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【人民日報】3D打印的房子，能扛多強地震？
發(fā)布時間： 2025-02-14 點擊數(shù)量：5410
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)生裂縫的點位做標記。
本報記者 康 樸攝
振動臺上，液壓桿通過劇烈晃動模擬地震。（俯視圖）
受訪者供圖
海外客戶在交付現(xiàn)場了解中科視界的超高速攝像機使用方法。
受訪企業(yè)供圖
聯(lián)合科研團隊密切關注振動臺上民居模型的抗震性能。
本報記者 康 樸攝
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在河北省三河市燕郊經(jīng)濟開發(fā)區(qū)潮白大街1號，中國地震局工程力學研究所（以下簡稱“工力所”）科技園區(qū)，由智能建造、建筑結(jié)構和工程抗震專家組成的科研團隊正在緊張地進行一場“破壞性”實驗。振動臺上，一座3D打印民居模型正經(jīng)歷“生死”考驗，來自浙江大學、大連理工大學和工力所的師生密切關注它的表現(xiàn)。
為啥要做這場實驗？實驗是如何進行的？房屋模型表現(xiàn)如何？記者來到現(xiàn)場探訪。
“測試目標就是把它震壞”
走進工力所科技園區(qū)，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。
戴好安全帽，趙登科帶記者走進實驗場地。
這座3D打印混凝土民居模型，是浙江大學建筑工程學院副教授孫曉燕團隊送來測試的。模型原型也是3D打印的，位于河北省故城縣房莊鎮(zhèn)，由孫曉燕團隊建造，建成后成了當?shù)匾粋€“景點”，吸引不少行業(yè)專家和當?shù)乩习傩涨叭ァ按蚩ā薄?/p>
打印的房子，結(jié)實嗎？這是孫曉燕被問得最多的一個問題。
結(jié)不結(jié)實，最關鍵得看抗震性能。她曾聯(lián)合專注數(shù)字建筑與打印設計業(yè)務的靈砼科技（杭州）有限公司，用三維數(shù)字模型精確計算過，理論上，這座建筑的抗震性能很優(yōu)異。
為進一步驗證理論分析和模擬測算結(jié)果，孫曉燕與多領域多學科專家研討決定，開展振動臺模型實驗。房子搬不來，根據(jù)工力所振動臺尺寸限制，孫曉燕委托工廠做了5米長、1米多寬的最大尺寸縮尺比例全屋模型。
此次實驗總共設定6個工況，每種工況下要進行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，承受多強的地震?！睂O曉燕笑著說。
到第二個工況時，還沒有出現(xiàn)明顯裂痕。
振動臺，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臺，既可以水平方向震動，也可以產(chǎn)生豎向震動，還可以產(chǎn)生不同方式的轉(zhuǎn)動，是國內(nèi)最先進的一套地震模擬設備，房屋、橋梁、隧道、大壩、管道、輸電線路的抗震測試它都能干。
一邊跟記者介紹設備情況，作為現(xiàn)場總指揮的趙登科一邊拿起對講機發(fā)出指令：“工況3—1，實驗準備?！?/p>
“可以測試。”對講機那頭，中控室工作人員已準備就緒。
一架無人機從地面起飛，飛向房屋模型后方。“它可以記錄下房屋整體情況。”孫曉燕說。
“開始！”
隨即，耳畔傳來一陣蜂鳴，振動臺液壓桿劇烈抖動——地震來了。房屋出現(xiàn)輕微晃動。
震動消失后，幾名科研人員箭步邁上振動臺，目光仔細掃描房屋模型的每個角落，對產(chǎn)生裂痕的地方做下標記。
肉眼觀測只是輔助。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，加上房屋兩側(cè)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。
超高速攝像機廠商合肥中科君達視界（以下簡稱“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個畫面。“這臺超高速攝像機，幀率可以達到3000，每秒產(chǎn)生6GB的圖像數(shù)據(jù)，房屋的每個細微變化都逃不過它的‘法眼’?！?/p>
“對科研水平和工業(yè)制造能力的檢驗”
在現(xiàn)場，看著各方爭相亮出“絕活兒”，記者頗有感觸：支撐這場實驗的，是多學科的扎實科研成果和多領域的成熟技術裝備。
拿超高速攝像機來說，它可以觀察到肉眼和普通相機難以捕捉的畫面，在工業(yè)生產(chǎn)、航天發(fā)射、汽車碰撞實驗等很多場景都有用武之地。比如在生產(chǎn)車間，機械臂快速運動，超高速攝像機能記錄下每一個瞬間，從而幫助企業(yè)校準機床或改進生產(chǎn)工藝。
“接下來將要發(fā)布的一款新品，可以達到10萬幀/秒，對標國際領先水平?！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‘護城河’?！?/p>
記者觀察到，超高速攝像機使用的長焦微距鏡頭，來自國產(chǎn)品牌“老蛙”。雷秀軍說：“國外品牌鏡頭在一些焦段有優(yōu)勢，但國產(chǎn)鏡頭廠商憑借差異化競爭，近年來技術上取得長足進步，國產(chǎn)鏡頭也已進入我們的供應鏈體系。”
雷秀軍憶及創(chuàng)業(yè)初期，產(chǎn)品剛問世，國內(nèi)客戶為他們提供了寶貴的機會，并提出很多建議幫助改進產(chǎn)品。“產(chǎn)品只有走向市場，在實際應用中才能不斷迭代進步，上下游的互相扶持對產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展十分關鍵”。
再如振動臺，來自一家專精特新“小巨人”企業(yè)——博科測試。除了眼前這套振動臺，博科測試還落地數(shù)個超大規(guī)模多自由度振動試驗設備及振動臺臺陣系統(tǒng)，包括天津大學水下地震模擬振動臺系統(tǒng)、北京建筑大學大型多功能振動臺、河海大學模擬地震水下振動臺等。
市場認可背后是實打?qū)嵉难邪l(fā)投入。2021年至2023年期間，博科測試的研發(fā)費用由2469.28萬元增至3094.56萬元，占總營收的比重也由6.09%增至6.60%。2024年上半年，公司繼續(xù)加碼研發(fā)，研發(fā)費用支出1858.16萬元，營收占比增至8.67%。
還有承擔這次實驗的工力所。工作人員劉江濤告訴記者，國內(nèi)能做模擬地震實驗的單位屈指可數(shù)，“一年下來，這套振動臺有100多天都不閑著”。
他指向墻邊的一套大型儀器：“不只是抗地震實驗，這不，一家創(chuàng)業(yè)企業(yè)送來了抗震動系統(tǒng)，它可以通過算法幫助船舶在翻滾的海浪中維持穩(wěn)定，下周它就要上振動臺了?！?/p>
記者了解到，工力所是國內(nèi)唯一以地震工程為主攻方向的研究機構，在強震動觀測及其應用、建筑工程抗震、地震災害風險區(qū)劃與防治、地震工程試驗技術、地震與工程振動測量技術等領域成果豐碩。去年，由工力所牽頭研發(fā)的新一代高速鐵路地震預警監(jiān)測系統(tǒng)，在國內(nèi)應用線路長度超1500公里，并出口應用于印尼雅萬高鐵。
做這場實驗，門檻不低。孫曉燕說：“一場高水平科學實驗，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”
隨著實驗深入，地震強度越來越高，蜂鳴聲也越來越大，房屋開始出現(xiàn)裂痕。
直到第六個工況，液壓桿搖動時，記者腳下站立的區(qū)域也出現(xiàn)明顯晃動，親身感受到地震帶來的眩暈感。
趙登科告訴記者：“實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。”
地震中，大多數(shù)人員傷亡是由建筑物倒塌引起的。大連理工大學建設工程學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與地域相關的概念，而非震級。具體來說，小震指多遇地震，即在50年設計基準期內(nèi)，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(nèi)超越概率為10%，允許有一定的損壞，但經(jīng)修理后仍能使用；大震是指罕見地震，在設計基準期內(nèi)，超越概率為2%—3%，其設防目標為防倒塌，保護生命安全。
經(jīng)過一天的實驗，房屋模型在六度地震工況下未發(fā)生主體結(jié)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(jié)構框架，整體結(jié)構完整；在九度地震工況下裂縫貫通但結(jié)構主體完整，并未發(fā)生倒塌和嚴重破壞。
也就是說，3D打印民居模型經(jīng)受住了考驗。這時，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(jié)構破壞形態(tài)是什么，并從中找到抗震設計的關鍵。
工力所研究團隊根據(jù)房屋原型，為模型設計了1噸的配重繼續(xù)實驗。結(jié)果顯示，現(xiàn)有模擬地震所致的裂縫未到達房屋結(jié)構內(nèi)部的鋼筋混凝土框架，抗震性能優(yōu)異。孫曉燕計劃繼續(xù)研究實驗中出現(xiàn)的損傷，并適時開展原型抗震試驗，進行3D打印混凝土結(jié)構優(yōu)化設計。
在孫曉燕眼中，3D打印的混凝土建筑堪稱“變形金剛”。一方面，通過數(shù)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(nèi)含空腔，嵌合鋼筋框架形成鋼筋混凝土結(jié)構，抗震性能好，安全耐久。
“在廣大鄉(xiāng)村地區(qū)，自建房多為磚瓦結(jié)構，壯勞力也存在短缺，用3D打印技術蓋房子前景廣闊?！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)過進一步專業(yè)認證和實踐檢驗，縮尺模型的良好抗震性能為后續(xù)深入科研和相關技術推廣帶來信心。
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