4月16日,日本熊本發生6.5級地震,日本的「抗震房」再次受到各國關注。
日本處於全球知名的地震帶,但就算地震襲來,也很少會出現大面積房屋倒塌的情況,這和日本的建房家裝工藝絕對是密不可分的,其先進的技術及精細的工藝確實值得很多國家學習。日本的抗震房是怎麼做的?
幾乎沒有磚房子,以輕型牆面材料代替
在日本這個地震多發國家,建築物的抗震標準由《建築基準法》和《建築基準法施行令》嚴格規定。《建築基準法》規定,新建建築必須達到在百年一遇的地震中不倒塌、在數十年一遇的地震中不受損的抗震強度。只有設計符合該法的建築才被允許建造。根據這部法律,建築材料都要經過官方認證,不合格的建材很難在市場上流通。
目前日本的建築,在抗震方面基本上分為3類。一是耐震結構;二是制震結構;三是免震結構。所謂的耐震構造,其最主要的原理就是提高柱子和牆壁的強度和韌度,建築物總體經得住震動,目前我國主要採用這種方法。而免震結構和制震結構都是比較新的技術。在日本,將抗震結構的建築改為免震建築,成本只需增加5%~10%。
此外,日本建築在選材上也格外講究,比如在歐洲、中國經常被當作主要建築材料的磚瓦,現在在日本建築上幾乎已經找不到蹤影。磚結構建築在日本幾乎不再被使用,取而代之的是輔以輕型牆面材料的鋼筋混凝土結構。這種結構的建築既安全抗震,又節省能源。
地上55層、高185米,有日本最高的公寓樓之稱的埼玉縣川口公寓,就採用了與美國紐約世界貿易中心相同的建築材料——168根cft鋼管。這種鋼管的直徑最大達800毫米,厚度達40毫米,管芯中還注入了比通常混凝土強度高3倍的特種混凝土。
在冬天經常下雪的日本東北地區,為了應付積雪,當地人在建造房屋時,房頂多採用鐵板材料。中國建築研究院註冊結構工程師王瑋曾撰文指出:「用鐵板作為屋頂,比使用瓦片的建築物質量要輕許多。此外,為了禦寒,這個地區民居的房間門、窗開口的幅度較小,這使得房間更具有抗震性。房屋倒塌少,很大程度上減少了人員死傷。」
日本房屋建築中普遍使用的新型材料的共同特徵是質量輕、強度高,比如樹脂、加氣混凝土、碳纖維,即便倒塌墜落,也不會對人體造成嚴重傷害,而且安裝方便,蓋房子跟搭積木一樣輕鬆。
地基與地震隔絕術
1996年日本實行「耐震改建計劃」廣泛應用了隔震技術,普遍在房屋和地基之間加入減震層,利用建築物本身的晃動來吸收地震的能量。這種技術,就是在建築的底部安裝彈性橡膠墊,或者摩擦滑動承重座緩衝裝置來抵抗地震。這些橡膠層非常耐用,一般使用年限約60年,能夠把地震對樓房的搖晃程度減輕1/3到1/5。
地狹人多的日本有很多高層建築,為了抵禦地震的破壞,日本的高層建築也普遍採用這種地基地震隔絕的技術。
比如,三井不動產公司在東京都杉並區兼作的一座93米的免震結構公寓,建築物的外圍使用了高強度16積層橡膠,建築物中央部分也使用了天然橡膠系統的積層橡膠。在六級以上的地震發生時,這種保護裝置能使建築物的受力減少一半。
2011年日本東部發生強震海嘯之後的房屋(來源:百度圖庫)
推行這個技術後,房屋造價將提升,一般樓房的造價將提高10%,公寓樓的造價則會提高25%。
箱體式設計
為了提高傳統木結構建築的抗震能力,日本普通的民宅採用了箱體設計——這樣能夠保證地震發生時,房屋不會散開,即便在劇烈的搖晃中也可以整體翻滾,不至於損毀。2011年3月日本東部大地震引發海嘯時,電視畫面上能看到很多房子被整棟衝走,而沒有震散。
當然,專業技術人員還會定期對民房進行抗震加固等級評定,政府會酌情給予居民適當的補貼鼓勵。
日本民居的箱體式設計圖紙
2011年3月日本東部大地震引發海嘯,房屋被整棟衝走(來源:百度圖庫)
抗震房發展史就是建築法的不斷完善史
「每一次日本發生特大地震後,國土交通省都會組織力量進行建築抗震調查,根據調查結果提出對《建築基準法》的修改意見。」2010年上海世博會期間日本產業館建築製作人寺崎由起曾公開表示,日本建築師在設計建築時,會嚴格按照《建築基準法》的抗震要求。而且這部法律每幾年就會重新修訂一次。
回顧日本抗震建築發展的歷史,就是其建築法律法規不斷完善發展的歷史。
十九世紀後半葉,日本剛剛開始對地震的研究,那個年代,日本還沒有提出建築要有抗震設防能力。1892年,「預防震災調查會」成立,他們的目標是——提升木造建築的耐震性。
在那之後,日本建築抗震研究就開始進入了有科學世界觀指導的階段。1916年,日本建築家佐野利器提出「靜力震度法」,建議建築的結構設計中,水平力應該是結構重量的1/15,這樣能夠起到防震作用。
1923年,按照這種設計思想建造的日本興業銀行大樓落成。流年不利,同年9月,關東大地震就發生了,興業銀行大樓經受了考驗。於是,在第二年施行的日本都市建築法中,「靜力震度法」的原則,就成了抗震設計的規範。此後,日本的建築物進入抗震減災1.0時代。1968年,100多米高的霞關大樓建成,當時這個大樓採用的是預製鋼筋混凝土耗能剪力牆和鋼框架 結構。聽上去有點難,各位肯定聽說過裝修專業名詞「承重牆」,它是用來承受豎向荷載為主,而「剪力牆」則專門用來支撐水平負荷。簡單來說,那時候的思路就 是用stronger的材料來建造stronger的高樓,讓它們能夠抵禦強風和地震的搖動。
1924年開始,日本建築規範規定結構力計算要考慮抗震係數,在這方面日本當時走在了世界前列。
日本的《建築設計基準法》頒布於1950年,之後幾經修改,其中比較著名的有1971年的修正。1995年的阪神大地震給日本造成了很大損失,而災後統計顯示,這次地震中受損建築主要建於1971年前,1981年後建造的房屋幾乎完好無損。
事實上,《建築基準法》1971年修正令強化了鋼筋混凝土柱的帶筋間隔距離,而1981年則全面實行「新抗震設計法」,引入了多個方面的新規定。
在上世紀七八十年代,日本的建築法律就有兩次重大修改。首先,這部法律否認了傳統的日本式木造住宅建築方法——木造軸框架法的抗震性能。這種建築方法是用石條在屋基上做柱子,然後放上木造框架,房頂則使用瓦片。經過專家認證,木造軸框架,這種本來就是不穩定的平行四邊形框架結構,再加上沉重的瓦塊屋 頂對地震的搖晃毫無抵抗能力,一旦塌落很可能造成人員損傷。」在1974年,日本從歐美引進了木造框架組合牆壁構造法 (two-by-fourmethod)建築技術。1982年重新修訂的《建築基準法》給予了這種施工方法支持。之後的地震證明,當時這個支持法案是對的。因為,根據新方法建造的住房沒有一間倒塌。
1995年經過修訂的《建築基準法》規定,高層建築必須能夠抵禦芮氏7級以上的強烈地震。寺崎由起表示:「一個建築工程,要從政府部門獲得開工許可,除了要上交設計圖紙、施工圖紙等文件外,還必須提交建築抗震報告書。」抗震報告書的內容包括,根據地震的不同強度,計算不同的建築結構在地震中的受力大小,進而確定建築的梁柱位置、承重以及施工中鋼筋、混凝土的規格和配比。
此後,日本曾在1996、2000、2005和2006年四次修改《建築基準法》,將建築物的抗震標準一再提高。修訂後的法規將住宅、樓房抗震標準提高為:經得住6至7級地震搖晃而不會坍塌,尤其是商務樓要求能夠8級地震不倒,使用期限能夠超過100年。同時,日本還制定計劃到2015年,讓90%的住宅建築達到這一標準。
(明源地產研究院、住宅公園提供部分內容及圖片素材,本文根據公開資料綜合整理)
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附:日本抗震房子建造全過程
▼首先依然是平整土地,並做好混凝土基礎:
▼在基礎上進行上部承重木結構體系的搭建:
這就是其強抗震功能的奧秘,鋼木複合梁!
▼ 在日本獨立小住宅建造過程中被廣泛應用;輕型H鋼 +集成木材 =鋼木複合梁
▼下圖是鋼木複合梁,交叉連接,以及與獨立柱子之間的連接,所使用的鋼製鍍鋅銷拴,抗震效果非常好。
▼鋼木複合梁以及部分配套金屬連接件:
最下層為鋼筋混凝土基礎,木方柱,鋼木複合梁。鋼材和木材本身都是柔性材料,複合在一起,鋼抗拉,木抗壓,效果非常好。
屋頂是工廠預製,現場安裝,因此也屬於裝配式建築中的一種。
▼一層的框架梁搭建完成後,在梁上鋪設鋪設安裝結構膠合板並完成第二層的框架結構搭建:
▼同樣二層的框架梁也使用的是鋼木樑
▼近距離看下它的連接處構造:
住宅的承重結構體系中,使用鋼材構件,容易存在所謂的「熱橋」部位,不利於保溫隔熱,也不節約能源,因而需要對鋼材構件的外側進行保溫隔熱處理。
採取的措施是焊接輕量H型鋼鋼材的腹板兩側,填充高標準阻燃等級的擠塑XPS聚苯乙烯泡沫保溫板,並使用現場發泡聚氨酯泡沫材料固定。
精細的工藝細緻到每一個螺絲,力求每一處都做到嚴絲合縫
▼房屋框架完成後,鋪設牆板,外牆保溫材料,以及外牆裝飾掛板等:
▼完成:
▼最終的房屋:
(明源地產研究院、住宅公園提供部分內容及圖片素材,本文根據公開資料綜合整理)