地震不殺人,殺人的是劣質工程。現代工程技術的發展已經非常好的減小了地震的危害。某種程度上,抗震不是技術問題,而是態度問題。美國從 1811 年到 2014 年一共只有四千人死於地震。1960 年智利 9.4 級大地震死亡人數小於六千人,2011 年日本 9.0 級大地震死亡人數小於兩萬人。反之,2010 年海地 7.0 級地震造成了十六萬人死亡,1976 年唐山 7.8 級地震的死亡人數超過了二十四萬。
觀點一:「有些地震死人多是因為當地人口多。沒辦法,誰讓他們出生在人口多的地方呢?」
觀點二:「正是因為人口多才更應該認真負責的做好抗震工程。明知道人口多,還不做好抗震工程,這其實就是犯罪。不管人口多人口少,都應該儘量避免讓無辜的人們在地震中死去。」
您覺得哪個觀點更有道理呢?我覺得,對於明事理的人來説,答案是不言而喻的。
問題就是「關於地震的誤解」,有人願意歸因於「人口密度」隨他們的便。
USGS 美國地質調查局的官方網站 Earthquake Facts & Earthquake Fantasy
UNOPS 聯合國項目事務署的官方網站 "Earthquakes don't kill
地震的震級是對數座標,每一級對應的地震能量相差 32 倍。比如 9 級地震的能量是 8 級地震的 32 倍,是 7 級地震的整整 1000 倍。即使是震級只大了 0.1,能量也相差了 1.41 倍,幾乎多了一半,完全不是大多數人想的那樣只差了一點點。(很簡單的數學,1.41 的 10 次方是 32,32 的平方是 1000)
(如果您想了解更多,請猛戳這裏:建築抗震等級、抗震設防烈度、地震震級三者之間有什麼區別和聯繫?)
高震級地震的規模遠遠超乎大多數人的想象,有的大地震甚至會波及全球。1960 年智利 9.4 級大地震發生 22 個小時之後,地震波跨越整個太平洋到達日本,在日本引起的海嘯還造成了接近 200 人的死亡。這也是一個典型的力的傳遞需要時間的例子,地震力從震源智利傳遞到大洋彼岸的日本用了整整 22 個小時。
(如果您想了解更多,請猛戳這裏:力的傳遞有速度嗎?)
地震預測是沒有意義的。就像上面的例子,地震發生 22 小時之後依然在萬里之外造成了傷亡。你知道地震要來又能怎麼樣呢?對待地震只有一個態度:假設明天就有地震,假設下一秒就有地震。假設每一所學校明天都要經受地震的考驗,假設每一個水壩下一秒就要被地震襲擊。簡單的類比,我們要的是防彈衣,我們要的不是猜子彈然後躲子彈。
對於整個社會來説,最危險的時候就是沒有地震的時候。抗震是一個系統工程,需要居安思危,需要枕戈待旦,需要承擔「養兵千日」的代價。雖然,我們希望「用兵一時」的那一天永遠都不要到來,但是,或早或晚總有用到的那一天。如果那一天真的來了,而平時又沒有任何準備,那就只能自食惡果了。
(如果您想了解更多,請猛戳這裏:農村自建房如何合理可靠的進行設計、規範、防震等工作?)
對於抗震工程來説,如果工程師做的足夠好,那麼大家將根本不會意識到工程師的存在。最好的抗震救災就是根本不會有災。永遠不會有什麼「感動 XX」,因為地震來了,一切照常,什麼異常都不會發生。消防站、化工廠?結實的很。學校幼兒園?當然是地震中最安全的地方!必須的!注意,我這裏的工程師是廣義的工程師,包括了所有的測繪、地質、勘察、設計、監理、施工、概預算……也包括相應的政府監督管理部門的工作人員。
(如果您想了解更多,請猛戳這裏:住在高層,發生地震怎麼辦?往哪裏躲?生存的幾率有沒? - 豬小寶的回答)
地震是不可避免的,但是地震帶來的災難是可以避免的。換句話,天災總歸會有,但是人禍完全可以避免。如果真的居安思危,真的杜絕了人禍,地震沒有那麼可怕。
地震帶來的二次災害往往傷害更大,比如煤氣站被震壞導致火災、化工廠被震壞導致有毒物質泄露、核電站被震壞導致核泄漏、醫院被震壞導致無法及時救治傷員、道路被震壞導致消防車救護車無法及時趕到、水壩被震壞導致洪水……比如美國地震中死亡的那四千人有一多半其實是死於地震引起的火災。
為了避免這些次生災害,很重要的一點就是改進所謂的「生命線工程」。比如煤氣、天然氣管道要在關鍵節點換裝柔性接頭,這樣地震的時候只會變形但是不會斷裂。醫院、消防等等應急設施要設置合理的備份,時刻保證萬一地震發生,至少還有 plan B。交通規劃也要注意這一點,要儘量保有各種備份道路、備份橋樑,不能一個地區只有一條通行道路,這條通行道路上只有一座橋樑,萬一這座橋樑被震壞,整個地區的地面交通都癱瘓,地面救援力量就無法及時趕到。
抗震設計是基於概率和統計的設計,不可能百分之一百保證。設防烈度是基於社會經濟條件而人為的設計標準。簡單説,我們就只有這些錢,所以我們只考慮一定程度以下的地震。如果按更高的設防標準,我們根本蓋不起那樣房子。這就好比,你也知道勞斯萊斯安全性能就是好,但是很可惜,真的買不起。萬一小概率事件發生,發生了遠遠大於這個程度的地震,那我們能做的只是儘量減少災難性的垮塌,減少次生災害,只能爭取讓工程結構堅持足夠長的時間讓大家逃生,不能保證工程結構最終不破壞。比如下面照片裏 2011 年日本大地震之後的一個鋼框架,雖然圍護結構破壞嚴重,雖然主體結構變形嚴重,並且基本沒有修好的可能,但是至少它沒有倒,沒有垮塌,住在裏面的人有足夠的時間逃生。在大地震到來的時候,能做到這一點就是成功的。
(如果您想了解更多,請猛戳這裏:我國住宅建築是按使用壽命 50 年來驗收,這一標準是怎麼來的?)
一般來説,高層建築要比低矮的多層建築更安全。不僅僅是因為高層建築的設計施工質量有保證,更重要的原因是建築物的自振週期成比例於建築高度,越高的建築自振週期越長,通常來説,也就越遠離大多數地震的週期。比如下面這張 1972 年尼加拉瓜地震的照片,近處的低矮建築破壞嚴重,有的已經垮塌,但是遠處的高層建築安然無恙。
但是也有例外。比如 1985 年墨西哥城大地震,由於特殊的地震條件,整個墨西哥城其實是坐落在一個淤積盆地上,就像是整個城市修建在一大碗果凍上面,所以地震週期偏向於高週期,直接導致高層建築破壞嚴重,矮房子反而破壞較少。
一個很有效的抗震方法就是基礎隔震。簡單説,就是用橡膠墊把建築物和大地徹底隔開,建築物整個坐落在好多個大橡膠墊上。日本的很多建築物都採用了這種技術,甚至還有在房子屋頂上放置橡膠墊,然後再在上面放另一個小房子的案例。下面照片就是一個實例,每個柱墩之間都是一個大橡膠墊,上面的結構跟大地完全脱開,如果我不告訴你,你是不是還以為這只是些裝飾品?
在抗震設計裏,有時候我們要故意削弱某個地方,就像下面照片裏這樣,鋼樑的端部要故意變窄。這就類似電路中的熔斷保險絲,一旦地震來了,這些部位是最先破壞的,但同時也保護了其它更重要的部位。
(如果您想了解更多,請猛戳這裏:建築抗震規範中的“強柱弱梁”,“強剪弱彎”,“強節點弱構件”思想的根本出發點是什麼?)
為什麼我們知道這些設計方法管用呢?因為在抗震研究中,我們可以全尺寸等比例的模擬地震。比如下面照片中的振動台實驗,完全就是實驗室裏的真實地震。
(如果您想了解更多,請猛戳這裏:【視頻】實驗室裏的模擬地震 以及地震力到底是怎麼算出來的?[Final])
日本科學家和工程師 2009 年還在實驗室裏做過全尺寸等比例的七層樓的模擬地震。
工程師在設計每一棟房子的時候,都會在計算機上讓這個房子的虛擬模型經受地震的考驗。最終的工程設計也部分取決於這些計算機模擬的結果。比如下面就是我之前工作的時候做的一個高層建築。
(如果您想了解更多,請猛戳這裏:若發生強震,央視大樓將如何形變? 以及 有些建築是獨一無二的設計,不像軟件可以模擬測試,也無歷史參考,那要如何保證其安全性?)
工程結構在地震中的響應其實是一個複雜的動力學問題,不僅僅是「結實」與否的問題。即使是同樣「結實」的房子,如果重量不一樣,那結果也是天壤之比。因為地震帶來的是加速度,而我們知道力等於質量乘以加速度。同樣的地震加速度,如果質量不一樣,那地震力自然也就不一樣。所以説,抗震的要旨之一就是要減小工程結構的自重。很多高層建築會採用玻璃幕牆,一方面有美觀的原因,另一方面也是要減輕重量。
但是高層建築如果太輕了也有問題,萬一颱風來了就難辦了。某種程度上,抗震和抗風是天生的矛盾,抗震需要建築越輕越好,而抗風則希望建築越重越好。所以很多高層建築會有質量阻尼器,也就是用額外添加的巨大質量來調節整個建築物的動力性能,比如台北 101 大廈的接近房頂的地方就掛着這麼一個大鐵球。
動力響應還跟速度相關,也就是所謂的阻尼力。有時候,我們會給房子裝上額外的阻尼減震器。其實説白了,跟汽車、摩托車、甚至一些高端自行車的懸掛裏的減震阻尼是一個東西。比如下面照片裏房子上的傾斜安裝的巨大白色圓柱體,也就是阻尼器。看出來了嗎?它其實跟下面照片裏摩托車上的金色前叉是一個東西,只不過個頭大了一些而已。
混凝土結構的抗震性能很大程度上取決於配筋設計。鋼筋的數量、位置、細節都是經過精心設計計算得來的。兩個混凝土房子哪怕外表看上去一樣,如果裏面的鋼筋不一樣,那抗震性能很可能是半斤八兩,一個半斤廢鐵,一個八兩黃金。比如下面照片裏核心筒的鋼筋,很多時候,因為這些位置的鋼筋佈置的如此之多如此之密,我們只能用高流動性的特殊混凝土才能澆築成功。
(如果您想了解更多,請猛戳這裏:裝修公司不聲不響把客廳飄窗下的上翻梁打掉了,求專業人士指點,這房子還能住嗎?會塌嗎? 以及 連梁配筋中,交叉斜筋的作用是什麼? 以及 幾十層的高樓承重柱最底下的部分為什麼不會被壓裂?)
現在還有主動抗震系統的研究,類似於汽車的主動調整懸架。建築物佈置了很多傳感器,每時每刻監控建築物的狀態,一旦地震來了,傳感器立刻把測量的信息傳遞給電腦控制系統,電腦立即做出相應的計算,然後向安裝在建築物相應位置的千斤頂發出信號,千斤頂開始工作,向建築物施加抵消地震作用的力。整個系統飛速運轉,時刻監控時刻調整。
上部結構固然重要,地基基礎同樣重要。有時候,由於特殊的土質條件,地震會引起所謂的「液化」現象。上一秒還是好好的地面,下一秒突然變得像水一樣,喪失了一切承載力,地面上的所有東西都開始下陷。雖然原理不盡相同,但是液化的效果跟沙漠里人人談而色變的流沙破壞力是差不多的。抗震勘察的時候,這一點是需要特別注意的。比如下面照片就是 2011 年新西蘭基督城地震中一輛陷進液化土體的汽車。不僅僅是汽車,有時候整棟樓都會陷進去,再下面的就是 1964 年日本新瀉地震的照片,歪掉的那些房子就是整個陷進了液化土裏。
(如果您想了解更多,請猛戳這裏:您可能感興趣的所有關於房子基礎的問題)
也許你會覺得,「如果沒有地震多好呀」。但事實上,地震是一個不可或缺的甜蜜的負擔。如果地球沒有板殼運動,沒有火山,沒有地震,沒有這些劇烈的地質活動,那地球就是一個死氣沉沉的大石頭球,就像水星和月球,氣候也會跟現在大不相同。這樣的假設下,地球甚至可能無法演化出生命,更不用説文明。