自适应吸震房屋

赖华辉

上海交通大学BIM研究中心

博士研究生

汪东进

上海交通大学BIM研究中心

硕士研究生

韩文洋

上海交通大学BIM研究中心

硕士研究生

吴祎菲

上海交通大学BIM研究中心

硕士研究生

刘思铖

上海交通大学BIM研究中心

硕士研究生

1　概要描述

1.1　背景与意义

地震是地球上给人类社会造成损失最大的自然灾害之一。地震一般是地壳快速释放能量过程中所造成的振动，8.0级地震释放的能量约为6.3×1016 J，相当于约15百万t TNT炸药，在2008年发生的汶川地震亦为8.0级。我们可以想象，这么大威力的能量所造成的破坏。目前的抗震措施一般是通过加强建筑房屋结构以达到抗震的作用，即主要以“抵抗”性质为主。但面对如此巨大的能量，为何不能被我们人类所使用呢？随着科学技术的发展，我们所生活和工作的房屋在适应地震的基础上，快速“吸收”地震所释放的能量，将地震能量采集为人类可以使用的能量，将成为人类社会发展的重要课题，这不仅可以大大降低地震所带来的影响，也将为人类在地球上的可持续发展提供支撑。

1.2　工作原理

自适应吸震房屋工作原理如图1所示。

（1）智能化计算：地震来临时，房屋建筑及时获取地震参数，结合自身的结构参数，如地下基础形式、连接节点刚度、建筑材料性能等，由房屋智能控制系统数据库计算选取一种最适合当前地震下的结构形态，并将计算结果的指令发送到房屋相关系统。

（2）协调性变形：根据房屋智能控制系统的计算结果，由智能材料、设备建成的房屋将自动调节自身形态及工作参数，以适应地震所产生的震动。当地震来临时，房屋整体结构能够自动变形，与震动的大地保持相对协调，避免由于发生相对位移导致房屋倒塌。

图1　自适应吸震房屋工作原理示意图

（3）转化式存储：地震所释放的巨大能量，可通过房屋振动智能吸收系统进行采集、转化并存储。房屋振动智能吸收系统可将地震的机械能转存为电能，一部分电能供房屋后期的日常使用，如家居电器、车辆充电等，其中一大部分电能传输至社区能量存储库。

（4）记忆态恢复：地震来临时，房屋将处于地震的特殊状态。地震结束后，房屋智能化控制系统可根据地震前的“记忆”状态，智能化地恢复到房屋的原始状态。同时，房屋将记录此次的地震参数及房屋的地震表现数据，反馈至控制系统，以优化后期的房屋地震状态控制。

2　技术发展与突破

自适应吸震房屋是人类社会未来发展的重要研究课题。目前，已有科学家与工程师开展了相关理论与技术的研究，为自适应吸震房屋的研究提供理论基础与技术支撑：

（1）建筑信息模型（building information modeling, BIM）技术：一种存储、表达并管理房屋建筑数据的三维信息化技术，能够为房屋智能化控制系统提供房屋全生命期大量的建设与管理数据。目前，上海中心等复杂项目均有应用。

（2）形状记忆合金：一种对形状有记忆功能的合金材料，具有自适应、自感知和自诊断的功能。据研究，镍钛记忆合金在弹性性能上比目前建筑用钢的提升约30%。

（3）振动能量采集器：一种可用于将机械振动能量转换成电能的能量采集器，目前已有公路系统振动能量压电发电的研究。该研究是在路面内安装压电装置，或采用压电材料作为路面组成部分，当公路上的汽车造成振动时，即可产生电能，可作为电力加以存储和利用。

可以预想，随着科学技术的进一步发展，房屋智能系统控制、房屋多维信息集成、建筑结构创新体系、智能复合材料、能量采集与转存、地震预测等方面的技术将进一步突破，人类将能够居住在安全、智能、可持续的自适应吸震房屋中。

3　应用意义与前景

自适应吸震房屋技术是一项融合建筑体系、系统控制、信息集成、计算机软硬件、化学材料等多学科交叉协同创新的新技术。随着科学技术的发展，在未来，自适应吸震房屋的投入使用，能够大大提高房屋建筑的安全性能，有效降低地震（尤其是特大地震）对国家、社会和人民所造成的生命财产和经济的损失。同时，自适应吸震房屋从传统的“抗震”模式变为“用震”模式，能够存储并充分利用地震释放的巨大能量，优化能源使用格局，有利于改善地球能源使用的各种问题，如资源枯竭、环境污染和生态失衡等，为新型能源的使用提供新的思路。另一方面，自适应吸震房屋对其他领域类似技术具有广泛的借鉴价值，如自适应汽车，能够自动协调应对复杂的道路状况、突发交通事故等。

房屋作为国内外发展智慧城市的重要载体，自适应吸震房屋能够为人类提供安全、智能、可持续的生活环境，进而降低地震等自然灾害带来的严重影响，并促进能源使用的可持续性发展，在人类社会发展中具有广泛的应用意义及前景，必将推动一场智能制造技术的变革和智慧城市的新一轮发展。