資訊內容
/
媒體播報
【人民日報】3D打印的房子，能扛多強地震？
發(fā)布時(shí)間： 2025-02-14 點(diǎn)擊數量：3453
本報記者 康 樸《人民日報海外版》（2025年02月07日 第10版）
科研人員在為產(chǎn)生裂縫的點(diǎn)位做標記。
本報記者 康 樸攝
振動(dòng)臺上，液壓桿通過(guò)劇烈晃動(dòng)模擬地震。（俯視圖）
受訪(fǎng)者供圖
海外客戶(hù)在交付現場(chǎng)了解中科視界的超高速攝像機使用方法。
受訪(fǎng)企業(yè)供圖
聯(lián)合科研團隊密切關(guān)注振動(dòng)臺上民居模型的抗震性能。
本報記者 康 樸攝
掃碼觀(guān)看視頻
在河北省三河市燕郊經(jīng)濟開(kāi)發(fā)區潮白大街1號，中國地震局工程力學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“工力所”）科技園區，由智能建造、建筑結構和工程抗震專(zhuān)家組成的科研團隊正在緊張地進(jìn)行一場(chǎng)“破壞性”實(shí)驗。振動(dòng)臺上，一座3D打印民居模型正經(jīng)歷“生死”考驗，來(lái)自浙江大學(xué)、大連理工大學(xué)和工力所的師生密切關(guān)注它的表現。
為啥要做這場(chǎng)實(shí)驗？實(shí)驗是如何進(jìn)行的？房屋模型表現如何？記者來(lái)到現場(chǎng)探訪(fǎng)。
“測試目標就是把它震壞”
走進(jìn)工力所科技園區，幾排露出裂痕的廢棄建筑物模型引起記者注意?！斑@些都是我們震壞的?！惫ちλ┦可w登科說(shuō)。
戴好安全帽，趙登科帶記者走進(jìn)實(shí)驗場(chǎng)地。
這座3D打印混凝土民居模型，是浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院副教授孫曉燕團隊送來(lái)測試的。模型原型也是3D打印的，位于河北省故城縣房莊鎮，由孫曉燕團隊建造，建成后成了當地一個(gè)“景點(diǎn)”，吸引不少行業(yè)專(zhuān)家和當地老百姓前去“打卡”。
打印的房子，結實(shí)嗎？這是孫曉燕被問(wèn)得最多的一個(gè)問(wèn)題。
結不結實(shí)，最關(guān)鍵得看抗震性能。她曾聯(lián)合專(zhuān)注數字建筑與打印設計業(yè)務(wù)的靈砼科技（杭州）有限公司，用三維數字模型精確計算過(guò)，理論上，這座建筑的抗震性能很優(yōu)異。
為進(jìn)一步驗證理論分析和模擬測算結果，孫曉燕與多領(lǐng)域多學(xué)科專(zhuān)家研討決定，開(kāi)展振動(dòng)臺模型實(shí)驗。房子搬不來(lái)，根據工力所振動(dòng)臺尺寸限制，孫曉燕委托工廠(chǎng)做了5米長(cháng)、1米多寬的最大尺寸縮尺比例全屋模型。
此次實(shí)驗總共設定6個(gè)工況，每種工況下要進(jìn)行7次測試?！皽y試目標就是把它震壞，看看究竟能闖到第幾關(guān)，承受多強的地震?！睂O曉燕笑著(zhù)說(shuō)。
到第二個(gè)工況時(shí)，還沒(méi)有出現明顯裂痕。
振動(dòng)臺，是一種能模擬地震發(fā)生的設備。眼前的這臺三向六自由度振動(dòng)臺，既可以水平方向震動(dòng)，也可以產(chǎn)生豎向震動(dòng)，還可以產(chǎn)生不同方式的轉動(dòng)，是國內最先進(jìn)的一套地震模擬設備，房屋、橋梁、隧道、大壩、管道、輸電線(xiàn)路的抗震測試它都能干。
一邊跟記者介紹設備情況，作為現場(chǎng)總指揮的趙登科一邊拿起對講機發(fā)出指令：“工況3—1，實(shí)驗準備?！?/p>
“可以測試?！睂χv機那頭，中控室工作人員已準備就緒。
一架無(wú)人機從地面起飛，飛向房屋模型后方?！八梢杂涗浵路课菡w情況?！睂O曉燕說(shuō)。
“開(kāi)始！”
隨即，耳畔傳來(lái)一陣蜂鳴，振動(dòng)臺液壓桿劇烈抖動(dòng)——地震來(lái)了。房屋出現輕微晃動(dòng)。
震動(dòng)消失后，幾名科研人員箭步邁上振動(dòng)臺，目光仔細掃描房屋模型的每個(gè)角落，對產(chǎn)生裂痕的地方做下標記。
肉眼觀(guān)測只是輔助。布置在模型上的加速度傳感器、位移傳感器、應變片和基于視頻識別的光斑跟蹤技術(shù)，加上房屋兩側的4臺超高速攝像機，可以更精準捕捉房屋經(jīng)歷模擬地震后發(fā)生的細微變化。
超高速攝像機廠(chǎng)商合肥中科君達視界（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中科視界”）工作人員祝良應告訴記者，普通單反相機，可以拍攝幀率為120的視頻，也就是每秒鐘成像120個(gè)畫(huà)面?！斑@臺超高速攝像機，幀率可以達到3000，每秒產(chǎn)生6GB的圖像數據，房屋的每個(gè)細微變化都逃不過(guò)它的‘法眼’?！?/p>
“對科研水平和工業(yè)制造能力的檢驗”
在現場(chǎng)，看著(zhù)各方爭相亮出“絕活兒”，記者頗有感觸：支撐這場(chǎng)實(shí)驗的，是多學(xué)科的扎實(shí)科研成果和多領(lǐng)域的成熟技術(shù)裝備。
拿超高速攝像機來(lái)說(shuō)，它可以觀(guān)察到肉眼和普通相機難以捕捉的畫(huà)面，在工業(yè)生產(chǎn)、航天發(fā)射、汽車(chē)碰撞實(shí)驗等很多場(chǎng)景都有用武之地。比如在生產(chǎn)車(chē)間，機械臂快速運動(dòng)，超高速攝像機能記錄下每一個(gè)瞬間，從而幫助企業(yè)校準機床或改進(jìn)生產(chǎn)工藝。
“接下來(lái)將要發(fā)布的一款新品，可以達到10萬(wàn)幀/秒，對標國際領(lǐng)先水平?！敝锌埔暯绺笨偨?jīng)理雷秀軍表示，“幀率的大幅度提升，對處理器和存儲性能提出了極高要求，這些構成了公司的技術(shù)‘護城河’?！?/p>
記者觀(guān)察到，超高速攝像機使用的長(cháng)焦微距鏡頭，來(lái)自國產(chǎn)品牌“老蛙”。雷秀軍說(shuō)：“國外品牌鏡頭在一些焦段有優(yōu)勢，但國產(chǎn)鏡頭廠(chǎng)商憑借差異化競爭，近年來(lái)技術(shù)上取得長(cháng)足進(jìn)步，國產(chǎn)鏡頭也已進(jìn)入我們的供應鏈體系?！?/p>
雷秀軍憶及創(chuàng )業(yè)初期，產(chǎn)品剛問(wèn)世，國內客戶(hù)為他們提供了寶貴的機會(huì )，并提出很多建議幫助改進(jìn)產(chǎn)品?！爱a(chǎn)品只有走向市場(chǎng)，在實(shí)際應用中才能不斷迭代進(jìn)步，上下游的互相扶持對產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展十分關(guān)鍵”。
再如振動(dòng)臺，來(lái)自一家專(zhuān)精特新“小巨人”企業(yè)——博科測試。除了眼前這套振動(dòng)臺，博科測試還落地數個(gè)超大規模多自由度振動(dòng)試驗設備及振動(dòng)臺臺陣系統，包括天津大學(xué)水下地震模擬振動(dòng)臺系統、北京建筑大學(xué)大型多功能振動(dòng)臺、河海大學(xué)模擬地震水下振動(dòng)臺等。
市場(chǎng)認可背后是實(shí)打實(shí)的研發(fā)投入。2021年至2023年期間，博科測試的研發(fā)費用由2469.28萬(wàn)元增至3094.56萬(wàn)元，占總營(yíng)收的比重也由6.09%增至6.60%。2024年上半年，公司繼續加碼研發(fā)，研發(fā)費用支出1858.16萬(wàn)元，營(yíng)收占比增至8.67%。
還有承擔這次實(shí)驗的工力所。工作人員劉江濤告訴記者，國內能做模擬地震實(shí)驗的單位屈指可數，“一年下來(lái)，這套振動(dòng)臺有100多天都不閑著(zhù)”。
他指向墻邊的一套大型儀器：“不只是抗地震實(shí)驗，這不，一家創(chuàng )業(yè)企業(yè)送來(lái)了抗震動(dòng)系統，它可以通過(guò)算法幫助船舶在翻滾的海浪中維持穩定，下周它就要上振動(dòng)臺了?！?/p>
記者了解到，工力所是國內唯一以地震工程為主攻方向的研究機構，在強震動(dòng)觀(guān)測及其應用、建筑工程抗震、地震災害風(fēng)險區劃與防治、地震工程試驗技術(shù)、地震與工程振動(dòng)測量技術(shù)等領(lǐng)域成果豐碩。去年，由工力所牽頭研發(fā)的新一代高速鐵路地震預警監測系統，在國內應用線(xiàn)路長(cháng)度超1500公里，并出口應用于印尼雅萬(wàn)高鐵。
做這場(chǎng)實(shí)驗，門(mén)檻不低。孫曉燕說(shuō)：“一場(chǎng)高水平科學(xué)實(shí)驗，也是對科研水平和工業(yè)制造能力的檢驗?！?/p>
“3D打印蓋房子前景廣闊”
隨著(zhù)實(shí)驗深入，地震強度越來(lái)越高，蜂鳴聲也越來(lái)越大，房屋開(kāi)始出現裂痕。
直到第六個(gè)工況，液壓桿搖動(dòng)時(shí)，記者腳下站立的區域也出現明顯晃動(dòng)，親身感受到地震帶來(lái)的眩暈感。
趙登科告訴記者：“實(shí)驗選擇了與民居所在地地震特性接近的唐山波、山東平原波，以及對民居破壞特征明顯的汶川臥龍波，按照六度、七度、八度和九度地震強度分別加載?！?/p>
地震中，大多數人員傷亡是由建筑物倒塌引起的。大連理工大學(xué)建設工程學(xué)院副教授何化南告訴記者，為了保障建筑安全，我國制定了“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標。
抗震設防目標是一個(gè)與地域相關(guān)的概念，而非震級。具體來(lái)說(shuō)，小震指多遇地震，即在50年設計基準期內，超越該烈度的概率為63%，震后不需修理；中震是指基本烈度的地震，在50年設計基準期內超越概率為10%，允許有一定的損壞，但經(jīng)修理后仍能使用；大震是指罕見(jiàn)地震，在設計基準期內，超越概率為2%—3%，其設防目標為防倒塌，保護生命安全。
經(jīng)過(guò)一天的實(shí)驗，房屋模型在六度地震工況下未發(fā)生主體結構損壞；在七度、八度地震工況下雖產(chǎn)生裂縫但并未延伸至結構框架，整體結構完整；在九度地震工況下裂縫貫通但結構主體完整，并未發(fā)生倒塌和嚴重破壞。
也就是說(shuō)，3D打印民居模型經(jīng)受住了考驗。這時(shí)，孫曉燕決定，給模型加配重——看看這種新型民居在極端地震荷載下的結構破壞形態(tài)是什么，并從中找到抗震設計的關(guān)鍵。
工力所研究團隊根據房屋原型，為模型設計了1噸的配重繼續實(shí)驗。結果顯示，現有模擬地震所致的裂縫未到達房屋結構內部的鋼筋混凝土框架，抗震性能優(yōu)異。孫曉燕計劃繼續研究實(shí)驗中出現的損傷，并適時(shí)開(kāi)展原型抗震試驗，進(jìn)行3D打印混凝土結構優(yōu)化設計。
在孫曉燕眼中，3D打印的混凝土建筑堪稱(chēng)“變形金剛”。一方面，通過(guò)數字設計、增材制造、預制裝配，3D打印建筑可以快速精準建造，還可以適應多樣化的建筑外形需求；另一方面，墻體內含空腔，嵌合鋼筋框架形成鋼筋混凝土結構，抗震性能好，安全耐久。
“在廣大鄉村地區，自建房多為磚瓦結構，壯勞力也存在短缺，用3D打印技術(shù)蓋房子前景廣闊?！睂O曉燕表示，作為新型建造工藝，3D打印混凝土民居的可靠性需要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步專(zhuān)業(yè)認證和實(shí)踐檢驗，縮尺模型的良好抗震性能為后續深入科研和相關(guān)技術(shù)推廣帶來(lái)信心。
http://paper.people.com.cn/rmrbhwb/pc/content/202502/07/content_30055134.html
