来自蜥蜴的灵感！科学家设计抗震安全建筑

出品：科普中国

作者：石雾遥（生物学博士）

监制：中国科普博览

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在自然界的力量面前，人类总是显得非常渺小。地震，作为地球上最常见的自然灾害之一，其破坏力常常令人触目惊心。传统建筑结构往往难以承受大地震的冲击，导致频繁倒塌、严重损毁，并造成大量人员伤亡。这些悲剧不断地提醒我们，提高建筑物的抗震性能刻不容缓。接下来，让我们一同揭开新型抗震建筑的神秘面纱！

地震后的废墟

图片来源：veer图库

蜥蜴启发的新型建筑系统设计

2024年5月15日，我国科学家在《自然》杂志上发表了一项关于受蜥蜴启发的建筑系统的文章，这种建筑的问世有望规避地震等外界撞击可能导致的建筑坍塌风险，为我们的生命安全筑起一道坚实的防线！

研究成果发表于《自然》杂志

图片来源：参考文献1

在地震发生时，地震波会产生周期性振动。这些地震波与建筑物的固有振动频率相接近时，就会引发共振现象，导致建筑物产生更大的振动幅度，加剧建筑物的损坏程度。在建筑物设计中，一个常见的挑战是如何在建筑发生初始损坏时，防止损害进一步扩散到整个结构，从而避免引发灾难性的全面坍塌。因此，在建筑物设计中，关键问题是在建筑物受到外部冲击时，如何像蜥蜴一样迅速做出反应，防止损坏进一步扩散，并避免更大的破坏。

蜥蜴尾部的软骨组织中有许多预定的断裂点，当蜥蜴感到危险时，它们会收缩尾部肌肉，使尾巴迅速折断在这些预定点上。在尾巴折断后，蜥蜴的身体会分泌出一种黏液来掩盖断裂处，以防止感染和减少失血。这种黏液还能够迷惑捕食者，让蜥蜴有更多的机会逃脱。受到这种行为的启发，科学家将提出了“倒塌隔离”概念，并将其应用于新型建筑系统的设计中。

蜥蜴断尾

图片来源：veer图库

“倒塌隔离”概念的应用

为了防止地震或外界撞击等情况下，建筑物中损坏部分进一步扩散，科学家们应用“倒塌隔离”概念，通过控制结构系统的失效层级，以隔离由初始大失效引发的崩塌。

科学家在建筑物的关键部位设置了特定的断裂点结构。当建筑物受到损坏时，这些部位会按照预定的方式断裂，确保特定元素在最关键的组件失效之前先行失效。这样一来，整个建筑会被隔离成不同的单元，从而增强其抗损性。同时，新型建筑系统的不同单元之间具有足够的连通性，可以彼此重新分配荷载，进一步隔离崩塌传播。

基于层级结构的倒塌隔离设计（a、基于分层优化的梁柱连接；b、基于层级结构的建筑部分倒塌隔离模拟；c、常规建筑倒塌场景模拟）

（图片来源：参考文献1）

现场测试与结果验证

为验证这种“层级式倒塌隔离”设计在实际地震发生中的抗倒塌效果，研究者用混凝土建造了一个长15米、宽12米的双层建筑，与现行的楼房标准层高类似，双侧建筑的每层高2.6米。研究者进行了双重测试，首先验证了建筑物在受到小范围冲击后连锁结构防止崩塌的能力，接着验证了建筑物的崩塌隔离效果。

在第一轮测试中，研究者去掉了建筑转角的两根柱子中的一根，结果发现，建筑物未出现大面积的崩塌，仍能提供传统的结构支撑。在第二轮测试中，研究者采用了更极端的初始破坏，他们去掉了转角剩下的那根柱子。结果显示，基于“层级式倒塌隔离”设计概念制造的建筑成功避免了整个结构的坍塌，只有沿着加载路径的部分建筑发生了崩塌。这证明了此种建筑设计可以将崩塌限制在限定区域内。

建筑设计和测试（a、在不同测试阶段拆除的全尺寸预制混凝土和柱结构；b、施工过程中的一层连接；c、施工中预制梁放置后的二层连接；d、在第一阶段测试中用于准静态去除的两柱装置；e、角柱拆除采用的三铰机制）

（图片来源：参考文献1）

结语

随着科技的飞速发展，新型抗震建筑技术应运而生。这些技术不仅颠覆了传统建筑的设计理念，更在材料、结构、施工等多个方面实现了革命性创新。它们不仅能够显著减少地震对建筑物的破坏，还能在灾难发生后提供更为安全的避难场所，构筑了守护我们生命安全的重要屏障。相信在不久的将来，新技术将广泛应用于各类建筑中，让我们的城市更加安全、坚固！

参考文献：

1.Makoond, N., Setiawan, A., Buitrago, M. et al. Arresting failure propagation in buildings through collapse isolation. Nature 629, 592–596 (2024).

2.董丙君.蜥蜴断尾及再生研究[J].生物学通报, 2009, 44(1):24-25.

3.郑建国,徐建,钱春宇,等.古建筑抗震与振动控制若干关键技术研究[J].土木工程学报, 2023.

4.金波,张敏政,郭迅,等.抗震建筑的结构整体性分析和构造措施[J].世界地震工程, 2009(2):4.