“鳥巢”和“水立方”的設(shè)計使用年限是100年。

初聞此言，多數(shù)人都會感到不以為然，尤其是北京人。理由很簡單，故宮、天安門城樓，擺在那里多少年了，那是什么結(jié)構(gòu)?磚石、木頭!如今投資幾十億的項目，又是鋼結(jié)構(gòu)又是混凝土的，怎么才保證100年呢?

殊不知，按照建筑行業(yè)的理解，設(shè)計使用年限指的是建筑物保持結(jié)構(gòu)、功能完好的時間，其間即便遭遇設(shè)計抗震烈度范圍內(nèi)的地震、雷擊等自然災(zāi)害，結(jié)構(gòu)、功能依然不變?！傍B巢”和“水立方”的設(shè)計使用年限是100年，設(shè)計抗震烈度都達(dá)到了8級，如此穩(wěn)固的建筑，在中國乃至整個亞洲都是絕無僅有的。

抗震技術(shù)從“硬”到“軟”

仔細(xì)觀察一下我國上世紀(jì)五十年代的蘇式建筑，不難發(fā)現(xiàn)，不少房子的墻壁、樓板都很厚，柱、粱等也比較粗大、墩實。這是因為1966年以前，我國建筑的結(jié)構(gòu)形式主要是砌體、混凝土框架、木結(jié)構(gòu)等，參照前蘇聯(lián)的經(jīng)驗，采用的是傳統(tǒng)的抗震技術(shù)。傳統(tǒng)的抗震技術(shù)是“硬抗”，即通過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、加大構(gòu)件斷面、多配筋等途徑來提高抗震性能。核心理念就是把房子建得結(jié)實一些，以此來抵抗地震的沖擊力。這種設(shè)計，結(jié)構(gòu)處于被動承受地震作用的地位，是一種消極的方法。

當(dāng)然，隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，隨著新材料和新的建筑結(jié)構(gòu)形式的出現(xiàn)，“硬抗”也不再是簡單的給建筑物“增肥”或“加粗”，更多的是在建筑結(jié)構(gòu)的布置和結(jié)構(gòu)選型、加強(qiáng)房屋的整體性和改善連接技術(shù)等方面下功夫。

在建筑布置方面，盡量選擇規(guī)則、均勻和對稱的形式。在房屋的整體性和構(gòu)件連接方面，通常的措施有：在砌體里設(shè)置構(gòu)造柱、圈梁等-在磚墻里增加拉接鋼筋；鋼結(jié)構(gòu)里設(shè)置支撐、抗震墻等。在結(jié)構(gòu)選型方面，低層或多層的建筑一般采用砌體或磚混結(jié)構(gòu)，高層則多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)或二者以不同方式結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)。我國高層建筑中常采用的結(jié)構(gòu)體系在框架、框架一剪力墻、剪力墻和筒體等幾種體系，這也是其它國家高層建筑采用的主要體系。鋼結(jié)構(gòu)同混凝土結(jié)構(gòu)相比，具有優(yōu)越的強(qiáng)度、韌性和延性，總體上看抗震性能要好得多。震害調(diào)查表明，鋼結(jié)構(gòu)較少出現(xiàn)倒塌破壞情況。因此，“鳥巢”和“水立方”作為大跨度的建筑，都選用了鋼結(jié)構(gòu)。一般10層以上選用鋼筋混凝土框架一剪力墻結(jié)構(gòu)。超高層建筑會采用框架一核心筒結(jié)構(gòu)，或筒中筒結(jié)構(gòu)等。

隨著社會發(fā)展，對建筑物提出了比以往更為嚴(yán)格的抗震安全性和適用性要求，為此，各國地震工程學(xué)者不斷探索新的防震技術(shù)，發(fā)展了一種積極抗震方法，即“軟抗”，就是以結(jié)構(gòu)隔震、減震、制震為特點的結(jié)構(gòu)振動控制方法。

1881年，日本首先提出基礎(chǔ)隔震概念。1921年，東京帝國飯店首次采用隔震技術(shù)，把樁基落在地基上部的軟泥層上以形成房屋下部的柔軟隔震層。在1923年東京大地震中，東京帝國飯店免遭破壞，自此，隔震技術(shù)受到世人更廣泛的關(guān)注，20世紀(jì)70年代以來得到較快發(fā)展。我國目前有三百余幢房屋采用了隔震技術(shù)。

隔震技術(shù)是在建筑物底部與基礎(chǔ)之間設(shè)置一層具有足夠可靠性的“隔離層”，將地震動與結(jié)構(gòu)隔開，減弱或改變地震動對結(jié)構(gòu)的動力作用，使建筑物在地震作用下只產(chǎn)生很小的振動，這種振動不致造成結(jié)構(gòu)或設(shè)施的破壞。這種方法徹底改變了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中“強(qiáng)化”結(jié)構(gòu)的抗震方法，采用的是“軟化”結(jié)構(gòu)的方法，效果明顯，安全可靠，適用于不同烈度和抗震要求的結(jié)構(gòu)物和設(shè)備。

結(jié)構(gòu)消能減震和阻尼減震體系是把結(jié)構(gòu)的某些非承重構(gòu)件設(shè)計成消能部件，或在結(jié)構(gòu)物的某些部位(如節(jié)點和連接處)裝設(shè)阻尼器，發(fā)生地震時，阻尼器大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震中不發(fā)生破壞，不產(chǎn)生過大變形。傳統(tǒng)抗震則是把結(jié)構(gòu)本身及主要承重件作為“消能”構(gòu)件，一旦發(fā)生地震時，主體結(jié)構(gòu)損壞非常大。而且，與傳統(tǒng)抗震相比，結(jié)構(gòu)消能減震可將地震反應(yīng)減小40％～60％。因此，結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)是一種非常安全可靠的抗震技術(shù)。

“軟抗”是一種全新的抗震手段，它以柔克剛，通過“柔性消能”的途徑來減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，通過對結(jié)構(gòu)施加控制裝置(系統(tǒng))，由控制裝置與結(jié)構(gòu)共同承受地震作用。這是積極主動的抗震對策，是抗震對策的重大突破和發(fā)展，也是未來抗震技術(shù)發(fā)展的重點所在。

三大標(biāo)志建筑抗震全仗自身“硬”

“鳥巢”是目前世界上橫跨最長的體育場，“水立方”，長寬各177米，游泳館沒使用一根鋼索、混凝土圓柱或建筑橫粱。這樣大跨度的建筑物，抗震難度無疑非常大，采用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)幾乎不可能。因此，“鳥巢”、“水立方”和五棵松體育館的設(shè)計者在結(jié)構(gòu)選型上都選擇了鋼結(jié)構(gòu)，因為鋼結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的強(qiáng)度，韌性和延性，抗震性能好。

雖然前面列舉了“軟抗”的諸多優(yōu)點，但在這三大標(biāo)志性奧運場館的建設(shè)中卻都沒有采用。原因是“軟抗”的一些條件無法滿足，比如，隔震設(shè)施每隔三五十年更換一次隔震墊，需要把建筑物整體或局部“抬起來”，而體育場館面積特大、重量超常，怎么抬起來換墊?

因此，三大場館在抗震方面都是采用了傳統(tǒng)的“硬抗”技術(shù)。

首先是加強(qiáng)建筑物自身的強(qiáng)度?！傍B巢”所用鋼材強(qiáng)度是普通鋼的兩倍，是由我國自主創(chuàng)新研發(fā)的特種鋼材，集剛強(qiáng)、柔韌于一體，從而保證了“鳥巢”在承受最大460兆帕的外力后，依然可以恢復(fù)到原有形狀，也就是說能抵抗當(dāng)年唐山大地震那樣的地震波。托起“鳥巢”最關(guān)鍵的是“肩部”結(jié)構(gòu)，這-部分所用的鋼材——“Q460”鋼板厚度達(dá)到110毫米，具有良好的抗震性，抗低溫性和可焊性等特點。為滿足抗震要求，鋼構(gòu)件的節(jié)點部位還特別作了加厚處理，桿件的聯(lián)結(jié)方式一律為焊接，以增加結(jié)構(gòu)整體的剛度和強(qiáng)度。

“鳥巢”凌空的屋頂氣勢不凡，支撐它的24根巨大鋼柱腳更是壯觀雄偉。為保證建造在8度抗震設(shè)防的高烈度地震區(qū)的“鳥巢”能站穩(wěn)腳跟，科研設(shè)計人員克服“鳥巢”柱腳集合尺寸大且構(gòu)造復(fù)雜、我國現(xiàn)行規(guī)范的計算假定與設(shè)計方法難以適用等情況，為這些鋼柱腳增加了底座和鉚釘，將柱腳牢牢鉚在了混凝土中。柱腳下的承臺厚度高達(dá)4～6米，24根巨大鋼柱分別與24個巨大的鋼筋混凝土墩子牢固地連在一起，共同擎起巨大的“鳥巢”。

與“高大健壯”的“鳥巢”相比，晶瑩剔透的“水立方”，看起來似乎有點柔弱，人們不禁會問，它結(jié)實嗎?能抵抗8級烈度地震嗎?

其實，“水立方”是典型的外柔內(nèi)剛。外部只看到充氣薄膜，好像弱不禁風(fēng)，而支撐這些薄膜的是堅實的鋼結(jié)構(gòu)，里面觀眾看臺和室內(nèi)建筑物為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)?！八⒎健钡膲Ρ诤吞旎ò逵?.2萬個承重節(jié)點連接起來的網(wǎng)狀鋼管組成，這些節(jié)點均勻地分擔(dān)著建筑物的重量，使其堅固得足以經(jīng)受住北京最強(qiáng)的地震。“水立方”的地下部分是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在澆筑混凝土的時候，在每根鋼柱的位置都設(shè)置了預(yù)埋件(上部為鋼塊)，鋼結(jié)構(gòu)的鋼柱與這些預(yù)埋件牢固的焊接在一起，就這樣，地上部分的鋼結(jié)構(gòu)與地下部分的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形成一個牢固的整體。正是靠著優(yōu)越的結(jié)構(gòu)形式和良好的整體性，“水立方”才擁有了“過硬的身體”，達(dá)到了抗震8級烈度的標(biāo)準(zhǔn)。

五棵松體育館采用的也是傳統(tǒng)的“硬抗”技術(shù)。據(jù)北京市建筑設(shè)計研究院參與設(shè)計的工程師介紹，五棵松體育館首輪設(shè)計方案結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，屬復(fù)雜超限高層建筑，抗震設(shè)計難度很大。后進(jìn)行了較大的調(diào)整，主要是對場館進(jìn)行了“瘦身”，調(diào)整后的結(jié)構(gòu)體系與首輪初步設(shè)計相比，其復(fù)雜程度已大大降低，結(jié)構(gòu)體系更趨合理，已不再屬于復(fù)雜超限高層建筑，防震也相對好做一些。

設(shè)計中按多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震三個水準(zhǔn)分別進(jìn)行了驗算，保證關(guān)鍵部位的構(gòu)件(周邊20根鋼柱、看臺挑梁、側(cè)向鋼支撐和屋頂?shù)?在設(shè)防地震作用下處于彈性狀態(tài)，罕遇地震作用下滿足變形要求的設(shè)防目標(biāo)。對主要承重柱的配筋構(gòu)造參照特一級的要求予以加強(qiáng)。

比賽館主體結(jié)構(gòu)在二層以下采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架一剪力墻結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性和抗震性能。在二層以上至屋頂桁架的下弦這一高度范圍內(nèi)沿建筑周邊布置柱間支撐(如圖所示)，通過支撐加強(qiáng)柱子之間的連接，形成現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架——剪力墻——鋼支撐結(jié)構(gòu)體系。

奧運場館改造剛?cè)峒鏉?jì)

2008年奧運會北京32個比賽場館中，現(xiàn)有場館改擴(kuò)建13個。此外，還要改造59個訓(xùn)練場館，同時配套建設(shè)殘奧會專用設(shè)施。北京被歷代帝王視為風(fēng)水宅地，實際上這塊土地處于8度抗震設(shè)防的高烈度地震區(qū)。但由于歷史原因，現(xiàn)有場館大多數(shù)無抗震設(shè)防，防火標(biāo)準(zhǔn)很低。為了確保這些場館正常使用和抗震、防火安全，在對場館進(jìn)行改造以滿足奧運會功能要求的同時，還需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固和防火改造。

中國建筑科學(xué)研究院工程抗震研究所王亞勇教授介紹說，奧運場館除了奧運比賽的功能要求外，平時還用于民眾的體育健身活動場地，在發(fā)生地震災(zāi)害時，還可作為民眾的避難場所。因此，新奧運場館的抗震設(shè)防要求應(yīng)高于一般的民用建筑，對現(xiàn)有場館進(jìn)行改造，同樣應(yīng)滿足這一要求。對于規(guī)模較大的，或具備緊急救援功能的奧運場館，要求在遭遇高于設(shè)防烈度的地震時，也應(yīng)能夠滿足正常的使用要求。

在現(xiàn)有體育場館加固改造中，“強(qiáng)化”與“軟化”相結(jié)合。一方面“強(qiáng)化”結(jié)構(gòu)，采用粘鋼、碳纖維片和擴(kuò)大截面法，對鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行加固，采用粘鋼板和角鋼對梁、柱節(jié)點加固，對工人體育館三層看臺斜梁采用高強(qiáng)鋼絞線聚合物砂漿面層加固。另一方面“軟化”結(jié)構(gòu)，大量采用消能減震技術(shù)。由于使用需要，工人體育館屋面要增加20噸懸吊荷載，在原有輪輻式懸索屋面結(jié)構(gòu)與新增懸吊承載體系之間設(shè)置粘滯阻尼器，在首都體育館和奧體中心主體育場看臺部分設(shè)置軟鋼阻尼器，達(dá)到大震下抗倒塌要求。

總體而言，奧運三大標(biāo)志性建筑基本上都是采用了傳統(tǒng)的抗震技術(shù)，在結(jié)構(gòu)選型、材料應(yīng)用等方面有一些創(chuàng)新，尤其是“鳥巢”所使用的特種鋼材和“水立方”的空間結(jié)構(gòu)形式，將對未來大型場館建設(shè)起到很大的示范作用。相比之下，奧運場館改造過程中采用的抗震加固技術(shù)，由于其實用性和可操作性極強(qiáng)，會對民用建筑抗震安全起到立竿見影的促進(jìn)作用。

(本文由北京市科學(xué)技術(shù)研究院北京科學(xué)學(xué)研究中心提供)