邢鴻飛/編譯

自然災(zāi)害機(jī)器助力人類應(yīng)對大災(zāi)難

邢鴻飛/編譯

邁阿密佛羅里達(dá)國際大學(xué)的颶風(fēng)仿真機(jī)“風(fēng)墻”，可以模擬5級颶風(fēng)

過去一年，塔拉·哈欽森（Tara Hutchinson）一直在琢磨：“大地震”來襲時，用薄板鋼梁造的高樓會怎么樣？

為此，她建造了一座六層的塔樓，好比一根石灰綠色的手指矗立在加利福尼亞州圣迭戈郊區(qū)灌木叢生的山上。塔樓內(nèi)有數(shù)百個應(yīng)變儀和加速器，這些機(jī)器很靈敏，能夠監(jiān)測吹向墻面的風(fēng)力級別。如今，哈欽森所需要的，僅僅是一場地震。

在世界的大多數(shù)地方，這都是難題。即使在這里，一條大的地質(zhì)斷層直接穿過市中心。最近一次有記載的地震是在六年前，震中位于墨西哥附近。然而加州大學(xué)圣迭戈分校的結(jié)構(gòu)工程學(xué)教授哈欽森并不需要板塊構(gòu)造。今年夏天，她與世界上最大的地震機(jī)器有一個約定。

該設(shè)備是過去15年所建造的遍布全美的研究網(wǎng)絡(luò)的一部分，該網(wǎng)絡(luò)是為了用更真實(shí)和復(fù)雜的測試促進(jìn)自然災(zāi)害科學(xué)研究。在這個美國國家科學(xué)基金會（NSF）耗資超過2.8億美元的項(xiàng)目中，科學(xué)家可以更好地模擬地球上最具破壞力的一些自然災(zāi)害，比如地震、海嘯和山體滑坡。

此項(xiàng)工作導(dǎo)致了新的建筑標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致了從碼頭到舊式混凝土建筑等建筑的更優(yōu)化的建造或改造方法?？茖W(xué)家已經(jīng)認(rèn)識到：地震如何損壞墻內(nèi)和天花板的管道，如何改善高速公路匝道、鋼制高樓、停車場、木屋和磚墻等方面的抗震。

如今工作范圍還在不斷擴(kuò)大。在另一個耗資6 200萬美元、歷時五年的研究項(xiàng)目中，世界末日機(jī)器的研究范圍擴(kuò)大到模擬颶風(fēng)和龍卷風(fēng)，用計(jì)算機(jī)模型研究難以進(jìn)行物理測試的大事件，如核反應(yīng)堆事故或者整個城市的大自然災(zāi)難。

按比例縮小災(zāi)難實(shí)驗(yàn)

這些自然災(zāi)害實(shí)驗(yàn)室的描述往往極度夸張，人們常用的詞是：最大、最長、最具影響力。除了圣迭戈的研究設(shè)備，早期計(jì)劃和后來的“自然災(zāi)害工程研究基礎(chǔ)設(shè)施”（NHERI）計(jì)劃所資助的項(xiàng)目包括：在俄勒岡州立大學(xué)科瓦里斯分校的波浪水槽，用于研究海嘯，是北美最大的；邁阿密佛羅里達(dá)國際大學(xué)擁有的颶風(fēng)仿真機(jī)，是世界上大學(xué)中規(guī)模最大的；以及加州大學(xué)戴維斯分校的世界上最大的離心機(jī)，用于制作模擬建筑物、巖石和塵土上的壓力的模型，這些數(shù)據(jù)對于評估建筑物經(jīng)受地震和山體滑坡的抗力至關(guān)重要。

在已有的成果上炫耀不是件好事。關(guān)于了解建筑物如何應(yīng)對自然災(zāi)難造成的強(qiáng)大外力這個話題，建筑物的大小往往非常關(guān)鍵。比如，土壤顆粒粘合的方式（是山體滑坡風(fēng)險(xiǎn)中一個重要因素）取決于顆粒承受多大的重量。同理，幾乎無法建造精確的縮小版鋼筋：嵌入混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼柱對建筑的性能至關(guān)重要。在測量作用于建筑物的颶風(fēng)風(fēng)力時也出現(xiàn)類似的困難。

俄勒岡州立大學(xué)科瓦里斯分校的研究人員在人造波水池中進(jìn)行海嘯實(shí)驗(yàn)

佛羅里達(dá)大學(xué)風(fēng)能工程師福瑞斯特·馬斯特斯（Forrest Masters）負(fù)責(zé)學(xué)校在NHERI項(xiàng)目中的工作。福瑞斯特·馬斯特斯表示：“你無法用一棟真實(shí)的建筑，縮小規(guī)模到實(shí)體的十分之一，然后把它放入風(fēng)洞進(jìn)行研究?！盢HERI的工作包括：一臺機(jī)器，能夠使五米高墻經(jīng)受每小時320公里的颶風(fēng)帶來的氣壓；一個風(fēng)洞，它的地面可以調(diào)整，以便研究不同的地形如何影響風(fēng)與結(jié)構(gòu)相互作用的方式。

計(jì)算機(jī)模型也會在精確復(fù)制所有作用力方面存在缺陷，比如橋在地震中扭曲和搖擺產(chǎn)生的作用力。一座橋的不同部位瞬間在不同的方向受到外力作用，它的坍塌方式無法預(yù)料，因此計(jì)算機(jī)模型也難以模擬。2010年，加州大學(xué)圣迭戈分校振動臺請來41組專家對他們的模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)競賽，在七米高的橋墩上放置236噸的混凝土磚塊。加州大學(xué)伯克利分校建筑工程師斯蒂芬·馬欣（Stephen Mahin）參與協(xié)調(diào)此項(xiàng)賽事，他介紹，計(jì)算機(jī)的結(jié)果五花八門。平均起來，他們低估了橋墩搖擺的幅度為25%。馬欣說：“你不能太相信計(jì)算機(jī)的結(jié)果?！?/p>

五月中旬的一天早上，哈欽森在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的最后階段檢查她的建筑物。她發(fā)現(xiàn)一樓房間的墻與金屬屋頂龍骨中間裂開的一些小縫隙。這是一天前她的團(tuán)隊(duì)成員對建筑物進(jìn)行了輕微搖晃造成的。這種情況在建筑物各部分之間如何承載壓力，以及建筑物會在接下來的地震中遭受什么樣的損壞會有所不同。這些在計(jì)算機(jī)模型中無法顯示。

她說：“你不會考慮每一個螺絲釘，看看這些不被人注意的損壞?！?/p>

搖晃、撞擊、滾動

設(shè)計(jì)能模擬八級地震或五級颶風(fēng)沖擊力的機(jī)器并非易事，也價(jià)格不菲?？纯词サ甑恼駝优_就知道需要多少的機(jī)械能。工程學(xué)教授喬爾·康特（Joel Conte）負(fù)責(zé)監(jiān)控振動臺的運(yùn)行，他走進(jìn)一個裝滿了機(jī)器的洞穴狀地下室。一個兩萬升的金屬箱裝著驅(qū)動整個系統(tǒng)的液壓機(jī)液體。兩臺泵在3.4萬千帕的壓力下將那里的液體抽送到50個像街燈電線桿一樣細(xì)長的黑色圓筒中。這樣高的壓力非常關(guān)鍵，它能夠形成足夠的力量瞬間夷平整座大樓。

康特轉(zhuǎn)入一個通道，沿著直徑30厘米的鋼管中液體流動的路線，進(jìn)入了一個由鋼構(gòu)成的像平底船的船體形狀的房間，這里就是震中。頭頂上有一塊5厘米厚、12米長、約8米寬的金屬板，被固定在鋼板下。一端的傳動裝置延伸到混凝土墻，傳動裝置看起來像汽車的減震器，其厚度像一個人的軀干。當(dāng)計(jì)算機(jī)在附近的建筑物中發(fā)出指令，傳動裝置會猛拉，液壓機(jī)液體驅(qū)動傳動裝置來回?cái)[動，夾在中間的金屬板以每秒1.8米的速度在金屬薄片（金屬薄片像鏡子一樣光滑）中滑動。瞧！瞬間地震發(fā)生了。

康特說：“在真實(shí)世界里，你沒法指望它。你不能說，‘哦，我要坐下來，在這棟大樓前等待下一次地震，我要在傳感器方面加大投入?！憧赡艿脼榇说?0年、40年，甚至50年。所以，你要制造一次地震。”

此項(xiàng)結(jié)構(gòu)耗費(fèi)1 000萬美元，振動臺已經(jīng)測試了一個四層的混凝土停車場、一個風(fēng)力渦輪機(jī)和一棟帶有電梯和樓梯的五層混凝土建筑等。這些實(shí)驗(yàn)表明：特殊的管芯可以增加彈性，建筑物能夠在原來的地基上移動，如果沒有另外的鋼筋加固，組裝式的混凝土地面表現(xiàn)不穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)也揭示了木制結(jié)構(gòu)的高層建筑如何坍塌，鋼筋加固如何令老式的磚式建筑更牢固。

康特回到辦公室，開心地點(diǎn)擊那些視頻的“精華之作”。一棟四層高的木制建筑扭曲，然后轟然倒地。一個停車場就像一把搖椅一樣前后搖晃。分區(qū)屏幕顯示兩個相似的房間里放滿了醫(yī)院的病床和醫(yī)療設(shè)備。一個房間是墊式地基建筑，這種地基可以吸收地震帶來的震動；另一個房間則不是。隨著視頻的放映，普通房間的病床在地震來臨瞬間突然前后傾斜然后翻轉(zhuǎn)倒塌。而另一個房間里的病床則幾乎沒有移動。

在目前的測試中，哈欽森希望看到一棟六層樓高、使用輕鋼結(jié)構(gòu)建造的大樓在地震中和地震后的反應(yīng)。她認(rèn)為情況可能尚好，一部分原因是因?yàn)橥瑯痈叨认拢p鋼結(jié)構(gòu)比混凝土輕，在地震中產(chǎn)生的破壞力更小。如今，建筑業(yè)規(guī)范允許這類的結(jié)構(gòu)建筑高度不超過20米。然而投入實(shí)驗(yàn)中的最高建筑也只有兩層。

這一結(jié)構(gòu)是模仿公寓式建筑，用于多級式耐力測試。哈欽森和她的同事們首先需要監(jiān)測幾次模擬地震，包括北嶺和2010年智利8.8級的地震。接著他們會在樓房的部分區(qū)域點(diǎn)火，看看樓房對地震災(zāi)害引發(fā)火災(zāi)的承受能力。之后，他們將模擬余震再次搖晃大樓，搖晃力度加大到大樓最終坍塌。

研究結(jié)果不僅僅是出于學(xué)術(shù)興趣。實(shí)驗(yàn)的贊助者包括：鋼建筑部件的制造商、保險(xiǎn)業(yè)、以及州政府。薩克拉門托加利福尼亞地震安全委員會是為決策者出謀劃策的政府機(jī)構(gòu)。委員會執(zhí)行主席理查德·麥卡錫（Richard McCarthy）表示：“這并不是全方位實(shí)驗(yàn)。”該研究又追加了10萬美金，期待研究的深入有可能改變建筑規(guī)范，要求將來的建筑中使用這些材料。

康特目前正在游說州政府官員增加1 400萬美元，讓機(jī)器能夠進(jìn)行更真實(shí)的實(shí)驗(yàn)。到目前為止，該機(jī)器只能夠一前一后兩個方向移動。新的硬件可以增加機(jī)器的上下、左右及對角線移動，這樣就能做到全方位移動，達(dá)到日本三木市全球最大的振動臺的水準(zhǔn)。

下一個目標(biāo)：混合模擬

科學(xué)家試圖將物理實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)模型相結(jié)合。賓夕法尼亞州伯利恒市利哈伊大學(xué)土木工程師詹姆斯·瑞克爾斯（James Ricles）介紹說，最終的“混合式”模擬可以測試大型結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)以往因?yàn)轶w積過大而無法使用測試設(shè)備。他的實(shí)驗(yàn)室屬于美國國家科學(xué)基金會的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)，用計(jì)算機(jī)模型測試某個結(jié)構(gòu)中容易理解的部分，計(jì)算機(jī)模型無法處理的其它部分則采用物理測試。在以百萬秒為單位測量的反饋回路中，物理實(shí)驗(yàn)中的傳感器向計(jì)算機(jī)模型傳送數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)模型處理數(shù)據(jù)并向進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的機(jī)器發(fā)出新的信號，告訴它們?nèi)绾萎a(chǎn)生接下來的移動。

瑞科爾斯的實(shí)驗(yàn)室模擬地震中高速公路的表現(xiàn)，既用物理實(shí)驗(yàn)監(jiān)測混凝土柱，又測試計(jì)算機(jī)的虛擬橋面模型。他最近采用了同樣的方法來測試某種建筑設(shè)計(jì)，讓鋼結(jié)構(gòu)建筑在地震中前后晃動而不是彎曲倒塌。實(shí)驗(yàn)室里有一棟四層的建筑，其它的實(shí)驗(yàn)部分都在計(jì)算機(jī)的微處理器中完成。

在加州大學(xué)圣迭戈分校進(jìn)行混合實(shí)驗(yàn)的工程學(xué)教授吉爾伯托·莫斯克達(dá)（Gilberto Mosqueda）認(rèn)為，此項(xiàng)工作吸引人的地方就是研究災(zāi)難造成的破壞?！澳憬ㄔ爝@些模型，然后震動它們直到最終搗毀它們?！比欢鴮?shí)驗(yàn)帶來的海量數(shù)據(jù)也為更先進(jìn)的數(shù)值模型打開了通道，有一天數(shù)值模型可以承擔(dān)末日機(jī)器的一些工作。

美國國家科學(xué)基金會早期的項(xiàng)目側(cè)重點(diǎn)在大型的測試平臺，NHERI的項(xiàng)目把更多的基金投入在虛擬實(shí)驗(yàn)中。德克薩斯州立大學(xué)贏得1 370萬美金用于建造數(shù)據(jù)儲存和軟件平臺，來存儲多年實(shí)地測試的數(shù)據(jù)。將來，工程師還能夠在數(shù)據(jù)儲存庫中獲取信息，完善計(jì)算機(jī)模型的精確度。美國國家科學(xué)基金會很快將簽署1 100萬美金的獎項(xiàng)，用于計(jì)算機(jī)建模和模擬中心的投入。

美國國家科學(xué)基金會在弗吉尼亞阿林頓項(xiàng)目的主管、結(jié)構(gòu)學(xué)工程師喬伊·波斯克（Joy Pauschke）說：“我們是否能夠做到：可以為任何事物建模并對此充滿信心嗎？這是一條漫長的路。幸運(yùn)的是，當(dāng)我們在測試并改善模型時，我們開始有更好的能力利用計(jì)算機(jī)建模。”

在2010年的競賽中暴露了建模缺點(diǎn)的伯克利的馬欣，現(xiàn)在也看好計(jì)算機(jī)建模。他預(yù)測，隨著人們在機(jī)器學(xué)習(xí)和云計(jì)算方面的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)建模不僅能夠模擬單純的建筑物，將來還會擴(kuò)大到整個社區(qū)?！疤摂M災(zāi)難”會讓研究人員和政府官員了解大地震、風(fēng)暴等造成的區(qū)域性影響，從而決定如何將損失減小到最低限度。

馬欣說：“我相信，20年后，已經(jīng)可以用非常復(fù)雜的方式為整個城市建模。目前的分析有助于減輕未來自然災(zāi)害的損失，對此我們頗有信心?！?/p>

加州大學(xué)圣迭戈分校，振動臺上一棟建筑在等待接受實(shí)驗(yàn)

［資料來源：Science］［責(zé)任編輯：岳 峰］