自然灾害机器助力人类应对大灾难

邢鸿飞/编译

自然灾害机器助力人类应对大灾难

邢鸿飞/编译

迈阿密佛罗里达国际大学的飓风仿真机“风墙”，可以模拟5级飓风

过去一年，塔拉·哈钦森（Tara Hutchinson）一直在琢磨：“大地震”来袭时，用薄板钢梁造的高楼会怎么样？

为此，她建造了一座六层的塔楼，好比一根石灰绿色的手指矗立在加利福尼亚州圣迭戈郊区灌木丛生的山上。塔楼内有数百个应变仪和加速器，这些机器很灵敏，能够监测吹向墙面的风力级别。如今，哈钦森所需要的，仅仅是一场地震。

在世界的大多数地方，这都是难题。即使在这里，一条大的地质断层直接穿过市中心。最近一次有记载的地震是在六年前，震中位于墨西哥附近。然而加州大学圣迭戈分校的结构工程学教授哈钦森并不需要板块构造。今年夏天，她与世界上最大的地震机器有一个约定。

该设备是过去15年所建造的遍布全美的研究网络的一部分，该网络是为了用更真实和复杂的测试促进自然灾害科学研究。在这个美国国家科学基金会（NSF）耗资超过2.8亿美元的项目中，科学家可以更好地模拟地球上最具破坏力的一些自然灾害，比如地震、海啸和山体滑坡。

此项工作导致了新的建筑标准，导致了从码头到旧式混凝土建筑等建筑的更优化的建造或改造方法。科学家已经认识到：地震如何损坏墙内和天花板的管道，如何改善高速公路匝道、钢制高楼、停车场、木屋和砖墙等方面的抗震。

如今工作范围还在不断扩大。在另一个耗资6 200万美元、历时五年的研究项目中，世界末日机器的研究范围扩大到模拟飓风和龙卷风，用计算机模型研究难以进行物理测试的大事件，如核反应堆事故或者整个城市的大自然灾难。

按比例缩小灾难实验

这些自然灾害实验室的描述往往极度夸张，人们常用的词是：最大、最长、最具影响力。除了圣迭戈的研究设备，早期计划和后来的“自然灾害工程研究基础设施”（NHERI）计划所资助的项目包括：在俄勒冈州立大学科瓦里斯分校的波浪水槽，用于研究海啸，是北美最大的；迈阿密佛罗里达国际大学拥有的飓风仿真机，是世界上大学中规模最大的；以及加州大学戴维斯分校的世界上最大的离心机，用于制作模拟建筑物、岩石和尘土上的压力的模型，这些数据对于评估建筑物经受地震和山体滑坡的抗力至关重要。

在已有的成果上炫耀不是件好事。关于了解建筑物如何应对自然灾难造成的强大外力这个话题，建筑物的大小往往非常关键。比如，土壤颗粒粘合的方式（是山体滑坡风险中一个重要因素）取决于颗粒承受多大的重量。同理，几乎无法建造精确的缩小版钢筋：嵌入混凝土结构中的钢柱对建筑的性能至关重要。在测量作用于建筑物的飓风风力时也出现类似的困难。

俄勒冈州立大学科瓦里斯分校的研究人员在人造波水池中进行海啸实验

佛罗里达大学风能工程师福瑞斯特·马斯特斯（Forrest Masters）负责学校在NHERI项目中的工作。福瑞斯特·马斯特斯表示：“你无法用一栋真实的建筑，缩小规模到实体的十分之一，然后把它放入风洞进行研究。”NHERI的工作包括：一台机器，能够使五米高墙经受每小时320公里的飓风带来的气压；一个风洞，它的地面可以调整，以便研究不同的地形如何影响风与结构相互作用的方式。

计算机模型也会在精确复制所有作用力方面存在缺陷，比如桥在地震中扭曲和摇摆产生的作用力。一座桥的不同部位瞬间在不同的方向受到外力作用，它的坍塌方式无法预料，因此计算机模型也难以模拟。2010年，加州大学圣迭戈分校振动台请来41组专家对他们的模型进行仿真实验竞赛，在七米高的桥墩上放置236吨的混凝土砖块。加州大学伯克利分校建筑工程师斯蒂芬·马欣（Stephen Mahin）参与协调此项赛事，他介绍，计算机的结果五花八门。平均起来，他们低估了桥墩摇摆的幅度为25%。马欣说：“你不能太相信计算机的结果。”

五月中旬的一天早上，哈钦森在实验准备的最后阶段检查她的建筑物。她发现一楼房间的墙与金属屋顶龙骨中间裂开的一些小缝隙。这是一天前她的团队成员对建筑物进行了轻微摇晃造成的。这种情况在建筑物各部分之间如何承载压力，以及建筑物会在接下来的地震中遭受什么样的损坏会有所不同。这些在计算机模型中无法显示。

她说：“你不会考虑每一个螺丝钉，看看这些不被人注意的损坏。”

摇晃、撞击、滚动

设计能模拟八级地震或五级飓风冲击力的机器并非易事，也价格不菲。看看圣迭戈的振动台就知道需要多少的机械能。工程学教授乔尔·康特（Joel Conte）负责监控振动台的运行，他走进一个装满了机器的洞穴状地下室。一个两万升的金属箱装着驱动整个系统的液压机液体。两台泵在3.4万千帕的压力下将那里的液体抽送到50个像街灯电线杆一样细长的黑色圆筒中。这样高的压力非常关键，它能够形成足够的力量瞬间夷平整座大楼。

康特转入一个通道，沿着直径30厘米的钢管中液体流动的路线，进入了一个由钢构成的像平底船的船体形状的房间，这里就是震中。头顶上有一块5厘米厚、12米长、约8米宽的金属板，被固定在钢板下。一端的传动装置延伸到混凝土墙，传动装置看起来像汽车的减震器，其厚度像一个人的躯干。当计算机在附近的建筑物中发出指令，传动装置会猛拉，液压机液体驱动传动装置来回摆动，夹在中间的金属板以每秒1.8米的速度在金属薄片（金属薄片像镜子一样光滑）中滑动。瞧！瞬间地震发生了。

康特说：“在真实世界里，你没法指望它。你不能说，‘哦，我要坐下来，在这栋大楼前等待下一次地震，我要在传感器方面加大投入。’你可能得为此等30年、40年，甚至50年。所以，你要制造一次地震。”

此项结构耗费1 000万美元，振动台已经测试了一个四层的混凝土停车场、一个风力涡轮机和一栋带有电梯和楼梯的五层混凝土建筑等。这些实验表明：特殊的管芯可以增加弹性，建筑物能够在原来的地基上移动，如果没有另外的钢筋加固，组装式的混凝土地面表现不稳定。实验也揭示了木制结构的高层建筑如何坍塌，钢筋加固如何令老式的砖式建筑更牢固。

康特回到办公室，开心地点击那些视频的“精华之作”。一栋四层高的木制建筑扭曲，然后轰然倒地。一个停车场就像一把摇椅一样前后摇晃。分区屏幕显示两个相似的房间里放满了医院的病床和医疗设备。一个房间是垫式地基建筑，这种地基可以吸收地震带来的震动；另一个房间则不是。随着视频的放映，普通房间的病床在地震来临瞬间突然前后倾斜然后翻转倒塌。而另一个房间里的病床则几乎没有移动。

在目前的测试中，哈钦森希望看到一栋六层楼高、使用轻钢结构建造的大楼在地震中和地震后的反应。她认为情况可能尚好，一部分原因是因为同样高度下，轻钢结构比混凝土轻，在地震中产生的破坏力更小。如今，建筑业规范允许这类的结构建筑高度不超过20米。然而投入实验中的最高建筑也只有两层。

这一结构是模仿公寓式建筑，用于多级式耐力测试。哈钦森和她的同事们首先需要监测几次模拟地震，包括北岭和2010年智利8.8级的地震。接着他们会在楼房的部分区域点火，看看楼房对地震灾害引发火灾的承受能力。之后，他们将模拟余震再次摇晃大楼，摇晃力度加大到大楼最终坍塌。

研究结果不仅仅是出于学术兴趣。实验的赞助者包括：钢建筑部件的制造商、保险业、以及州政府。萨克拉门托加利福尼亚地震安全委员会是为决策者出谋划策的政府机构。委员会执行主席理查德·麦卡锡（Richard McCarthy）表示：“这并不是全方位实验。”该研究又追加了10万美金，期待研究的深入有可能改变建筑规范，要求将来的建筑中使用这些材料。

康特目前正在游说州政府官员增加1 400万美元，让机器能够进行更真实的实验。到目前为止，该机器只能够一前一后两个方向移动。新的硬件可以增加机器的上下、左右及对角线移动，这样就能做到全方位移动，达到日本三木市全球最大的振动台的水准。

下一个目标：混合模拟

科学家试图将物理实验与计算机模型相结合。宾夕法尼亚州伯利恒市利哈伊大学土木工程师詹姆斯·瑞克尔斯（James Ricles）介绍说，最终的“混合式”模拟可以测试大型结构，这些结构以往因为体积过大而无法使用测试设备。他的实验室属于美国国家科学基金会的相关网络，用计算机模型测试某个结构中容易理解的部分，计算机模型无法处理的其它部分则采用物理测试。在以百万秒为单位测量的反馈回路中，物理实验中的传感器向计算机模型传送数据，计算机模型处理数据并向进行物理实验的机器发出新的信号，告诉它们如何产生接下来的移动。

瑞科尔斯的实验室模拟地震中高速公路的表现，既用物理实验监测混凝土柱，又测试计算机的虚拟桥面模型。他最近采用了同样的方法来测试某种建筑设计，让钢结构建筑在地震中前后晃动而不是弯曲倒塌。实验室里有一栋四层的建筑，其它的实验部分都在计算机的微处理器中完成。

在加州大学圣迭戈分校进行混合实验的工程学教授吉尔伯托·莫斯克达（Gilberto Mosqueda）认为，此项工作吸引人的地方就是研究灾难造成的破坏。“你建造这些模型，然后震动它们直到最终捣毁它们。”然而实验带来的海量数据也为更先进的数值模型打开了通道，有一天数值模型可以承担末日机器的一些工作。

美国国家科学基金会早期的项目侧重点在大型的测试平台，NHERI的项目把更多的基金投入在虚拟实验中。德克萨斯州立大学赢得1 370万美金用于建造数据储存和软件平台，来存储多年实地测试的数据。将来，工程师还能够在数据储存库中获取信息，完善计算机模型的精确度。美国国家科学基金会很快将签署1 100万美金的奖项，用于计算机建模和模拟中心的投入。

美国国家科学基金会在弗吉尼亚阿林顿项目的主管、结构学工程师乔伊·波斯克（Joy Pauschke）说：“我们是否能够做到：可以为任何事物建模并对此充满信心吗？这是一条漫长的路。幸运的是，当我们在测试并改善模型时，我们开始有更好的能力利用计算机建模。”

在2010年的竞赛中暴露了建模缺点的伯克利的马欣，现在也看好计算机建模。他预测，随着人们在机器学习和云计算方面的进步，计算机建模不仅能够模拟单纯的建筑物，将来还会扩大到整个社区。“虚拟灾难”会让研究人员和政府官员了解大地震、风暴等造成的区域性影响，从而决定如何将损失减小到最低限度。

马欣说：“我相信，20年后，已经可以用非常复杂的方式为整个城市建模。目前的分析有助于减轻未来自然灾害的损失，对此我们颇有信心。”

加州大学圣迭戈分校，振动台上一栋建筑在等待接受实验

［资料来源：Science］［责任编辑：岳 峰］