在河北省三河市燕郊經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)潮白大街1號，中國地震局工程力學(xué)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(gòu)和工程抗震專家組成的科研團(tuán)隊(duì)正在緊張地進(jìn)行一場“破壞性”實(shí)驗(yàn)。振動臺上，一座3D打印民居模型正經(jīng)歷“生死”考驗(yàn)，來自浙江大學(xué)、大連理工大學(xué)和工力所的師生密切關(guān)注它的表現(xiàn)。
為啥要做這場實(shí)驗(yàn)？實(shí)驗(yàn)是如何進(jìn)行的？房屋模型表現(xiàn)如何？記者來到現(xiàn)場探訪。
“測試目標(biāo)就是把它震壞”
走進(jìn)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。”工力所博士生趙登科說。
戴好安全帽，趙登科帶記者走進(jìn)實(shí)驗(yàn)場地。
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(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)建造，建成后成了當(dāng)?shù)匾粋€(gè)“景點(diǎn)”，吸引不少行業(yè)專家和當(dāng)?shù)乩习傩涨叭ァ按蚩ā薄?/p>
打印的房子，結(jié)實(shí)嗎？這是孫曉燕被問得最多的一個(gè)問題。
結(jié)不結(jié)實(shí)，最關(guān)鍵得看抗震性能。她曾聯(lián)合專注數(shù)字建筑與打印設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)的靈砼科技(杭州)有限公司，用三維數(shù)字模型精確計(jì)算過，理論上，這座建筑的抗震性能很優(yōu)異。
為進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析和模擬測算結(jié)果，孫曉燕與多領(lǐng)域多學(xué)科專家研討決定，開展振動臺模型實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)總共設(shè)定6個(gè)工況，每種工況下要進(jìn)行7次測試?！皽y試目標(biāo)就是把它震壞，看看究竟能闖到第幾關(guān)，承受多強(qiáng)的地震?！睂O曉燕笑著說。
到第二個(gè)工況時(shí)，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(shè)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(jìn)的一套地震模擬設(shè)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(shè)備情況，作為現(xiàn)場總指揮的趙登科一邊拿起對講機(jī)發(fā)出指令：“工況3—1，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備?！?/p>
“可以測試?！睂χv機(jī)那頭，中控室工作人員已準(zhǔn)備就緒。
?一架無人機(jī)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?！睂O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(xì)掃描房屋模型的每個(gè)角落，對產(chǎn)生裂痕的地方做下標(biāo)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(yīng)變片和基于視頻識別的光斑跟蹤技術(shù)，加上房屋兩側(cè)的4臺超高速攝像機(jī)，可以更精準(zhǔn)捕捉房屋經(jīng)歷模擬地震后發(fā)生的細(xì)微變化。
超高速攝像機(jī)廠商合肥中科君達(dá)視界(以下簡稱“中科視界”)工作人員祝良應(yīng)告訴記者，普通單反相機(jī)，可以拍攝幀率為120的視頻，也就是每秒鐘成像120個(gè)畫面。“這臺超高速攝像機(jī)，幀率可以達(dá)到3000，每秒產(chǎn)生6GB的圖像數(shù)據(jù)，房屋的每個(gè)細(xì)微變化都逃不過它的‘法眼’。”
?“對科研水平和工業(yè)制造能力的檢驗(yàn)”
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(shí)驗(yàn)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(jī)來說，它可以觀察到肉眼和普通相機(jī)難以捕捉的畫面，在工業(yè)生產(chǎn)、航天發(fā)射、汽車碰撞實(shí)驗(yàn)等很多場景都有用武之地。比如在生產(chǎn)車間，機(jī)械臂快速運(yùn)動，超高速攝像機(jī)能記錄下每一個(gè)瞬間，從而幫助企業(yè)校準(zhǔn)機(jī)床或改進(jìn)生產(chǎn)工藝。
“接下來將要發(fā)布的一款新品，可以達(dá)到10萬幀/秒，對標(biāo)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(gòu)成了公司的技術(shù)‘護(hù)城河’?！?/p>
?記者觀察到，超高速攝像機(jī)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(shù)上取得長足進(jìn)步，國產(chǎn)鏡頭也已進(jìn)入我們的供應(yīng)鏈體系?！?/p>
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(jī)會，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，在實(shí)際應(yīng)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?cái)?shù)個(gè)超大規(guī)模多自由度振動試驗(yàn)設(shè)備及振動臺臺陣系統(tǒng)，包括天津大學(xué)水下地震模擬振動臺系統(tǒng)、北京建筑大學(xué)大型多功能振動臺、河海大學(xué)模擬地震水下振動臺等。
?市場認(rèn)可背后是實(shí)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(fèi)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(fèi)用支出1858.16萬元，營收占比增至8.67%。
還有承擔(dān)這次實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，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。”
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(jī)構(gòu)，在強(qiáng)震動觀測及其應(yīng)用、建筑工程抗震、地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃與防治、地震工程試驗(yàn)技術(shù)、地震與工程振動測量技術(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(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)，在國內(nèi)應(yīng)用線路長度超1500公里，并出口應(yīng)用于印尼雅萬高鐵。
做這場實(shí)驗(yàn)，門檻不低。孫曉燕說：“一場高水平科學(xué)實(shí)驗(yàn)，也是對科研水平和工業(yè)制造能力的檢驗(yàn)?！?/p>
“3D打印蓋房子前景廣闊”
隨著實(shí)驗(yàn)深入，地震強(qiáng)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(gè)工況，液壓桿搖動時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(xué)建設(shè)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(shè)防目標(biāo)。
?抗震設(shè)防目標(biāo)是一個(gè)與地域相關(guān)的概念，而非震級。具體來說，小震指多遇地震，即在50年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)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(shè)計(jì)基準(zhǔn)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(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，超越概率為2%—3%，其設(shè)防目標(biāo)為防倒塌，保護(hù)生命安全。
經(jīng)過一天的實(shí)驗(yàn)，房屋模型在六度地震工況下未發(fā)生主體結(jié)構(gòu)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(gòu)框架，整體結(jié)構(gòu)完整；在九度地震工況下裂縫貫通但結(jié)構(gòu)主體完整，并未發(fā)生倒塌和嚴(yán)重破壞。
也就是說，3D打印民居模型經(jīng)受住了考驗(yàn)。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(jié)構(gòu)破壞形態(tài)是什么，并從中找到抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
工力所研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)房屋原型，為模型設(shè)計(jì)了1噸的配重繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，現(xiàn)有模擬地震所致的裂縫未到達(dá)房屋結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋混凝土框架，抗震性能優(yōu)異。孫曉燕計(jì)劃繼續(xù)研究實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的損傷，并適時(shí)開展原型抗震試驗(yàn)，進(jìn)行3D打印混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
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(shè)計(jì)、增材制造、預(yù)制裝配，3D打印建筑可以快速精準(zhǔn)建造，還可以適應(yīng)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(gòu)，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(gòu)，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)過進(jìn)一步專業(yè)認(rèn)證和實(shí)踐檢驗(yàn)，縮尺模型的良好抗震性能為后續(xù)深入科研和相關(guān)技術(shù)推廣帶來信心。
