为什么大多数国家没有足够的抗震建筑

在土耳其加济安泰普，一座以拜占庭式城堡和古堡闻名的城市，在一片破碎的门框、窗户碎片和混凝土柱的废墟中，社交媒体用户分享了上个月一座特别坚固的建筑的照片。在社交媒体上流传的幸存建筑是一座坚固的办公室，尽管经历了两次里氏 7.8 级和 7.7 级的地震，它似乎连玻璃都没有碎裂。

该建筑由土耳其工程师和建筑师协会设计，该协会多年来一直警告国家政府和地方官员，地震不会造成人员死亡，但建筑质量差的建筑物会造成人员死亡。他们的警告被证明是有先见之明的。2 月 6 日的地震及其余震导致土耳其和叙利亚 16 万多栋建筑物倒塌或严重受损。其中许多建筑物是公寓，大部分人口都住在那里，导致 4 万多人死亡。

一些建筑物被摧毁，而其他建筑物完好无损，这引起了人们对这两个国家抗震建筑和建筑规范重要性的关注。 《大众科学》采访了研究建筑物如何抗震的结构工程师，以了解是什么让某些设计更能挽救生命。

如何设计抗震建筑

马萨诸塞州东北大学研究建筑物抗震能力模型的工程学教授梅尔达德·萨萨尼 (Mehrdad Sasani) 说，建造一座能够抵御地震的建筑物时，最重要的因素是使其坚固且可变形，这意味着它不仅要坚固，而且可以随着地面弯曲和摇摆而不会倒塌。

从细节层面来看，这意味着用混凝土、石头、砖块和类似材料建造的建筑物需要钢筋来增强其强度。而为了使建筑物能够变形，工程师需要精心设计和建造建筑物的梁和柱，并以特定的方式放置钢筋。这种策略称为抗震细节设计，它侧重于建筑物在严重震动中会受到更多影响的区域。金属杆有多个接头，有助于稳定柱子，同时也允许它们摆动和吸收压力。在完工后，金属杆会消失在柱子和梁内，通常隐藏在公寓的墙壁后面。

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不过，在建造支柱和添加稳定器之前，工程师必须考虑许多因素，包括建筑物下方的地面。他们根据地震的强度来设计建筑物，而不是根据特定的震级或里氏震级。“地震越剧烈，破坏力就越大。这与震级没有直接关系，但震级肯定会影响它，”萨萨尼说。

“关键在于，当地面开始震动时，建筑物就会开始移动。如果这种移动超出了建筑物的承受能力，它们就会倒塌。而这种震动正是我们设计时所考虑的。”

当建筑规范拯救生命时

工程只是让住宅在地震中更安全的挑战的一半。加济安泰普地震造成如此致命的一大原因可能是一些开发商没有遵守土耳其的建筑规范，而萨萨尼说这些规范已经足够了。BBC 审查了三栋 2019 年竣工的公寓楼，这些公寓楼大概符合土耳其规范，但在灾难中仍然倒塌了。土耳其工程师协会伊斯坦布尔负责人佩林·皮纳尔·吉里特里奥卢 (Pelin Pınar Giritlioğlu) 表示，土耳其南部有多达 75,000 栋建筑获得了建筑大赦，业主可以支付一笔费用来免除建筑违规行为。

“我们无法设计抗震建筑。我们让它们抗震。即使你遵循标准和规范，也总有倒塌和坍塌的概率，但这种概率很低，”萨萨尼说。“如果建筑是根据规范设计的，它们中会有一些倒塌吗？是的。土耳其和叙利亚会有这么多[建筑]倒塌吗？答案是否定的。”

叙利亚于 1995 年首次将地震安全措施纳入建筑规范，并于 2013 年再次更新。但贝鲁特美国大学工程学教授、前贝鲁特市长比拉勒·哈马德 (Bilal Hamad) 表示，该国正处于长达 12 年的内战之中，阿萨德政权的轰炸可能使建筑物在地震中更容易倒塌。作为比较，他的一些学生研究了 2020 年贝鲁特港爆炸与地震威力的对比，当时港口中闲置了数年的大量硝酸铵突然燃烧。

“炮击是对建筑物施加爆炸。这是一种能量，”哈马德说。“他们发现了相似之处，因为[化学]爆炸几乎就像地震。它甚至更糟，因为地震能量爆炸是在地下。它会被土壤减弱。但[化学]爆炸是在地面以上，没有任何东西可以减弱它。”

资源匮乏国家的前进之路

在规划地震时，工程师会考虑两种类型的建筑：旧建筑和新建筑。“旧”建筑的定义是，它是在工程师将地震科学应用于最常用的建筑规则之前建造的。萨萨尼说，在美国，大多数规范都是由当地制定的， 20 世纪 70 年代，随着现代地震力和建筑技术研究的进步，这些建筑也得到了更新。在此之前建造的任何建筑都被视为古建筑。

萨萨尼说，大多数国家都使用美国的建筑规范，但这些规则需要一段时间才能在陆地和海洋上传播开来，这意味着他们实际采用该规范的时间可能远远超过了 20 世纪 70 年代。例如，哈马德说，黎巴嫩直到 2005 年才要求建筑物具备抗震安全措施。而政府又花了七年时间，直到 2012 年，才要求建筑商聘请技术办公室，以确保建筑物符合规范。地震发生后，土耳其总统声称 98% 的倒塌建筑物都是在 1999 年之前建造的，但专家们对这一统计数据表示怀疑，称它被用来转移人们对其建筑大赦政策的责任。

因此，萨萨尼表示，旧建筑可能需要修复，尤其是那些涉及砌体并用砖、石或其他类似材料建造的建筑。他说，砖块和类似材料是用砂浆连接起来的，这使得它们更容易受到地震的影响。砖石结构在全球南部更为常见，那里的建筑物较为古老，而美国则更多地使用木材建造建筑物，木材不易受到地震破坏。

这些老建筑可以通过一些方法进行修复，比如在工程学中增加所谓的剪力墙，使建筑更加坚固。但修复成本高昂。有时，拆除一栋建筑并重建一栋新建筑甚至更便宜。“如果你没有资源，你就会考虑更重要的优先事项，”萨萨尼说。“如果你几十年来都没有发生过地震，你就不会把它当作优先事项。”（土耳其和叙利亚上次因地震造成大量人员伤亡是在 20 世纪 90 年代。）

那么，资源匮乏的国家该怎么做呢？萨萨尼说，建筑检查并不昂贵——这就是他们可以开始的地方。“最不发达国家可以做的就是制定实施的规范和标准，”他说。“这将降低未来发生此类事件的可能性。”

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贝鲁特美国大学建筑学教授、研究气候响应设计策略的卡里姆·纳贾尔 (Karim Najjar) 解释说，让未来的建筑具有抗震性也不需要花费太多。他说，增加梁和柱来加固建筑的基础设施通常只是整个设计的一小部分。纳贾尔在给PopSci的一封电子邮件中写道：“这些措施占建筑成本的 5% 到 10%。为了实现利润最大化，通常会减少混凝土中的水泥用量”，这会使建筑物的强度降低，因此抗震性也会降低。

哈马德估计，建筑外壳的成本约占整个项目的 20%。如果建筑设计为抗震，那么这 20% 的成本只会增加 3% 到 5%。“会有更坚固的墙、更多的钢筋、梁、柱和地基，”他说。“为什么不呢？安全比更换浴室更重要。”