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2019年11月29日下午，一场讲座在西南交通大学九里校区的逸夫楼举行。主讲人郭迅（土木 1987）是防灾科技学院的教授、博导，讲座的题目是：中国地震震情与对策。  郭迅，西南交通大学土木工程学院1987年本科毕业，1996年在中国地震局工程力学研究所获硕士和博士学位。 中国地震震情与对策  漩口中学震后面貌 PPT上几张汶川地震的照片，这对2008年在四川的人来说再熟悉不过了。郭教授一开讲就提出一连串的问题：为什么在我国小震会酿成大灾，大震会酿成巨灾？为什么日本9.0级地震，死了1.5万人、智利9.0级地震，死了756人，而我国唐山7.8级地震，死了24.6万人，汶川8.0级地震，死了8.9万人？为什么遇难者多死于建筑物倒塌？郭教授不止是问题的提出者，更是问题的探究者。他毕业后到毛乌素沙漠投身铁路建设。在工作和学习过程中，他了解到结构动力问题是土木工程最前沿的课题之一，而我校校友刘恢先（土木 1933）院士创立的工程力学研究所在结构抗震方面位居世界前列，他果断地报考了该所的研究生，师从张敏政教授，研究结构隔震减震和振动控制。在结构健康诊断、结构振动控制、结构试验研究和振动仪器开发方面有丰硕的成果。为了研究建筑物的抗震性能和机理，郭教授跑遍了中国4级以上大大小小的地震现场。在2008年5月12日的汶川地震中，学校是重灾区，地震中有5430名师生遇难身亡。为什么那么多的学生遇难，为什么是教学楼？社会上铺天盖地的道德谴责，指责这些建筑是昧良心的豆腐渣工程。市长无以安抚愤怒的家长，只得长跪于地接受质问，声称一定要给他们一个说法。郭教授知道道德义愤解决不了问题，市长也不可能给出一个科学合理的解释。真正科学的态度应该是找到问题的真原因。否则，不仅不能有助于应对以后出现的灾难，还会挫伤“背锅”的人。这不涉及辩护，涉及工程师优良的职业素质，不管多大的压力，工程师应该勇敢地站出来，冷静地、实事求是地寻找真相。 汶川地震余震不断时郭教授就巡走在地震废墟上仔细观察，一心想尽快找到房屋倒塌的真相。他仔细观察房屋倒塌和受损的状态，认真查询建筑者的资质和各种信息，发现了一些值得注意的情况。在倒塌的房屋中，有老百姓的房屋，也有公家的房屋；有楼房也有平房；就在地震最严重的区域房屋倒成一片的地方，仍有孤独矗立的房子。同一家设计单位设计的楼房，有的倒了，有的被地震整体抬高了两米却仍然完好。郭教授认为简单一个的“豆腐渣”解释不了震后呈现的复杂现象。经过郭教授的调查，发现大多数房屋在施工和用料，设计和验收各个环节都达到了标准。但是房子倒了是事实，问题究竟出在哪里？ 在震害严重的白鹿镇，郭教授看到废墟中一幢新建的农家三层小楼，从外表看没有受到任何损坏。他上前询问留守在家的老奶奶，得知房子是她在重庆建工学院学建筑的孙子设计的。郭教授求设计图不成，就仔细询问房屋建造过程和方式。结合大量现场观察的积累，他心中有了一个大胆的假设：房屋的钢筋混凝土结构出了问题，而这不是设计和建造的问题，是我们的建筑标准存在问题。真的是这样吗？郭教授意识到这是一个推动建筑行业建立新认知，确立新标准的大问题，必须严肃对待，一定要经过充分的实验验证，才能最后给出结论。所以，等待郭教授的是一场运用专业知识，开创新的实验模型验证假设的艰苦工作。 房屋倒塌的真相：散、脆、偏、单 郭教授从地震中倒塌的上千栋房屋样本中筛选了各具共性的两类多层混凝土框架建筑。一类是单面外走廊式的教学楼，另一类是内走廊式的办公楼。由于结构倒塌是一个非线性问题，因此探讨倒塌的机理主要应依靠现场调查和振动台地震模拟试验的方法来进行。于是郭教授指导他的硕博研究生开始各种计算，设计出不同结构类型的实验模型，然后带领学生一遍又一遍地在震动平台上做振动实验。他坚持实验一定要“全要素、真情景”，这样才能对比出不同现实场景中的结构与建筑标准的差别。正是郭教授认真的工作态度，才发现了我国“强柱弱梁”标准是怎么在实际结构关系中落空的。针对钢筋混凝土框架结构地震倒塌机理的研究，他们做了四十多次不同结构不同目标的实验，每一次都以某个点为目标，按缩尺比例计算建造模型，在平台上照此搭建实验房屋。明明知道是要倒塌的模型，却要认真地做，用真材实料去模仿建筑物。耗时耗财工作量很大，十分辛苦，但也获得了大量详实的实验数据。一系列的实验证明郭教授的假设是对的，他最后总结出地震中建筑物倒塌的四大缺陷问题，即散、脆、偏、单。对应地震现场倒塌建筑物倒塌状态，让建筑物倒塌现象有了一个基于科学研究的解释。 所谓“散”是指建筑物预制板端部无约束，竖向和水平向无连接。因此建筑材料成堆砌状态，地震来了以后，不管什么样的波，一摇晃就会散架。唐山地震后，这一现象已经被认识到。但是我国的实际情况是，在农村，老百姓多是自己盖房子，他们只是凭着前辈的经验和财力条件造房。前面提到的在地震中矗立的农家小楼，得益于学建筑专业的孙子的设计，房屋采用了整体现浇结构。也就是说从下到上的钢筋混凝土柱是贯通连接的，每层的钢筋混凝土梁也是连成一圈的。以前农村造房子以平房居多，现在以三四层楼居多；以前使用土木材料居多，现在则以砖瓦、钢筋混凝土居多，在建造方式上没有什么改变。以前房子倒塌危害不大，现在就不一样了。 所谓“脆”是指建筑构件和材料的一种属性。材料一般来讲有几种特性，弹性是指在加力时材料有变形，但不会断裂，力消失后会恢复到原来的状态；延性是指受力材料变形很厉害，但不断；塑性是指在受力的情况下材料会发生变形，但力消失后会部分回到原来的状态；弹性与塑性一起形成弹塑性，这种特性同时也意味着较好的延性，它能消耗地震的能量；相反某些建筑材料则呈现出脆性，“脆”性是指受力时没有变形或变形很小就断了。干打垒房屋用的材料，包括土墙等都是这类材料。甘肃、玉树、新疆，九寨沟、云南少数民族地区地震中都看得到这样脆性材料。脆可以理解为更小单位的“散”，是建筑材料的“散”，即材料内部没有凝聚力，在遇到较大的外力时会出现脆性断裂。就像素混凝土，内部没有钢筋不能承受拉力，也就不能抵抗地震力，在地震力作用下会出现断裂，发生坍塌。“倒”是指竖向构件，比如柱、墙的倾覆；“塌”是指水平构件，比如梁板的坠落。郭迅，《钢筋混凝土框架结构地震倒塌机理》，中国建筑工业出版社2018年2月，前言。 所谓“偏”是指建筑内力的分配不平衡，结构在纵向（这里指水平地震动方向）上具有偏心。虽然在建筑设计中满足了国际上通用的“强柱弱梁”的建筑设计方法，用以保证抗震。“强柱弱梁”是指这种情况下柱子的抗剪能力高于梁的抗弯能力，所以即使要发生破坏，也只是梁破坏而柱子不倒。梁折断时可能只造成局部坍塌，而柱子如果倒了，那么整层结构都会失去支撑，所以显然后一种破坏形式造成的危害更大，应该尽量加以避免。 但是由于结构框架柱之间的填充墙上开有窗户，窗户下面的半高填充墙对框架柱下半部形成约束（这使得柱子下半部变形小而上半部变形大，也就是所谓的“偏”），减小了框架柱的计算长度，造成其刚度成倍增高。而地震产生的水平力在各个柱子之间分配的比例是与其刚度成正比的，这使得刚度大的柱子成为“凝震聚力”的所在，从而使得“强柱弱梁”难以实现。当这一结构连续出现时，地震中房子纵向往返运动，因为P-Δ效应，相邻两堵半高填充墙之间形成的“窗间柱”率先丧失承重能力，从而引发结构整体倒塌。也就是说，这种结构的建筑物实际上受到的地震剪力是不均衡的，出现了受力偏向。市长没有能解释漩口中学14栋楼，为什么只有三栋教学彻底倒塌，死了57学生，而行政楼、宿舍楼、食堂都没有倒。郭教授用他的研究解释了漩口中学3栋结构相似的外走廊教学楼为什么一致朝有窗户的远离操场的一侧倒塌。那就是因为教学楼朝向操场一侧是贯通的没有填充墙的外走廊，而远离操场的另一侧是开有窗户的有半高填充墙的一面。也就是说窗间柱下端被半高墙约束，于是可能承担了相当于走廊柱8倍的地震剪力和4倍的弯矩，所以，窗间柱上下端率先破坏，形成塑性铰。其实郭教授在地震废墟中看到大量类似的倒塌状况，例如众多的门面开敞只有柱没有填充物的商铺、停车场和有卷帘门的房屋，都朝后倒塌了。这也令笔者联想到不少人在装修自己居住的房屋时，认为只要不是承重墙都可以随意拆除，其实它们对房屋的整体结构是有破坏性影响的。但是郭教授还有疑问没有彻底解决：在他的试验中，窗间柱所承受的水平地震力似乎并没有地震中破坏的房屋结构里面那么大。他到都江堰找到设计人，设计人说我们的设计是很认真的，连压顶都配了钢筋的。郭教授一听恍然大悟——他们的试验没有这样做，因此窗间柱上端受到的约束不够强！于是他马上回去按照实际结构中的构造重做实验，立刻得到与现场一样的效果。这就证明在有半高填充墙的状况下，柱就产生了“凝震聚力”作用，造成了结构上重心的“偏”，这一结论是正确的。所以要用“均刚度，强延性”的方法改变这些缺陷。 所谓“单”是指单体结构。过去以单跨结构做实验，但实际中的建筑物是连续且相互连接的结构。另外在结构师那里看不到有墙的真实的建筑物，只用局部做实验就不能得到真相，出现认知错误在所难免。 对人的生命负责，让成果服务于实践 郭教授用自己的责任心和实事求是的科学态度找到了问题的真相。在讲座上他特别告诉同学：工程师不是只要按规范做了就行了，我们不是对规范负责，撇清责任了事。我们要对人的生命负责，这么多人在地震中遇难，工程师逃避不了群众的质问，其他国家怎么能做到低伤亡。郭教授用他主动的责任担当，为中国的抗震做出了大功大德的成绩。郭教授心里想的是如何能够推广抗震减灾研究的成果，如何能够扭转我国小震大灾的局面。工程师发现问题出在我们的建筑规范，但这离救人性命于灾难的目标来讲还远不够。卓越的工程师还必须提出解决的方案，要尽快将研究成果运用于实际，写进建筑规范是最有效的办法。现在郭教授的成果已经纳入《建筑抗震试验规程》、《建筑抗震鉴定与加固规程》等四部国家建筑规范的编制和修订中，取得了显著的社会效应。郭教授的研究成果在大连、唐山等上百万平方米的地震安全社区中指导建设，切实提高了当地的防震减灾能力；其成果运用于北京中信大厦（又名“中国尊”）528米超高层建筑、云南龙江主跨1196米的亚洲最大山区悬索桥、邹城国际会议中心大跨结构等复杂工程建筑项目。郭教授的研究成果还运用到国际社会，在阿尔及利亚、突尼斯、摩洛哥、南美洲、巴基斯坦，他们把这些成果称为中国经验。 郭教授提出研究结论：凡具有这四种缺陷之一或更多的建筑物在地震灾害中倒塌的可能性极大。国家消能减震专家周福霖对郭教授的研究成果给予了高度的评价。周福霖院士为组长包括5名院士在内的鉴定专家一致认为该研究成果为抗震试验提供了新方法和新途径，显著提升了我国在抗震试验领域的国际影响力，总体上达到了国际水平。事实上，其研究成果在美、日等国际重大研究项目中也得到应用，是我国“建筑安全与环境国家重点实验室”等国家级平台的核心技术。郭教授为系统的硬件建设提供了主要的技术开发，研发了基于Labview的实验室数据传输控件：集成了电液伺服式作动器软硬件，直接支持了研究项目的顺利完成。提出了兼顾效率和精度的直接积分方法，解决了精力边界难以协调的问题。参与高层框架剪力墙子结构混合实验，实验数据直接支持了新型消能减震技术的评审，使其研究成果能够迅速运用到实际中。 不断进取重于职业荣誉 2017年1月9日，2016年度国家科学技术颁奖大会在人民大会堂举行，郭教授的研究团队荣获国家科技进步二等奖，郭教授以自己的科学研究捍卫了职业荣誉。 在巨大的荣誉面前，郭教授还在深思我们的标准为什么会存在缺陷。他不满意于认知局限的简单回答，不肯轻易放过可能存在的普遍的认知问题。国家的设计标准是建立在已有的工程认知基础上的。为什么我们过去的认知出现了偏差？郭教授没有打算停在弄清了房屋倒塌的原因上，而是一直穷追下来，问到认识论、方法论上。他发现了一个在不同的行业中都可能存在的问题。那就是人类认知发展过程中，分裂的、孤立的认识方法。西方哲学的分析方法就是拆分式的方法，他们相信越简单的事物越容易认识，所以不断地拆分就可以得到复杂事物的简单构件。在建筑行业中有两个分工明确的行当，一是建筑，负责设计外观、功能；另一个是结构，负责力学意义上建筑物的可能性和安全性。一个是外显的，是建筑的“衣服”，它融入了更多文化的信息。一个是被包裹的，是建筑物的筋骨，它更多地靠物理、数学的支撑。由于二者分工明确，也就自然地产生了工作的独立性。当结构工程师作设计时是在如下图（见下图第一图）的状态下进行的。也就是说他们只考虑了框架的力学性能本身，而没有考虑有填充物（包括墙、窗等）后的力学结构。而郭教授的研究恰恰发现了填充墙对柱的约束作用，这种约束导致了柱侧向刚度比无填充物无约束的走廊柱高出几倍。尤其是当建筑有填充物和没有填充物，正好又形成对称结构时，有填充物的一方就形成了“凝震聚力”的作用。  北川县城禹荷大酒店工地（一）  北川县城禹荷大酒店工地（二） 图一是位于地震烈度11度区的北川县城的禹荷大酒店，这栋设计为九层高的楼在地震时框架已经建到了六楼。从外观上看整体完好，从图二看，只有少数楼梯间底层柱端出现混凝土剥落。震级是指地震释放能量的大小，一次地震只有一个震级；烈度是指地震破坏的程度，一次地震造成的各地的烈度不同，一般情况，离震中近的地方烈度高，破坏严重；远的地方烈度低，破坏轻微。 人类认知走过了从眼见的纷繁复杂，不知所措，到循着分析逻辑找到简单，再加以组合的认识路径。这种认知已经不能应付今天的复杂系统，郭教授对这个问题的研究也从认识论上告诉我们，联系性的思维，系统性思维是多么重要。这也是今天语境下的跨学科思维。 本文案例源自郭教授讲座，肖平文字整理，该案例经郭教授审核。  【作者简介】肖平，1982年毕业于西南大学（原西南师范大学）中文系，1985年7月入职西南交通大学，专注与应用伦理学研究与教学，尤长于工程伦理和公共伦理，并长期担任四川省伦理学会会长（现已退任）。今年从西南交通大学人文学院退休，现在正在进行最后一学期的教学工作，并将继续完成门下的硕士和博士指导工作。西南交通大学出版社出版了她的最近合著《工程伦理——像工程师那样工作》。肖平现居住在四川成都。 |
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