǎng)認(rèn)可背后是實(shí)打?qū)嵉难邪l(fā)投入。2021年至2023年期間，博科測(cè)試的研發(fā)費(fèi)用由2469.28萬(wàn)元增至3094.56萬(wàn)元，占總營(yíng)收的比重也由6.09%增至6.60%。2024年上半年，公司繼續(xù)加碼研發(fā)，研發(fā)費(fèi)用支出1858.16萬(wàn)元，營(yíng)收占比增至8.67%。

還有承擔(dān)這次實(shí)驗(yàn)的工力所。工作人員劉江濤告訴記者，國(guó)內(nèi)能做模擬地震實(shí)驗(yàn)的單位屈指可數(shù)，“一年下來(lái)，這套振動(dòng)臺(tái)有100多天都不閑著”。

他指向墻邊的一套大型儀器：“不只是抗地震實(shí)驗(yàn)，這不，一家創(chuàng)業(yè)企業(yè)送來(lái)了抗震動(dòng)系統(tǒng)，它可以通過(guò)算法幫助船舶在翻滾的海浪中維持穩(wěn)定，下周它就要上振動(dòng)臺(tái)了。”

記者了解到，工力所是國(guó)內(nèi)唯一以地震工程為主攻方向的研究機(jī)構(gòu)，在強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)及其應(yīng)用、建筑工程抗震、地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃與防治、地震工程試驗(yàn)技術(shù)、地震與工程振動(dòng)測(cè)量技術(shù)等領(lǐng)域成果豐碩。去年，由工力所牽頭研發(fā)的新一代高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用線路長(zhǎng)度超1500公里，并出口應(yīng)用于印尼雅萬(wàn)高鐵。

做這場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，門(mén)檻不低。孫曉燕說(shuō)：“一場(chǎng)高水平科學(xué)實(shí)驗(yàn)，也是對(duì)科研水平和工業(yè)制造能力的檢驗(yàn)。”

“3D打印蓋房子前景廣闊”

隨著實(shí)驗(yàn)深入，地震強(qiáng)度越來(lái)越高，蜂鳴聲也越來(lái)越大，房屋開(kāi)始出現(xiàn)裂痕。

直到第六個(gè)工況，液壓桿搖動(dòng)時(shí)，記者腳下站立的區(qū)域也出現(xiàn)明顯晃動(dòng)，親身感受到地震帶來(lái)的眩暈感。

趙登科告訴記者：“實(shí)驗(yàn)選擇了與民居所在地地震特性接近的唐山波、山東平原波，以及對(duì)民居破壞特征明顯的汶川臥龍波，按照六度、七度、八度和九度地震強(qiáng)度分別加載?！?

地震中，大多數(shù)人員傷亡是由建筑物倒塌引起的。大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院副教授何化南告訴記者，為了保障建筑安全，我國(guó)制定了“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

抗震設(shè)防目標(biāo)是一個(gè)與地域相關(guān)的概念，而非震級(jí)。具體來(lái)說(shuō)，小震指多遇地震，即在50年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，超越該烈度的概率為63%，震后不需修理；中震是指基本烈度的地震，在50年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)超越概率為10%，允許有一定的損壞，但經(jīng)修理后仍能使用；大震是指罕見(jiàn)地震，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，超越概率為2%—3%，其設(shè)防目標(biāo)為防倒塌，保護(hù)生命安全。

經(jīng)過(guò)一天的實(shí)驗(yàn)，房屋模型在六度地震工況下未發(fā)生主體結(jié)構(gòu)損壞；在七度、八度地震工況下雖產(chǎn)生裂縫但并未延伸至結(jié)構(gòu)框架，整體結(jié)構(gòu)完整；在九度地震工況下裂縫貫通但結(jié)構(gòu)主體完整，并未發(fā)生倒塌和嚴(yán)重破壞。

也就是說(shuō)，3D打印民居模型經(jīng)受住了考驗(yàn)。這時(shí)，孫曉燕決定，給模型加配重——看看這種新型民居在極端地震荷載下的結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)是什么，并從中找到抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

工力所研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)房屋原型，為模型設(shè)計(jì)了1噸的配重繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，現(xiàn)有模擬地震所致的裂縫未到達(dá)房屋結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋混凝土框架，抗震性能優(yōu)異。孫曉燕計(jì)劃繼續(xù)研究實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的損傷，并適時(shí)開(kāi)展原型抗震試驗(yàn)，進(jìn)行3D打印混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在孫曉燕眼中，3D打印的混凝土建筑堪稱“變形金剛”。一方面，通過(guò)數(shù)字設(shè)計(jì)、增材制造、預(yù)制裝配，3D打印建筑可以快速精準(zhǔn)建造，還可以適應(yīng)多樣化的建筑外形需求；另一方面，墻體內(nèi)含空腔，嵌合鋼筋框架形成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，抗震性能好，安全耐久。

“在廣大鄉(xiāng)村地區(qū)，自建房多為磚瓦結(jié)構(gòu)，壯勞力也存在短缺，用3D打印技術(shù)蓋房子前景廣闊?！睂O曉燕表示，作為新型建造工藝，3D打印混凝土民居的可靠性需要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步專業(yè)認(rèn)證和實(shí)踐檢驗(yàn)，縮尺模型的良好抗震性能為后續(xù)深入科研和相關(guān)技術(shù)推廣帶來(lái)信心。

（編輯：映雪）